瞬變電磁法在川東某隧道交通采空區勘查中的應用

劉洋 李易 聶立

（四川中成煤田物探工程院有限公司，四川成都 610000）

0.引言

煤礦采空區對鐵路隧道的施工安全、后期運營存在巨大的安全隱患及危害，查明采空區的施工范圍、規模以及與隧道線路的交匯情況顯得尤為重要；瞬變電磁法是目前工程勘察過程中針對采空區調查應用較廣的物探方法之一。

1.區域地質概況及地球物理特征

工作區出露地層由老到新依次有：三疊系中統雷口坡組（T21）、三疊系上統須家河組（T3xj），侏羅系下統珍珠沖組（J1zh）、中下統自流井組(J1-2z)、第四系（Q4）。工區出露主要地層有第四系，雷口坡組、珍珠沖組、自流井組、須家河組。本次物性工作對工區進行了有針對性的巖樣采集及測試工作，分別在不同地層不同巖性進行對稱四極法物性測試，巖性主要以砂巖、泥巖、白云巖為主。通過測試可知，工區內砂巖電阻率值為280～810Ω?m，常見值為320Ω?m，泥巖電阻率值為88～339Ω?m，常見值為150Ω?m，白云巖電阻率值為1208～3524Ω?m，常見值為1600Ω?m。

2.瞬變電磁法的原理及野外工作方法

2.1 瞬變電磁法原理

瞬變電磁法（簡稱TEM，也稱TDEM）是一種重要的電法勘探分支方法。TEM利用接地導線或不接地回線向地下發送一次脈沖電磁場，在一次場斷電后，通過觀測及研究二次渦流場隨時間的變化規律來探測介質的電性（見圖1）。采用“煙圈理論”，形象化地描述了瞬變電磁測深的原理：瞬變響應可近似地用向地下擴散的電流環來等效，這些電流環好象是發射回線吹出的“煙圈”，其形狀與發射回線相同，隨著延時的增加而向外、向下擴散[1-2]。根據這個原理，可把地表測得的隨時間變化的瞬變響應轉化為電阻率隨深度變化的函數曲線，從而實現瞬變電磁測深。對于均勻半空間條件下，可得到中心回線瞬變響應的解析表達式：

圖1 TEM工作原理示意圖

由于二次場隨時間的推移向地下深部擴散，衰減曲線也即相應反應了大地電阻率隨深度變化的特征，通過反演解釋即可得到大地電阻率隨深度的變化曲線[3]。TEM為人工源時間域電磁測深，有穿透高阻層能力強及人工源方法受干擾影響小等優點外，它還具有以下優點[4]：

（1）斷電后觀測純二次場，可以進行近區觀測，電性分辨能力較強；（2）可用大功率發射方法增強二次場，提高信噪比，從而增加勘探深度；（3）通過多次脈沖激發，場的重復疊加和空間域擬地震的多次覆蓋技術應用，提高信噪比和觀測精度；（4）可通過選擇不同的時間窗口進行觀測，有效地壓制地質噪聲，可獲得不同勘探深度。

2.2 工作方法

本次勘查工作使用的儀器為美國Zonge公司生產的GDP-32多功能電法儀；布設TEM測線22條（如圖2所示），點距10m，發射線框400m×400m；T1-T15線為原2號通道控制范圍，共2條隧道線路方案；T16-T22線為更改后的2號通道控制范圍。

圖2 TEM測線布設示意圖

3.TEM數據處理流程及成果

3.1 TEM數據處理流程

TEM觀測的數據是按時間衰減的電壓曲線，為時間域的電壓數據，必須通過反演才能得到深度域電阻率數據，即得到大地電阻率的分布，從而推斷解釋相關的地質問題。此外，由于TEM觀測資料受觀測裝置、噪音的等多種因素的影響，因此必須進行相應的濾波去噪、校正等處理。TEM資料處理流程如圖3所示。

圖3 TEM資料處理流程圖

3.2 解釋成果

T6線反演剖面下伏須家河組五段煤層位置在剖面中段視電阻率等值線較為凌亂，并有圈閉異常，圈定出2處異常（見圖4），異常編號為s1、s2,里程約270m～300m、320m～390m，標高約220m～260m、230m～270m；T7線反演剖面圈定出2處異常（見圖5），異常編號為s3、s4,里程約250m～290m、320m～400m，標高約200m～250m、230m～280m；T8線反演剖面圈定出1處異常（見圖6），異常編號為s5,里程約170m～260m，標高約200m～300m結合已知資料，推測為一碗水風井巷道電性異常。

圖4 T6測線物探成果斷面圖

圖5 T7測線物探成果斷面圖

圖6 T8測線物探成果斷面圖

4.結論

（1）瞬變電磁法在本次勘察中，整體TEM視電阻率反演剖面電性特征較一致、與地質特征較吻合（地層產狀陡、西側自流井組泥巖、砂巖較低阻，東側為雷口坡白云巖較高阻）。（2）勘察區主采煤層為須家河一、五段，須家河組地層各組電性變化小（反演剖面等值線間距為5Ω＊m），因此，通過視電阻率高、低異常很難區分采空異常，僅能通過視電阻率等值線變化異常結合煤層位置進行圈定采空區異常；通過以上原則，在T6、T7、T8線圈定了5處（藍色圈）疑似一碗水風井巷道異常。（3）更改后的2號隧道穿過區域視電阻率等值線分布均勻，未發現明顯煤礦采空異常。