億隆煤業(yè)地面瞬變電磁技術(shù)應(yīng)用

王 毅

（霍州煤電集團(tuán)技術(shù)研究院，山西 霍州 031400）

霍州煤電集團(tuán)億隆煤業(yè)地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜，受小煤窯采空破壞及采空區(qū)積水威脅，缺乏行之有效的物探手段，安全生產(chǎn)面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

地面瞬變電磁技術(shù)，相對(duì)井下瞬變電磁法有著發(fā)射功率大、探測(cè)深度深、異常區(qū)反演準(zhǔn)確及地面半空間勘探干擾因素少等優(yōu)勢(shì)。利用該技術(shù)對(duì)億隆煤業(yè)進(jìn)行地面勘探，探查小煤窯采空富水區(qū)，可解決礦井實(shí)際地質(zhì)問題。

1 地面瞬變電磁技術(shù)原理及儀器設(shè)備

1.1 瞬變電磁法簡(jiǎn)介

瞬變電磁法屬于時(shí)間域電磁感應(yīng)法，利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)送一次脈沖場(chǎng)，在一次脈沖場(chǎng)間歇期間利用回線或電偶極接收感應(yīng)二次場(chǎng)，該二次場(chǎng)是由地下良導(dǎo)地質(zhì)體受激勵(lì)引起的渦流所產(chǎn)生的非穩(wěn)電磁場(chǎng)[1-2]。由于時(shí)域方法在一次場(chǎng)不存在的情況下觀測(cè)二次場(chǎng)，主要的噪聲源不同于頻域方法，相對(duì)頻域方法來說時(shí)域方法顯示出更多的優(yōu)點(diǎn)[3-4]。

1.2 瞬變電磁勘探儀器

本次勘探采用儀器是加拿大Geonics 公司生產(chǎn)的PROTEM57 瞬變電磁系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含了PROTEM瞬變電磁儀接收機(jī)和PROTEM57發(fā)射機(jī)。

2 野外數(shù)據(jù)采集

2.1 試驗(yàn)工作及結(jié)論

工作參數(shù)及工作裝置選擇是否合理將直接影響到觀測(cè)的結(jié)果，通過理論分析和系統(tǒng)試驗(yàn)工作來選擇合理工作參數(shù)是進(jìn)行外業(yè)采集的前提[5]。

為了選取合適的工作參數(shù)，結(jié)合勘探深度、測(cè)線布置情況及精度要求，本文進(jìn)行了試驗(yàn)工作，完成試驗(yàn)點(diǎn)20 個(gè)。

通過采集參數(shù)的野外試驗(yàn)與室內(nèi)分析處理，遵照有利于對(duì)測(cè)區(qū)不同深度的地質(zhì)地電情況進(jìn)行探測(cè)的需要、有利于提高施工效率的原則[6]，本次瞬變電磁勘探主要技術(shù)參數(shù)：（1）儀器為加拿大產(chǎn)PROTEM57 瞬變電磁儀；（2）采集時(shí)間道為30 門；（3）發(fā)射頻率為2.5 Hz；（4）觀測(cè)時(shí)間為30 s，干擾嚴(yán)重地段增加觀測(cè)時(shí)間以壓制噪音；（5）發(fā)射框面積為800 m×640 m；（6）發(fā)射電流為15 A；（7）增益為21～23，保證早期道數(shù)據(jù)不溢出，盡量放大晚期數(shù)據(jù)；（8）接收線圈為專用接收探頭（有效面積200 m2）。

2.2 工程布置

本次勘探工作設(shè)計(jì)兩個(gè)測(cè)區(qū)：1#和2#（如圖1），測(cè)網(wǎng)密度為線距30 m，點(diǎn)距10 m，勘探線布設(shè)為N23°E，近似垂直于地層走向。測(cè)區(qū)均勻布設(shè)測(cè)點(diǎn)，1#測(cè)區(qū)布置8 條測(cè)線，2#測(cè)區(qū)布置12 條測(cè)線，共布置了20 條測(cè)線，具體設(shè)計(jì)測(cè)線測(cè)點(diǎn)數(shù)440 個(gè)，復(fù)查點(diǎn) 25 個(gè)，試驗(yàn)物理點(diǎn)20 個(gè)，共計(jì)設(shè)計(jì)瞬變電磁勘探物理點(diǎn)為485 個(gè)，全區(qū)有效控制面積為0.32 km2。

圖1 測(cè)區(qū)測(cè)線示意圖

2.3 工作量完成情況

本次瞬變電磁勘探實(shí)際共施工測(cè)線20 條，完成瞬變電磁坐標(biāo)點(diǎn)432 個(gè)，質(zhì)量檢查點(diǎn)30 個(gè)，試驗(yàn)點(diǎn)20 個(gè)，共計(jì)完成瞬變電磁勘探物理點(diǎn)482 個(gè)。設(shè)計(jì)與完成工作量對(duì)比情況見表1。

表1 設(shè)計(jì)與完成工作量對(duì)比情況表

減少測(cè)點(diǎn)主要在村莊附近，是由于上述地形地物阻擋無法觀測(cè)造成，增加點(diǎn)主要為相鄰框觀測(cè)之間的重復(fù)檢查點(diǎn)和部分試驗(yàn)工作。

3 數(shù)據(jù)處理及解釋

3.1 1#測(cè)區(qū)電阻率對(duì)數(shù)擬斷面圖的分析

圖2 從左到右分別是1#測(cè)區(qū)430 線、490 線和520線電阻率對(duì)數(shù)擬斷面圖。該測(cè)線位于測(cè)區(qū)東南部。圖中縱坐標(biāo)為高程，橫坐標(biāo)為測(cè)點(diǎn)號(hào)。圖中淺色～深色的過渡表示電阻率對(duì)數(shù)值由高～低的變化。

圖2 430 線、490 線和520 線電阻率對(duì)數(shù)擬斷面圖

通過對(duì)430 線、490 線和520 線三條測(cè)線的電阻率對(duì)數(shù)擬斷面圖對(duì)比得出，在縱向上200～350 m深度，在橫向上140～240 號(hào)測(cè)點(diǎn)之間，三條測(cè)線的電阻率對(duì)數(shù)等值線均出現(xiàn)較明顯的扭曲、變形，呈凹陷狀，呈現(xiàn)相對(duì)低阻異常，分析三條測(cè)線所處測(cè)區(qū)中部區(qū)域140～240 號(hào)測(cè)點(diǎn)之間、200～350 m 深度可能存在采空異常區(qū)，異常區(qū)相對(duì)富水。

3.2 2#測(cè)區(qū)電阻率對(duì)數(shù)擬斷面圖的分析

圖3 從左到右分別是2#測(cè)區(qū)430 線、460 線和490 線電阻率對(duì)數(shù)擬斷面圖。以上測(cè)線位于測(cè)區(qū)中南部。從橫向上看，3 條測(cè)線電阻率對(duì)數(shù)等值線沒有明顯的扭曲和變形，未發(fā)現(xiàn)明顯的低阻異常。

圖3 430 線、460 線和490 線電阻率對(duì)數(shù)擬斷面圖

3.3 1#測(cè)區(qū)電阻率對(duì)數(shù)擬切片圖的分析

本次勘探以查明1#煤采空區(qū)范圍及其富水性為主要地質(zhì)任務(wù)，因此結(jié)合相關(guān)測(cè)區(qū)地質(zhì)、水文資料及采空區(qū)電性特征，制作了電阻率對(duì)數(shù)順層切片圖。

通過分析各電阻率對(duì)數(shù)順層切片圖之間電阻率異常區(qū)的相互空間關(guān)系，進(jìn)而對(duì)測(cè)區(qū)可能的富水區(qū)進(jìn)行解釋推斷。

圖4 為1#測(cè)區(qū)300 m 深度電阻率對(duì)數(shù)順層切片圖，圖中-0.4～3.4 的過渡表示電阻率對(duì)數(shù)從低～高的變化。測(cè)區(qū)的低阻區(qū)主要分布于測(cè)區(qū)的中東部（低阻區(qū)使用虛線標(biāo)記），位于400～520 測(cè)線90～290測(cè)點(diǎn)區(qū)域，呈不規(guī)則橢圓狀分布，測(cè)區(qū)的北部、西部及東部電阻率相對(duì)較高。測(cè)區(qū)中東部的低阻區(qū)，推測(cè)為1#煤采空區(qū)的反映，在低阻最明顯地帶解釋為采空富水異常區(qū)。

圖4 1#測(cè)區(qū)300 m 深度電阻率對(duì)數(shù)順層切片圖

圖5 為1#測(cè)區(qū)400 m 深度電阻率對(duì)數(shù)順層切片圖，測(cè)區(qū)的低阻區(qū)主要分布于測(cè)區(qū)的中東部（低阻區(qū)使用虛線標(biāo)記），位于460～550 測(cè)線90～150、200～250 測(cè)點(diǎn)區(qū)域，呈橢圓狀分布，測(cè)區(qū)的北部、西部及東部電阻率相對(duì)較高。測(cè)區(qū)中東部的低阻區(qū)，推測(cè)為1#煤采空區(qū)的反映，在低阻最明顯地帶解釋為采空富水異常區(qū)。

圖5 1#測(cè)區(qū)400 m 深度電阻率對(duì)數(shù)順層切片圖

圖4 與圖5 相比可知，測(cè)區(qū)中東部的低阻異常區(qū)，隨著深度的增大，逐漸變小。

圖6 為1#測(cè)區(qū)480 m 深度電阻率對(duì)數(shù)順層切片圖，未發(fā)現(xiàn)明顯的低阻異常區(qū)，測(cè)區(qū)中東部的電阻率相對(duì)較高。

圖6 1#測(cè)區(qū)480 m 深度電阻率對(duì)數(shù)順層切片圖

圖4、圖5 和圖6 比較可知，300 m 深度的切片圖中低阻區(qū)域（低阻區(qū)使用虛線標(biāo)記）范圍較大，400 m 深度的切片圖中低阻區(qū)域范圍減小，480 m深度的切片圖中不存在低阻區(qū)域。隨著深度的增加，測(cè)區(qū)中東部的低阻異常區(qū)逐漸變小，直至消失。

3.4 2#測(cè)區(qū)電阻率對(duì)數(shù)擬切片圖的分析

2#測(cè)區(qū)300 m 深度電阻率對(duì)數(shù)順層切片圖中，測(cè)區(qū)的低阻區(qū)主要分布于測(cè)區(qū)的中部，520 測(cè)線80～100 測(cè)點(diǎn)處，并呈橢圓狀分布，測(cè)區(qū)的北部和西部電阻率相對(duì)較高。測(cè)區(qū)中部的低阻區(qū)，推測(cè)為1#煤采空區(qū)的反映，在低阻最明顯地帶解釋為采空富水異常區(qū)。

2#測(cè)區(qū)400 m 深度電阻率對(duì)數(shù)順層切片圖中，測(cè)區(qū)的低阻區(qū)主要分布于測(cè)區(qū)的中部，520 測(cè)線80～100 測(cè)點(diǎn)處，并呈橢圓狀分布，測(cè)區(qū)的北部和西部電阻率相對(duì)較高。與300 m 深度電阻率對(duì)數(shù)順層切片圖相比，異常區(qū)的位置和大小均沒有明顯變化，所以異常區(qū)推測(cè)為1#煤采空區(qū)的反映，在低阻最明顯地帶解釋為采空富水異常區(qū)，也不排除該低阻區(qū)域受干擾影響所致。

4 勘探成果

根據(jù)測(cè)區(qū)電阻率對(duì)數(shù)順層切片圖及各測(cè)線電阻率對(duì)數(shù)斷面圖，并對(duì)比原始記錄，剔除部分受影響區(qū)域，繪制出1#煤層采空區(qū)分布圖如圖7。結(jié)合地質(zhì)資料，采空區(qū)主要集中在測(cè)區(qū)中南部及中東部，圖中粗實(shí)線圈定部分為采空區(qū)位置，編號(hào)為A1 和A2。描述如下：

圖7 1#煤采空區(qū)分布平面圖

A1 號(hào)采空區(qū)位于2#測(cè)區(qū)的中南部，這處采空區(qū)規(guī)模較小，呈橢圓狀分布。該區(qū)域在電阻率對(duì)數(shù)順層切片圖上呈現(xiàn)低阻異常，在測(cè)線電阻率對(duì)數(shù)擬斷面圖上未呈現(xiàn)異常。該異常區(qū)推測(cè)為1#煤采空區(qū)的反映，在低阻最明顯地帶解釋為采空富水異常區(qū)，也不排除該低阻區(qū)域受干擾影響所致。

A2 號(hào)采空區(qū)位于1#測(cè)區(qū)的中東部，面積較大，呈不規(guī)則橢圓狀分布。該區(qū)域在電阻率對(duì)數(shù)擬斷面圖及順層切片圖上呈現(xiàn)低阻異常，異常十分明顯，推測(cè)該異常區(qū)為1#煤采空區(qū)的反映，在低阻最明顯地帶解釋為采空富水異常區(qū)。