音頻大地電磁法和瞬變電磁法在煤窯采空區中的對比應用

摘要：隨著我國高鐵建設日益推廣，在設計線路上不可避免會有采空區的存在。采空區的存在嚴重影響線路工程，對工程建設和運營可能會造成較大安全隱患。為查明煤礦采空區地下分布情況，本文采用音頻大地電磁法和瞬變電磁法兩種物探方法，對比鉆探、測井等方法，通過綜合對比分析，取得了很好的效果，為后期線路選址避害提供了基礎參數，對線路安全具有重要意義。

關鍵詞：高鐵；采空區；音頻大地電磁；瞬變電磁

引言

廣湛線東接廣州樞紐，西連湛江樞紐，通過合湛、湛海鐵路可達北部灣、海南島等地區，正線全長400km，速度350km/h。該線填補了粵西地區沒有無砟軌道高速鐵路的空白。近年來隨著物探技術的快速發展，針對煤窯采空區的勘查方法也越來越多樣化，在以往的采空區勘查工作中，主要采用有瞬變電磁法、可控源音頻大地電磁法、高密度電阻率法以及地震勘探等多種方法，均取得了不錯的效果。

受探測深度限制，本文只針對該工區煤窯采空區采用音頻大地電磁方法（AMT）和瞬變電磁方法（TEM）兩種方法進行分析。探測作業中，AMT設備輕便、成本低、還具有不受高阻層屏蔽和對低阻層有較高分辨力的優點，因此在采空區勘探中可以發揮很好的作用。TEM設備則具備成本低、體積效應小、橫向分辨率高、與探測目標體耦合性最佳等顯著特點。

1.方法原理

1.1音頻大地電磁（AMT）

AMT法以天然交變電磁場為場源，當交變電磁場以波的形式在地下介質中傳播時，由于電磁感應作用，地面電磁場的觀測值將包含有地下介質電阻率分布的信息，通過分析電阻率的差異來劃分地層巖性及地質構造，并根據電阻率值的大小以及展布形態來判釋地下地質體空間分布。

1.2瞬變電磁法（TEM）

瞬變電磁法（TEM）是利用不接地回線或接地線源向地下發射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間，通過線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法。瞬變電磁法的基本原理就是電磁感應定律。衰減過程一般分為早、中和晚期。早期的電磁場相當于頻率域中的高頻成分，衰減快，趨膚深度?。欢砥陔姶艌鰟t相當于頻率域中的低頻成分，衰減慢，趨膚深度大。通過測量斷電后各個時間段的二次場隨時間變化規律，經過轉換可得到不同深度的地下巖層電性特征。

2.應用實例

2.1工區概況

松柏采空區位于佛山市高明區西北，該段線路涉及的工程有松柏坑特大橋及橋臺大里程方向路基等。工區地處華南華夏系構造帶之南段，構造體系錯綜復合，以南北向隱伏構造體系為主。工區上覆第四系沖洪積、坡殘積土層，下伏基巖為二迭系陽新統灰巖、砂巖泥質粉砂巖夾硅質巖；上三疊系下煤組（T1a3）石英砂巖夾粉砂巖、上煤組（T2a3）灰巖質礫巖和石英砂巖夾泥質粉砂巖，其中煤層位于上煤組上段；侏羅系砂質礫巖、粉砂巖、泥巖、淺灰色石灰巖。地表斷裂特征不明顯。

2.2工區地球物理特征

地下煤層被采出后，在地下會形成一個有一定規模的空間，采空區頂板在上覆巖層壓力的作用下，發生變形、斷裂位移、冒落。由于各自的地質條件不同，采空區被空氣、地下水、泥砂等介質所充填，與圍巖相比，都存在明顯的物性差異，這是各種物探方法探測的地球物理前提條件。工區地表水豐富，煤層被采空以后，地表水地下水順裂隙裂縫等充填采空塌陷區造成采空區相應地層的電性與圍巖電性不同。根據經驗統計和工區地球物理反演結果分析，得出采空區與各類巖體的反演電阻率值，見表1。

2.3兩種方法效果對比

沿垂直線路方向布設11條測線（圖1），平行線路方向布設3條測線，為了對比兩種方法探測效果，在WT-9、WT-9-2測線和2測線分別做了音頻大地電磁和瞬變電磁兩種方法，測線WT-9和WT-9-2均長為700m，測點點距為瞬變電磁10m，音頻大地電磁20m，音頻大地電磁采用EM3D型儀器，瞬變電磁采用HTPEM-08型瞬變電磁儀。

圖2-a為測線WT-9瞬變電磁解譯成果。分析圖件可知整體呈現隨深度加深電阻率增高趨勢，對應淺層第四系覆蓋層與深部三疊系地層高阻的地質規律。由于煤層較薄，整體上難以完整呈現，但由于采空坍塌，加之底層裂縫降雨影響，在采空區域會形成一個低阻異常帶，對比已知煤窯巷道信息和鉆孔信息，可知在測線里程480m附近、深度約40m位置，測線里程66m附近、深度35m和深度60m位置為采空異常。

圖2-b為測線WT-9音頻大地電磁解譯成果。由于大地電磁高頻信號受人為干擾影響，地表信號橫向上呈現不均勻變化，但在測線里程660m附近、深度50m左右位置同樣有低阻采空異常，與已知的采空巷道位置較為對應，但在縱向上分辨率不夠。

圖3-a為測線WT-9-2瞬變電磁解譯成果。同樣知整體呈現隨深度加深而電阻率增高趨勢，符合淺層覆蓋層與深部三疊系地層高阻的地質規律。在測線里程600m附近、深度80m左右和測線里程670m附近、深度60m左右有低阻異常帶對應已知的煤窯巷道。

圖3-b為測線WT-9音頻大地電磁解譯成果。在測線里程660m附近、深度70m左右位置同樣有低阻采空異常，與已知的采空巷道位置較為對應，但在縱向上分辨率不夠。

同時在測線地表位置370m和500m附近偏向大里程方向均對應為斷層破碎帶，瞬變電磁和音頻大地電磁成果均有低阻異常對應，說明兩種方法對斷層破碎帶也有較好的反應。

3.結論

通過對比分析可以得出，音頻大地電磁法和瞬變電磁方法在煤窯采空區的探測中均有效果，探測所得電阻率低阻異常帶與煤窯采空較為吻合；同時兩種方法對斷層構造帶的探測也有較好效果。不同的是音頻大地電磁探測深度深，但在淺地表的分辨率不夠，抗干擾能力較弱，易受地表高壓電線、信號塔等影響，對淺層較薄的多層煤層礦道難以區分，對深部信息反應更好；瞬變電磁探測深度較淺，但在淺地表細劃分上有更好的效果。

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