EH4大地電磁探測技術在采空區探測中的應用*

張洋洋，張 峰

(1.中煤科工生態環境科技有限公司，北京 100013;2.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

傳統探測采空區的物探方法有很多種，如地震勘探(包括反射法、折射法)[1]、電測深法、高密度電法、瞬變電磁法等。EH4電磁探測技術自上世紀九十年代引入我國，由于其儀器設備輕便，可對工作場地狹小的大埋深目標體進行勘測，并且穿透能力強，在淺部存在較低阻的情況下，仍能達到比較理想的勘探深度，分辨率較高，在采空區的探測中得到越來越廣泛的應用[2-4]。

1 EH4大地電磁探測技術原理

EH4儀器設備輕便，工作能耗小，占用場地少，既可以做野外空曠地區的勘探，也適合狹窄場地的勘測。EH4應用大地電磁法的原理，使用人工電磁場和天然電磁場兩種場源。EH4能同時接收和分析X、Y兩個方向的電場和磁場，反演X-Y電導率張量剖面，EH4觀測時間短，完成一個近1 000 m深度的測深點，一般只需15～20 min。對判斷二維構造特別有利。EH4既具有有源電探法的穩定性，又具有無源電磁法的節能和輕便。

EH4系統就是基于大地電磁測深理論，通過測量相互正交的電場分量(Ex，Ey)和磁場分量(Hx，Hy)，計算地下地層介質視電阻率值，并根據地層介質電阻率的變化規律進而推斷地下介質的結構、電阻率異常體、構造[5]。

2 工程概況

項目區位于工業廣場內，人工建筑物分布密集，給物探野外測量和數據采集造成了一定難度。

根據地質采礦資料，區內曾有多處小煤窯開采，開采方法采用巷采或房柱式開采，開采時間較長，缺乏相關記錄資料，采空區的數量及分布不明，對地面建構(筑)物存在著安全隱患，故對項目區進行采空區探測，查明其分布情況，為地表的安全施工提供必要的物探依據。

此次主要探查區內煤層和淺部錳鐵礦采空區，巖性主要為砂巖、泥巖以及頁巖。綜合場地工作條件、地質資料及圍巖的電性特征等，選擇EH4大地電磁探測法對采空區進行探測。

3 工作方法

3.1 測線布置

根據現場條件布置測點，測點的實地布設以手持GPS定位，定向電偶極方向，用測繩測量電偶極距，并進行地形改正，磁棒離前置放大器至少5 m，兩個磁棒水平放置并用泥土覆蓋，消除風、人等干擾因素，Hx、Hy兩磁棒相互垂直，誤差控制在±1°以內，兩磁棒間距離至少2 m，所有的工作人員離開磁棒至少5 m。

根據探測目的、探測條件和地形、地物等因素，選擇電極距為20 m，測點距為10 m。電極布置方式采用“+”字型，能較好的克服表層電流場不均勻的影響。對于干擾比較嚴重的測量點，通過數據機外再處理，對各種噪聲進行剔除，得到了較好的探測效果[6-9]。測線布置圖如圖1所示。

圖1 測線布置示意圖

3.2 數據采集

為確保獲得高質量的原始數據，各測點均根據電磁場有效信號的強弱進行最佳增益設置；時刻對各測點的數據采集情況進行監測和檢查，以保證整個勘測系統處于良好的工作狀態；監視和檢查各測點數據快速分析結果，采用多次疊加的方法對測量點進行數據采集，提高信噪比，并對認為可疑的測點數據進行電偶極檢查并重新采集，進行對比驗證。EH4系統在數據采集過程中是完全自動化(不可控)、可視化的，故不存在人為誤差因素[10]。

4 采空區探測資料解釋依據

第四系厚度和勘探目標深度較小，地下煤系地層巖性主要為泥巖、砂巖、頁巖，采空區與圍巖電阻率的差異是EH4大地電磁技術對本區域進行采空區探測的重要依據。

根據影響電阻率的因素，采空區的電阻率變化主要有三種形式：(1)低阻形式，采空區內充水，其電阻率明顯降低，在視電阻率剖面圖中出現封閉的低阻圈；(2)中阻形式(相對低阻)，即采空區局部弱含水或部分充填了泥質等導電性較好的介質，其視電阻率有所降低，在視電阻率剖面圖中也出現一些相對低阻的封閉圈；(3)高阻形式，即采空區無充水，也未充填泥質等導電性好的介質，則其視電阻率將明顯增大，在視電阻率剖面圖中出現相對高阻的封閉圈。

5 成果解釋

圖2所示為L1測線EH4測深電阻率二維反演斷面圖，視電阻率變化范圍1.34～162.19 Ω·m，從圖上可以看出，沿測線方向+30 m附近從淺部往深部，發育一向東傾斜(大號點方向)串珠狀低阻異常帶，異常帶兩側高低阻分布出現明顯的位移，推測該串珠狀低阻異常帶為一斷裂構造引起。在+40 m～+60 m段，在推測的斷裂構造部位剖面電阻率呈局部低阻異常，該部位異常應與構造中充填泥質或少量積水有關。

圖2 L1測線EH4測深電阻率二維反演斷面圖

圖3所示為L2測線EH4測深電阻率二維反演斷面圖，電阻率變化范圍6.35～376.59 Ω·m，從圖上可以看出，沿測線方向+5 m附近從淺部往深部，發育一向東傾斜(大號點方向)串珠狀條帶狀低阻異常帶，異常帶兩側高低阻分布出現明顯的位移，推測該串珠狀低阻異常帶為一斷裂構造引起。

圖3 L2測線EH4測深電阻率二維反演斷面圖

在高程+875 m附近，橫向式電阻率變化范圍在50～375 Ω·m，該斷面在沿測線方向的+50 m～+60 m段電阻率呈高阻異常，且電阻率等值線明顯扭曲，推斷為采空區，采空區表現為空洞形式，采空區電阻率與圍巖電阻率相差較大，推斷采空區未垮塌。

在高程+790 m處，橫向式電阻率變化范圍在80～200 Ω·m，電阻率等值線出現了由低阻向高阻的變化，該斷面在沿測線方向的0 m～+15 m段電阻率呈相對高阻異常，且煤層頂板電阻率等值線明顯扭曲，推斷為采空區，且未垮塌。

經過對L1測線和L2測線的EH4測深電阻率二維反演斷面圖的數據解釋，并結合地質資料，解釋了一條斷層，在L2測線解釋了兩處采空區，規模較小，呈現明顯巷采特點，且開采時間較長，地表變形已經基本穩定，煤層采空區產生突然沉陷的可能性較小。錳鐵礦采空區的埋深較淺，如垮塌影響范圍較小，但應避免在其正上方進行施工。如在斷裂構造上施工，應采取一定的安全技術措施，建議地表設置移動觀測點，定期對其移動與變形進行觀測，及時分析、總結觀測資料，確保地面建(構)筑物的安全與穩定。

6 結 論

根據采空區以及淺部地層斷裂構造與圍巖的電性差異，應用EH4大地電磁探測技術對其進行探測，并獲得了分辨率較高的電阻率二維反演斷面圖和可靠的地質解釋成果，探測結果均得到驗證，該技術具有分辨率高、儀器設備輕便、采集數據速度快等優點，已成為采空區及淺部地層斷裂構造探測的有效技術手段。