瞬變電磁法在沁裕煤礦工業性試驗研究

胡海波

（山西蘭花沁裕煤礦有限公司，山西晉城048212）

2000年以來，山西煤炭行業共進行過兩次資源大整合，煤礦數量由原先的近3萬座縮減到目前的1000余座[1]。在這些資源整合礦井中，普遍存在老空區資料缺失嚴重、井田邊界劃分不清、采空區積水量統計有誤等情況，物探工作面臨巨大挑戰，地質勘探工作進度十分緩慢[2]。

同時，煤礦突水事故近年來屢屢發生，給企業安全生產造成了嚴重隱患，成為制約我國煤炭行業健康發展的關鍵因素。對煤礦采空區進行地面物探工作是防范煤礦采空區災害特別是老采空區水害的有效技術。瞬變電磁法作為近年來發展迅速的一種物探方法，其在煤炭資源勘查、水害防治勘查等領域應用廣泛，對于礦井水害事故的防治工作發揮了關鍵作用[3]。近年來，我國許多專家和學者在煤礦采空區地面物探理論及現場應用研究方面開展了卓有成效的工作。

1 礦井概況

山西蘭花沁裕煤礦有限公司（以下簡稱沁裕煤礦）井田位于山西省晉城市沁水縣內，井田面積為10.56km2，井田呈不規則多邊形，東西最長約7.0km，南北最寬2.5km，生產規模90×104t/a。

由于沁裕煤礦現屬基建礦井，為了提高全省資源整合礦井的水文地質勘探程度，有效地保證煤礦的生產和安全的需要，計劃對井田內未來五年計劃開采范圍內（首采區）的煤層采空區積水做系統調查。

2 瞬變電磁法的工業性試驗

2.1 試驗目的與原則

根據瞬變電磁法規范，以及勘探設計方案的要求，為了提高本次沁裕煤礦地質勘探工作的準確性，將在展開野外數據采集工作之前安排工業性試驗。工業性試驗主要目的在于了解勘查區域的地質狀況、施工條件、干擾因素以及煤層采空區的地理特征等。通過本次工業性試驗，可以為勘探工作中儀器設備的選擇、參數的設定提高具有實際意義的參考價值。整個工業性試驗選在勘查區內已知采空積水區進行，遵循由已知到未知、由簡單到復雜的原則進行。

2.2 試驗內容

根據沁裕煤礦首采區的地質資料及瞬變電磁法的要求，工業性試驗工作共包括儀器參數的試驗和干擾水平調查兩大內容。其中，采用IGGETEM-30B型瞬變電磁儀，儀器參數的試驗以單點試驗為主，包括發射邊框、發射電流、發射時基、關斷時間、延遲時間、疊加次數等；干擾水平調查是指通過調查勘查區的地電干擾情況，確定提高信噪比、壓制干擾的措施。

3 試驗工作及結果分析

根據沁裕煤礦首采區地表條件及已知資料，試驗點選在勘查區內的980線880點。

3.1 儀器穩定性試驗

為測試試驗儀器的穩定性，本文將對同一測點使用相同的儀器，并設置相同參數進行測定，最終通過公式（1），計算多組采樣數據的相對均方誤差對儀器的穩定性M j進行分析。

式中：V j(t i)——儀器在第j點第i測道原始觀測數據；

V j′(t i)——儀器在第j點第i測道復測數據；

?j(t i)——V j(t i)與V j′(t i)的平均值；

n——參加統計計算的測道數。

如圖1所示為瞬變電磁儀在試驗點進行儀器穩定性試驗的感應電壓對比曲線圖。從圖中可以看出，試驗點共完成2個，原測與復測的單支曲線基本一致，通過計算得出該試驗點的采樣數據平均相對均方誤差為1.34%，儀器穩定性滿足《規范》要求。

圖1 儀器復測數據對比圖

3.2 背景場值測定

背景場值測定目的在于當不發射一次場的情況下，對背景噪音進行測定，根據經驗判斷，試驗點位置處疊加次數為1時，背景噪音電平在1nV/m2左右，峰值為30nV/m2左右，因此沁裕煤礦首采區內只需選擇合理施工參數保證探測深度達到最深目的層時有效分辨電平大于30nV/m2即可。

3.3 線圈尺寸及儀器參數的選取

根據相關資料顯示，結合沁裕煤礦所在沁水煤田的地面瞬變電磁勘探工作經驗得出，數據采集方式選采用20m×20m5匝重疊回線進行為最佳。在試驗點上對增益、疊加次數、測量延時進行試驗，試驗選擇如下參數：

增益：1、10；

疊加次數：128、256、512；

測量延遲延時：0μs、50μs、120μs；增益對比：本次試驗就增益為1、10進行了試驗，采取從最大、最小兩端開始逐漸逼近的方法。結果如圖2所示：增益為10時，衰減曲線晚期道有跳躍；增益為1時衰減曲線圓滑，因此選擇增益為1為數據采集參數。

圖2 增益衰減曲線對比圖

疊加次數的選擇：在瞬變電磁法探測中，通過增加疊加次數的方法可以有效地壓制游散的工業電流等隨機干擾，以提高采集數據的信噪比。本次試驗目的在于確定勘探范圍內背景噪聲的強度，確定壓制隨機電磁干擾的最少疊加次數。結果如圖3所示，128及256次疊加曲線欠圓滑，512次疊加可有效抑制電線的影響。

圖3 疊加256、疊加512次衰減曲線對比圖

延遲時間的選擇：在20m×20m多匝的重疊回線，發射電流5.5A、疊加次數512次、增益1的條件下，進行了采樣延遲0μs、50μs、120μs的試驗。試驗結果如圖4所示，0μs及50μs兩種延遲時早期數據存在溢出或畸變現象，因此我們決定采用120μs延遲時。

圖4 采樣延遲時0μs、50μs、120μs衰減曲線對比圖

3.4 單點反演

根據試驗點的已知資料可知，2號煤層底板標高在967m。由該點反演電阻率曲線可見，曲線類型整體為HA型曲線，2煤層附近電阻率明顯變高，由圖5可見，本次實驗采用的裝置形式電阻率反演深度在400m左右，能夠滿足本次勘探深度的要求。

圖5 980線880號點計算與反演電阻率曲線對比圖

4 結束語

從上述試驗工作分析可以得知，本次工業性試驗工作達到了試驗目的的預期效果，具體結論如下：

（1）采集電壓數值的大小與關斷、延遲時間關系密切，而與供電電流關系較小，野外采集使用IGGETEM-30B型瞬變電磁儀，較為合適的設置參數如下：增益為1；關斷時間為120μs；疊加次數為512次。

（2）工作區內的游散電流干擾不大，噪音電平在1nV/m2左右，峰值為30nV/m2；

（3）瞬變電磁法結合已知資料進行了反演，反演深度最大可達400m以上，從深度上可進一步確定煤層采空層位。

因此，從工業性試驗結果中可以看出，采用瞬變電磁法的重疊回線裝置探測采空區、采空積水異常區等地質情況較為有效，選定的采集參數滿足本次勘探要求，可以完成本次勘探任務。