瞬變電磁法在深部采空區探測中的應用

聶西坤

（山東省地質礦產勘查開發局第四地質大隊，山東 濰坊 261021）

瞬變電磁法(TEM)是一種檢測方法對存在異常結構內介質電阻測量電磁誘導定律認為，作為時間函數中電磁場的變化。近年來，材料檢測技術在采礦工程中得到了廣泛的應用。

我國幅員遼闊，資源豐富，地質構造復雜[1]。不同地區的地質構造在礦化和成水條件上存在差異。瞬變電磁物探法利用導電的地下巖石，通過對電阻率變化的研究、可以測出斷層和頂板破碎強度分布，以及確定含水層地區的涌水量。

1 瞬變電磁勘探原理

瞬變電磁法勘探的原理是在不同地質上勘探不同的地質層中跟蹤信號用于測量深度的電導率可識別物理數據，通過分析數據，畫出不同深度，結合地質水文資料，完成地質探測，反應真實的巖層結構組成。采空區上覆巖層還具有以下特點：①由于重力的作用，巷道底部塌陷，煤層導水系數發生變化，使得電磁勘探方法的應用成為可能。②上層裂縫的形成原理與塌陷相同，但層間形成較大的裂縫，不利于上層的穩定性。圍巖變形：圍巖變形主要是由于自重或表面壓力引起的圍巖的無損變形。巖石的彎曲規律是明顯的，不同的地質構造具有不同的電特性[2]。煤礦采空區的形成主要有兩個方面：一是頂板柱的充填，二是帶狀柱的充填。在這種類型的采空區，體積大的空腔特征比較明顯。采空區大空間和積水的電性標志更容易識別。

2 瞬變電磁法數據處理與解釋

①計算機。TEM方法觀測到的數據是不同測量點每個時間窗口的瞬態誘導應力，應轉換為相關參數，如成視電阻率和視深度，以便對數據進行解釋。②結果解釋。合并解釋及地質儀器進行綜合分析：由于約束技術狀態的能力，測試結果信息處理部分和原始數據是相對有限的，特別是對于電磁勘探成果，后者仍在一定程度上逆轉。但從地質規律的角度來看，這些數據之間存在一定的相關性。瞬變電磁在解釋結果時，可以使用多種方式總結、探索和生產過程中分析和處理鉆井勘探和采礦地質信息揭露的諸多地質資料信息，如數學和統計和數學建模和地質成果，結合電磁數據，其地質理論影響進行綜合分析，并提出關于制定地質模型的地質資料，對瞬變電磁勘探成果開展相對深入的分析以及對比，更深入的研究和比較分析的結果，電磁勘探結果的地質規律使勘探結果的準確性和可靠性得到了顯著提高。水平和垂直切面：視電阻率--深度擬斷面圖是基礎，既是橫向和縱向走向更深的電性變化，因此，我們還可以加上地質資料，這些資料是基于已知的油井、斷層、含水層及其他特性等。

3 瞬變電磁法特點與局限性

由于瞬變電磁法的第二現場觀測條件相比，包括以下特點：首先，觀察和研究是重要的因素，純異常場，沒有實質性的干擾；其次，它穿透高強度層的能力相對較大，優于導電法。在同一點使用組合設備進行觀測活動，得到與檢測目標的最佳耦合，有著相對較強的異常響應，形狀簡單。周圍高強度巖石的低強度響應也很敏感，便于探測低強度地質目標。最后，建設簡單，工作有效，很少受到地形的限制。

4 瞬變電磁法在深部采空區探測中的應用

4.1 采空區探測分析

此外，由于礦山地質資料相對稀少，其可靠性逐漸下降，過去的數據不再滿足目前礦山安全的需要。為了確保逐步獲得越來越多的相關數據，這是生產的重要基礎，運營商決定進行表面研究，以確定后方的范圍。新生代地層一般由礫石、沙子和粘土組成，表觀電阻率中等或較高。二疊紀圍巖以泥漿和礫石為主，圍巖的表觀強度也中等和較低。奧陶系、石炭系和寒武紀地層以石灰巖為主，其表觀強度也較高。在縱向上，已勘探土地表觀電阻率的真實特征為：高-低-中-高[3]。在巖層保持完整狀態的時候，其電阻率相對較高，實際原因是煤礦中的相關效應現象破碎巖石破碎、水或粘土回填、電導率逐漸加強的圍巖巖石電阻率進一步降低，電性、低水平逐漸開采煤炭和異常情況，在進行煤層采空區的劃分之時，可以通過相同層位的低阻異常區的圈定來確定。

4.2 瞬變電磁施工方法

瞬變電磁法測量裝置由發射回路和接收回路組成。接地測量裝置有三種常見類型：①根據發射線圈和接收線圈的位置，可以區分重疊線圈和中心線圈。②環分離裝置，又稱偶極裝置，發射環和接收環位于一定距離內，兩個環的尺寸可以相同，也可以不同；③緯圈裝置也稱為大型固定源環裝置。發射回路由一個幾百米寬的矩形回路組成。測量線設置在電路內外，通過小線圈或探頭沿測量線觀看。異常大地電振幅之間的最佳耦合可以通過簡單的形式、低副作用和高橫向分辨率來實現。工作裝置的選擇必須考慮到勘探的目標、建造條件和裝置的特點。

4.3 布線設置

利用瞬變電磁法進行野外數據收集和測量中，需要應用相關儀器及設備進行工作。瞬變電磁法的相關設備儀器有很多，如V8網路化多功能電法儀（加拿大鳳凰地球物理公司生產）、MTU衛星同步大地電磁儀、VIP大功率激電儀、PEM地井瞬變電磁儀（CRONE公司生產）等等。布線設置應依照地區的地形地勢結合相關數據進行，結合其探測具體條件和實際作業難度，并且結合部分研究學者的建議，選用科學合理的尺寸進行作業。如在利用瞬變電磁法作業時，由于其地勢較為復雜，并基于深部觀測條件，采用了邊長為800m的回線加以布置，采納不同的回線重疊的計劃方針，使得其作業效率很大程度上提高，觀測深度更加深入，并且成功地避免了對地勢和周邊環境等因素的影響。某礦區安置了11個側線，并規定其編號是1～11，全部側線和探測剖面線保證水平放置，且其16剖面線和瞬變電磁法的6側線疊置在一起。據了解，當時不同側線之間的距離為100m左右，點距離為19m左右[4]。礦區一共設置了4個回線框，且能夠將全部R礦區整體籠罩，兩個線框之間保證疊置，且疊置區域利用測點加以勘探，很大程度上提高了數據計算和測量結果的準確性。最后礦區利用瞬變電磁法得到視電阻率截面圖。

4.4 瞬變電磁物探技術的場強對比法

瞬態電磁場的地球物理勘探數據采用場強比較法進行解釋，即實測場強(H)與理論場強(H0)的比較。這種差異稱為衰減系數η，η=H-H0(dB)。定性地說，在一個理論上各向同性和無限均勻的介質中，測量的場強的值必須等于場強η=0的理論值。當實測場強度小于理論場強度時，工作面地質結構存在差異，ηn<0。從定量的角度來看，可以根據衰減系數的大小和曲線的形狀來分析地質構造的異常，從而得到相對正確的地質解釋。在瞬態電磁勘探中，瞬變電磁物探法共圈定6處低阻異常區，表觀電阻率設置為80Ω·m。頂板破碎含水層分析。在工作面異常區，水流增加，最大流量約為70m3/h。該異常區還位于斷層密度高的區域，共6條斷層。

4.5 地球物理探測

不同層次的不同，測量電阻率法勘探地下不同深度的電阻率差異來達到研究的目標，理論上有巖石和煤層電阻率干燥的空氣，但實際上總是包含孔隙水和巖石裂隙隨水飽和濕度或巖石電阻率將大大減少。當地層完整時，地層周圍巖石含水率低，電阻率高。在各種地質作用作用下開裂或溶解時，含水率顯著增加，巖石導電性顯著增加，電阻率顯著降低。一般來說，斷層和含水地層的電阻率遠低于附近非含水地層的電阻率，為電勘探評價斷層和含水地層含水率提供了物理基礎。換言之，尋找煤層頂底板富水區和斷層含水性的問題就轉換為尋找含煤巖層中低阻異常分布的問題[5]。瞬變電磁數據采集使用V8多功能電法儀。在施工開始前，對所投入的V8儀器進行標定，測試儀器的優良，檢查是否滿足野外生產。通過已知地質資料，在勘探線附近進行試驗。通過在試驗區進行瞬變電磁勘探的初步試驗，確定比較合適的施工參數如下：采用大定源回線裝置，發射框為300m×300m，頻率25Hz，增益4，積分時間為120s～180s。高精度磁法數據采集使用GSM-19T型質子旋進磁力儀。瞬變電磁和磁法勘探線重合，與原勘探線平行，走向近東西向，測網密度為20m×20m。

5 結語

瞬變電磁法是地球物理勘探中最有效的電磁方法之一。基本的工作方法如下：斷電后，由于熱損失，感應電流隨著時間的推移而減小。衰變過程通常分為初始、中期和最終階段。第一個電磁場在頻域中相當于高頻分量，衰減快，表面深度小。另一方面，在頻率范圍內，延遲分量對應于低頻分量，衰減緩慢，繞組深度大。不同深度的地球電特性可以通過測量在斷電后的每個時間段內二次場隨時間變化的規律性來獲得。結果表明，瞬變電磁法能準確檢測后方區域，準確定位異常位置，是一種有效、簡便的方法。同時，通過對采煤機鉆孔數據的驗證，驗證了該方法的可行性。預計該技術的不斷改進將在預防和地質保護煤礦水損害方面取得更好的效果。