大定源回線電磁物探技術在采空區的應用

秦江平

（山西澤泰安全技術咨詢有限公司，山西 太原 030024）

查清采空區的地質情況對于保障礦井安全生產有著重要的意義。瞬變電磁物探對煤礦井下采空區的探查有著成熟的應用實例[1-2]。其中最常見的大定源回線瞬變電磁物探技術因其具有藕合度高、異常波動明顯、發射回線鋪設方便、物探準確率高的優點，普遍作為工程勘探、地質探測等勘探任務的首選[3-4]。然而大定源回線的信號傳遞具有復雜性，技術人員對所采集的數據處理方式和解釋并不相同，普遍僅對“晚期”電阻率進行解釋，很大程度上限值了電磁物探的準確性。寶欣煤礦位于溝谷較多的太岳山系霍山東部，地形起伏較大，條件復雜[5]。由于目前礦井采掘現狀發生了較大改變，為保證礦井安全，將重點查明礦區內2#、3#煤層存在的采空區及積水情況，并分析其含水層的水域特點。

1 大定源回線瞬變電磁法工作原理及裝置

1.1 大定源回線變電磁法探測原理

大定源回線是地面瞬變電磁物探的一種常見采空區物探技術，通過對回線電圈頻率域內的電磁響應進行計算，并將函數結果與采集數據的垂直分量進行擬合，從而確定準確的電磁感應。寶欣礦地面具有面積大、勘探深的特點，因此選用大定源回線形式進行施測。

1.2 大定源回線施工工藝

針對寶欣煤礦本次的探測任務和地電的連接條件，選擇大定源回線裝置。如圖1所示，在布線時，將發射回線鋪設成定長的方形線框，該范圍組成探測的發射范圍；再將發射范圍進行九宮格等分，接收探頭放置于方形框的中心位置。中心處的接收裝置包括接收探頭及接收機，本次勘探接收范圍為線框中心九分之一面積。

圖1 數據采集接收范圍示意圖

1.3 施工設備

如圖2所示，V-8多功能電法儀是由加拿大鳳凰公司研發生產，所配備的V-8專配的線圈，接收面積相當于10000m2。本次進行探測的新款V-8 在輕便堅固前提下，配備了觸摸式防水ASCII 鍵盤和高清屏幕，并支持采集系統和GPS 同步（誤差不超過0.2μs），方便操作員進行數據的收集與處理。設備具有3 個磁道和7 個電道，為探測設備的下一步連接提供了充足的端口。

圖2 V-8多功能電法儀

2 采集數據的處理

在保證探測數據收集完善、信息準確的基礎上，需要結合勘探區的地形地質特點，建立針對性的數據處理流程和信息解釋原則。

2.1 數據處理方法

由于物探范圍較廣，為保證數據的客觀性將采用人機對話的方式對所收集的數據進行篩選。實測過程中要保證重點測道的穩定性，對重點測道所收集的數據需在去掉極值后再進行圓滑處理。與礦井已知物探結果進行對比分析可知，高斯低通濾波與移動平均相結合的處理方式具有良好的抗干擾性和信號強化作用。因此當所收集的數據信號較弱時，需使用高斯低通濾波、距離加權濾波對信號過濾后再進行加強。

2.2 信息解釋原則

在數據處理完成后，需要對數據所傳達的信息根據以下原則進行解讀：由已知推斷未知、由點線計算面積、從簡單到復雜、從局部到全局。整理完成數據后，對勘探區內可能存在的異常區進行復查校驗，并根據地質資料分析異常區域的合理性和規律性。最后繪制成視電阻率斷面圖和平面圖，再結合礦井地質資料成果確定采空區、斷層、陷落柱、富水區的數量、范圍和分布規律。

2.3 電阻率示意圖解讀原則

根據視電阻率高低可以確定采空區的位置、深度、范圍及積水量，未充水的采空區在瞬變電磁剖面上顯示出相對較高視電阻率；而充水采空區則表現為相對較低視電阻率。在TEM 擬斷面圖上，電阻率值的變化隨與地層受采空區影響的大小有關，當受地質構造影響較小時，視電阻率值變化趨勢較為穩定，通常等值線呈層狀分布；反之當地層受采空區影響較大時視電阻率則出現較強的波動。根據山西煤田地質的普遍規律，寶欣礦區采空區電性上應為低阻表現。

3 測區視電阻率斷面圖的分析

本次重點觀測的測區分為北翼二區和北翼一區兩部分，在測區視電阻率斷面圖中，Y坐標軸表示高程，X坐標軸表示測點，斷面圖黑色實線為地表的K8砂巖及2#、3#煤層底板等高線。

3.1 北翼一區探測概況

圖3（a）是位于北翼一區中部的TEM60線視電阻率斷面圖。從縱向上看，從淺到深其擬視電阻率整體基本呈現由低—中—較高—高的電性特征。從橫向上看，780～980m、1600～2280m 位置K8砂巖及2#、3#煤層附近擬視電阻率呈現明顯的下凹趨勢，并出現扭曲、變形，且阻值較周圍明顯較低，由已有地質資料及礦方井下調查和探水成果推斷，780～980m異常區域是K8砂巖富含水所致、1600～2280m異常區域是煤層采空所致。

圖3 北翼一區視電阻率斷面圖

圖3 （b）是位于北翼一區中部的TEM84 線視電阻率斷面圖。從縱向上看，從淺到深其擬視電阻率整體基本呈現由低—中—較高—高的電性特征。從橫向上看，K8砂巖及2#、3#煤層附近擬視電阻率分布較均勻，等值線均呈層狀均勻體反映，擬視電阻率沒有明顯的下凹趨勢，未發現明顯的異常區。

3.2 北翼二區探測概況

圖4（a）所示為位于北翼二區南部的TEM5 線視電阻率斷面圖。從縱向上看，從淺到深其擬視電阻率整體基本呈現由低—中—較高高的電性特征。從橫向上看，540～680m 位置K8砂巖及2#、3#煤層附近擬視電阻率呈現明顯的下凹趨勢，并出現扭曲、變形，且阻值較周圍明顯較低，由已有地質資料及礦方井下調查和探水成果推斷是煤層采空所致。

圖4 北翼二區視電阻率斷面圖

圖4（b）為位于北翼二區中部的TEM13 線視電阻率斷面圖。從縱向上看，從淺到深其擬視電阻率整體基本呈現由低—中—較高—高的電性特征。從橫向上看，100～550m、700～980m 位置K8砂巖及2#、3#煤層附近擬視電阻率呈現明顯的下凹趨勢，并出現扭曲、變形，且阻值較周圍明顯較低，由已有地質資料及礦方井下調查和探水成果推斷是煤層采空所致。

3.3 結果分析

本次資料處理與分析，對比已知地質資料，綜合利用線試驗電性參數結合數理統計法確定異常劃分依據。圖5 是本次勘探區K8砂巖及2#、3#煤層順層視電阻率等值線平面圖。在測區中共發現7處明顯低阻異常區域。根據已有地質資料及礦方井下調查和探水成果，YC1、YC3、YC6、YC7 范圍內及周邊均存在采空區，推斷為采空區引起的低阻異常；YC2、YC4、YC5未進行采動，推斷為K8砂巖含水層富（含）水引起的低阻異常。

圖5 勘查區域內視電阻率平面圖

4 結束語

本文通過使用大定源回線瞬變電磁物探對寶欣礦的采空區進行了物探勘測，取得了以下勘探結果：

（1）2#、3#煤層共有采空區4 處，分別位于北翼一區的中部和西部、北翼二區中北部分。

（2）2#、3#煤層共有采空積水區2 處，分別位于北翼二采區東南部和北翼一區中西部。

由此可見，大定源回線物探技術對于大范圍的勘測有著良好的應用效果，對低阻異常反映明顯，大大提高了勘查的準確率，為保障煤礦的安全生產提供了一定的借鑒意義。