瞬变电磁法在库区煤矿采空区勘探中的应用

刘东清

（山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原 030024）

0 引言

瞬变电磁法是工程物探方法的一种，是电法发展过程中的一种重要应用。它是以电磁学的基本原理为理论基础。早期主要应用在地质找矿勘查方面，后来随着技术的不断发展，此方法在其他领域也得到广泛的应用，特别是在煤炭采空区勘查方面。山西是一个煤炭大省，在早些年的经济发展中，存在着大量的私挖乱采的现象，随之而来的就是全省各地都存在着具体位置不清楚的采空区。这些大量存在的采空区，就为后来工程建设的安全带来了极大的隐患。特别是在水利工程建设中，对大坝坝基的稳定性和库区周围的渗漏问题的影响，都是勘察施工过程中的一个难题。本文主要讨论瞬变电磁法在库区煤炭采空区勘查中的应用。

1 瞬变电磁法的基本原理

瞬变电磁法是以地下不明地质体的导电性和导磁性差异为基础，观察电磁场在地下传播和分布的规律，从而为查找和解决地下异常地质体提供可靠的方法[1]。此方法早期在地质找矿中得到应用，现在广泛应用在采空区勘察、水文地质勘察以及其他工程勘察领域。

电磁感应定律是一切电法磁法物探方法的基础理论，即通过电磁场之间的相互变化来达到探测地下地质体的目的。当主机向供电线圈以交变的电流I1供电时，就在供电线圈周围建立了频率和相位都一样的交变电磁场E1，E1称为一次电磁场。依据电磁感应定律，一次电磁场垂直向地下传播，当一次电磁场穿过某异常地质体时，就会产生二次感应电流I2，以及相应二次感应电磁场E2。最后通过分析接收到的二次电磁场的大小以及变化，来反映地下地质体的变化情况。

按照场源性质的不同，电磁法分为频率域电磁法和时间域电磁法，使用频率10-3～108Hz为场源的一般为频率域电磁法[1]。而本文所讲的瞬变电磁法则属于典型的时间域电磁法，这种方法主要使用各种形式的周期性脉冲信号作为场源。

2 瞬变电磁法的方法概述

瞬变电磁法是一种以周期性脉冲信号作为场源的电磁测深法，是时间域电磁法的一种，它是利用接地电极或不接地矩形线圈向地下发射一次脉冲电磁场，然后接收地下感应的二次电磁场[1]。

在野外工作中，首先要将主机与发射和接收线圈连接好，检查无误后向发射线圈输送一个阶跃电流，同时会在发射线圈周围产生一次交变的电场，一次交变的电场就会产生一次磁场，一次磁场如图1所示沿垂直地面的方向向地下传播，在地下介质中产生涡流。当发射线圈中突然断电后，一次场消失，但地下介质中的涡流不会立刻消失，在其逐渐衰减的过程中会产生一个二次场，同时接收线圈会接收到这个二次场的大小。

图1 瞬变电磁法原理图

在开始的时间内，一次场中高频部分占据主要地位，由于上部地层的高阻屏蔽作用，高频电磁波在上部高阻地层就容易被屏蔽吸收。所以在这个时间内，电磁场主要反映的是浅部地层的信息。

然而随着时间的增加，高频电磁场被表层介质吸收而逐渐减弱，而低频电磁波穿透性较强，继续向地下传播，就能更好地反映出深部地质体的信息情况。如果地下地质异常体为低阻时，就会产生较强的二次涡旋场，且二次场的持续时间也比较长，更有利于地表接收异常信号。

由此可以看出，通过对二次场在地下介质中传播变化情况的分析，就能达到对地下未知地层进行勘探的目的，特别是对低阻的地层或地质异常体，效果会更好。

3 采空区的地球物理特征

采空区是后天形成的一种地质构造，是煤炭或其他的埋藏在地下的矿产被开采以后留下的空洞。空洞若是在地下水位以下则可能被水充填，否则空洞被空气充填；或是空洞坍塌形成裂隙带。总之采空区会与周围地层岩体在电学性质上发生变化，简单说：即在电阻率上会发生变化。在实际的野外工作中，地下导电介质电导率的高低与二次场衰减快慢成反比的关系。当采空区位于地下水位以下并且充填地下水时，采空区内的电阻率较周围岩体要低，则二次涡流场衰减慢；当采空区内充填的为空气时，电阻率较周围岩体要高，则二次涡流场衰减快。这种区别就是我们用瞬变电磁法探测采空区的物理前提。

4 成果分析

某水库位于山西省沁源县王陶乡南坪村龙凤河下游河道上，库容400万m3，是一座以农业、工业供水为目的的小型水库。根据勘察技术要求，对坝址区及库区地下采空区情况进行物探勘察。

通过对现场的踏勘，库区内共布置9条测线，线距为20 m，点距为5 m。现对其中三条测线进行分析说明，详见图2、图3、图4。

图2 b1-b1′TEM视电阻率等值线剖面图

b1-b1′剖面：从TEM等值线图中可看出：b1-b1’剖面的TEM视电阻率等值线在横向上从距离剖面起点约0～20 m的范围打破了水平方向应有的近似水平的特征，在纵向上打破了应有的层状特征，即图中的深色部分，视电阻率等直线发生了扭曲以及圈闭状，反映为相对的高视电阻率异常，推断该高阻异常可能为煤矿采空区造成。

图3 b5-b5′TEM视电阻率等值线剖面图

b5-b5′剖面：从TEM等值线图中可看出：b5-b5′剖面的TEM视电阻率等值线在横向上从距离剖面起点约10～25 m的范围打破了水平方向应有的近似水平的特征，在纵向上打破了应有的层状特征，即图中的深色部分，视电阻率等直线发生了扭曲以及圈闭状，反映为相对的高视电阻率异常，推断该高阻异常可能为煤矿采空区造成。

b7-b7′剖面：从TEM等值线图中可看出：b7-b7′剖面的TEM视电阻率等值线在横向上从距离剖面起点约13～22 m的范围打破了水平方向应有的近似水平的特征，在纵向上打破了应有的层状特征，即图中的深色部分，视电阻率等直线发生了扭曲以及圈闭状，反映为相对的高视电阻率异常，推断该高阻异常可能为煤矿采空区造成。

图4 b7-b7′TEM视电阻率等值线剖面图

通过对7条测线的分析，我们将所有异常位置在平面图上标出，最后推断出采空区范围，具体测线布置情况与采空区的位置见图5“物探平面布置与解释图”。库区地下采空区范围为不规则几何状，经分析可能为小煤矿私挖乱采造成这种不规则采空区。

图5 物探平面布置与解释图

5 结论

瞬变电磁法作为电法勘探里面一种较新的方法，具有野外装置体积小，数据采集方法简单，工作成本低等优点。对研究和确定地下采空区，岩溶发育区，识别断层及圈定局部构造等有良好的效果。

由于高阻体的电流屏蔽效应，瞬变电磁法对低阻异常体反映较高阻异常体反映明显。在后期资料处理中，该方法在异常体的定量分析中应用效果很好，但在定性分析中即在异常体的深度分析上分辨率误差较大，需要现场的地质钻孔资料对数据进行标定处理。参考文献：

［1］傅良魁主编.应用地球物理学教程——电法放射性地热［M］.北京：地质出版社.1 9 9 1.