大定源瞬变电磁法在铁路采空区勘察中的应用

赵广茂 周学明

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

1 概述

采空区对于铁路建设及运营危害极大，尤其是中深部大型采空区，必须在铁路勘察阶段将采空区的埋深和边界准确查明，才能保证铁路的建设及运营安全。

中深部大型采空区的形成往往发生在大型及特大型的煤矿，机械化程度较高，采掘率在85%以上，开采面积大，采空区在重力和地层应力作用下，顶板塌落，形成冒落带、裂隙带和弯曲带等，使得采空区被上层塌落的松散物充填而地球物理特征发生变化，往往采空区内部充水，采空区会表现为低电阻率［1，2］。另一方面煤层下伏地层为灰岩，采空区与下伏灰岩相比，电阻率差异较大［3］。基于电阻率的差异可以采用电阻率方法进行采空区探测，在电阻率方法中以大定源瞬变电磁法最优。瞬变电磁法具有对低阻体反映明显、高密度时序采样、分辨率较高、发射源及接收点采用不接地回线、不受地表接地条件限制等优点。瞬变电磁法在上世纪30年代由前苏联科学家提出［1，4］，到 50～60年代才开始进入实用阶段;在国内，从70年代开始研究瞬变电磁法，但主要应用于金属矿床探测，近年来逐渐用于煤田陷落柱的探测［5-9］。

2 大定源瞬变电磁法原理

瞬变电磁法(TEM)属于时间域人工源电磁方法，是以大地中岩(矿)石的导电性和导磁性为物性前提，根据电磁感应原理观测，研究电磁场空间和时间分布规律，以寻找地下异常体或解决相关地质问题的一种勘察方法。

瞬变电磁法测量导体内涡流的过渡过程，观测在脉冲间歇期间进行，不存在一次场源的干扰，观测参数为纯二次场，是电磁法中唯一可采用同点装置的方法。探测目标耦合最紧，获得的响应最强，因而异常更直接、探测效果更明显、原始数据的保真度更高。

3 中深部采空区勘察应用

(1)测区地质及测线布置概况

测区位于吉林省通化市二道江区，线路基本位于浑江河谷阶地区，沿浑江蜿蜒延伸，地势中间低，两侧高，向西南方向缓倾，见图1。主要出露地层为第四系、白垩系、二叠系铁厂统、石炭二叠系大岗统、石炭系中统本溪组、奥陶系、寒武系、长城系等。

本工区含煤地层为古生代石炭－二叠系大岗统煤系、石炭系中统本溪组含煤层，埋深约200 m。古生代石炭－二叠系大岗统煤系一般厚10～68 m(局部变薄区仅为1～10 m)，主要由页岩，砂岩，灰岩等组成，一般含煤层3层，局部未发育煤层，一般不可采。石炭系中统本溪组含煤层一般厚20～90 m，主要有页岩，砂岩，灰岩等组成，含煤层2层，均为局部可采。

图1 线路及工区位置

根据铁路线位及煤矿位置，在煤矿与铁路线之间与线路平行布置瞬变电磁法测线3条，以圈定采空区位置及埋深，从而判断线路是否安全，布置见图2，图2中粉色线为瞬变电磁测线，红色粗线为铁路线位。

图2 测线布置

(2)探测方法参数

瞬变电磁法采用大定源回线装置，采集仪器为加拿大Geonics公司Protem系列瞬变电磁仪，如图3所示，发射回线边长一般取勘探深度的1～1.5倍，该区域勘探深度约为200～300 m，所以发射线框选择300 m×300 m进行观测。在中心位置1/2范围内观测，点距10 m，线距50 m，发射频率25 Hz，电流10 A，关断时间160μs。

图3 瞬变电磁数据采集设备(发射机、接收机)

图4 TE－150测线瞬变电磁反演结果

图5 煤层出露点现场照片

(3)勘探成果

如图4可以看到浅层100 m范围内为河滩卵石以及第四系覆盖层反映，下伏基岩起伏较大，基岩顶界面深度在200 m左右。

在测线650号点现场有开挖地基，有煤层出露，见图5，在瞬变电磁反演结果图中煤层对应显示为低电阻率，因此，图4中下部低电阻部分应为煤层反映，在175～275号点之间低电阻率部分下降，与两侧具有高差，深度为150～200 m，厚度约50 m，且下部为较高电阻率反映，岩性应为灰岩，与煤系地层的形成规律相符，同时与调查深度及厚度一致，由此综合判断175～275号点150～200 m深度范围内为采空区段落，且从相邻两条测线的结果(见图6和图7)，可以得知该采空区为南北走向，从而判断出铁路线下可能存在采空的位置(如图8所示)，可以有针对性的布置钻探或其他手段去验证铁路线下是否存在采空区。

图6 TE－200测线瞬变电磁反演结果

图7 TE－100测线瞬变电磁反演结果

另外在650号点下部出现一局部高阻区域，同时北侧为废弃的斜井，该位置有可能是空气洞穴，随着测线的逐渐向南移动，高阻区域逐渐缩小，说明该空洞在北边大、南边小，采煤系从北向南。

图8 勘察成果平面

4 结论

(1)在铁路中深部采空区探测中，利用大定源瞬变电磁法可圈定采空区的位置、埋深、走向，为铁路线位安全提供有效勘察资料。

(2)对于空气洞穴，大定源瞬变电磁法具有一定的探测效果，所以在实际勘察过程中不能只关注低阻洞穴，同时要多测线综合考虑高阻异常是否为空洞。

［1］薛国强．回线源瞬变电磁法对地成像方法研究［D］．西安:西安交通大学，2005

［2］李貅．瞬变电磁虚拟波场的三维曲面延拓成像研究［D］．西安:西安交通大学，2005

［3］李成友，刘洪福．多层采空区调查中瞬变电磁法的应用［J］．物探与化探，2007，31(增刊):108-110

［4］牛之琏．脉冲瞬变电磁法及应用［M］．长沙:中南工业大学出版社，1986

［5］苗晓岐．瞬变电磁法在包西铁路小煤窑采空区勘察中的应用［J］．铁道勘察，2011(4):40-42

［6］张晓勇．某小煤窑采空区地球物理勘探技术应用［J］．铁道勘察，2011(4):61-64

［7］刘黎东，李志华，郝明．同精度重磁技术在铁矿采空区勘察中的应用研究［J］．铁道工程学报，2010(10):8-10

［8］杨宏智，吕小红，王丽．瞬变电磁法在老煤矿采空区勘察中的应用［J］．中国地球物理，2011:774-775

［9］郭崇光，田卫东．瞬变电磁法在山西采空区探测中的应用［J］．山西煤炭，2003(13):25