瞬变电磁法在采空区探测中的应用

米庆文（甘肃综合铁道工程承包有限公司，甘肃兰州　730000）



瞬变电磁法在采空区探测中的应用

米庆文
（甘肃综合铁道工程承包有限公司，甘肃兰州730000）

摘要介绍了瞬变电磁法（TEM）的工作原理、现场工作方法、数据处理方法、探测结果的解译分析情况，并使用瞬变电磁法对枣庄市某铁路采空区进行探测。结果表明:瞬变电磁法探测采空区行之有效，具有探测深度大、受地形条件影响小、横向分辨率高、探测时间短的特点，且能节省勘探费用；瞬变电磁法的野外测量方法、数据处理与解释方法应根据地质条件有所选择；装置类型、线框大小、取样延时（发射基频）、叠加次数的选择，测点的布置等应综合考虑探测区地层物性、电性指标，采空区的埋深，场地电磁噪声等因素。

关键词瞬变电磁法；采空区；勘探验证；探测效果

采空区是人为开采地下矿体而形成的空洞；采空区一般分为小型采空区和大面积采空区。大面积采空区一般技术先进、开采有序，采空区分布、埋深及顶板管理情况均有据可查；而小型采空区由于技术落后、管理混乱、大多为非法无序的私挖滥采，其分布范围、埋深及顶板稳定情况均很难查清，给勘察工作带来了极大的困难。

目前采空区的勘察思路主要为前期走访调查、收集资料，在此基础上进行物探，在物探成果指导下进行勘探验证。当前常用的探测采空区的物探方法有直流电法、电磁波法、弹性波法等。随着物探技术的不断发展，物探在采空区勘察中起着越来越重要的作用。本文结合枣庄市某铁路地质情况，采用瞬变电磁法对下伏小煤窑采空区进行了探测，通过钻探、施工后检测，证实该方法的效果。

1　瞬变电磁法工作原理

瞬变电磁法（TEM）亦称时间域电磁感应法。是利用不接地回线或接地电极向地下发送脉冲式一次电磁场，在一次电磁场间歇期间利用另一回线或接地电极接收由地下介质产生的感应电场，即二次电磁场随时间的变化。该二次电磁场是由地下不同导电介质受激励引起的涡流产生的非稳定磁场，它与地下地质体有关。根据它的衰减特征，可以判断地下地质体的电性、规模、产状等。瞬变电磁法是近几十年来发展起来的一种时间域电法勘查手段，在探测构造、采空区及岩溶等方面均有很好的效果。

瞬变电磁法具有以下特点：

①断电后观测纯二次电磁场，免除了复杂的一次电磁场补偿问题，受地形影响小；②单脉冲激发，可得到多信息的整条瞬变电磁场衰减曲线，从而节省时间；③采用不接地回线装置，适宜于在各种地理环境下工作；④穿透低阻覆盖能力强，探测深度大；⑤采用同点组合进行观测，使测得的二次电磁场与欲测的地质体达到最佳耦合，从而得到形态规则、幅值大的电磁异常，且受旁侧影响小，具有较高的横向分辨率。

2　工程实例

2. 1工程简介

拟探测采空区位于枣庄市市中区东侧，线路里程DK4 + 200—DK5 + 300，地貌单元属于冲洪积平原区，地形平坦、开阔。表层分布第四系冲洪积粉质黏土，厚度2～5 m，局部5～8 m；下伏基岩为二叠系、石炭系砂岩、页岩及煤层，奥陶系石灰岩。可采煤层主要有2层，即2#煤、6#煤。其中2#煤赋存于二叠系山西组，煤层厚度0. 75～1. 20 m，全层平均厚度0. 66 m，顶板以页岩、砂岩为主，底板以页岩、砂质泥岩为主，煤层结构较简单，属稳定可采煤层，煤层埋深15～45 m；6#煤赋存于石炭系太原组，煤层厚度0. 50～0. 79 m，全层平均厚度0. 66 m，顶板以页岩为主，底板以砂岩、砂质页岩、页岩为主，较为稳定，煤层结构较简单，属局部可采，煤层埋深29～50 m。场地地下水主要为基岩裂隙水，水位埋深6～10 m。

通过调查、收集的资料发现，该采空区充水，其视电阻率值低，而周围岩土体视电阻率表现为高值，采空区与周围岩土体电性差异较为显著，具备采用瞬变电磁法探测的物性基础。

2. 2瞬变电磁法现场工作方法

本次采用的是重庆奔腾数控技术研究所生产的WTEM-1瞬变电磁勘测系统，硬件由WTEM-1D大功率发射机、WTEM-1J接收机、线圈等组成，软件系统由Windows版一维正、反演软件、Surfer软件、数据传输与格式软件等组成。

测试中技术参数主要选取装置类型、线框大小、取样延时（发射基频）、叠加次数、测点布置等。由于已知采空区在100 m以内，探测深度内岩土体的电阻率均不高，因此采用中心回线装置。按照回线边长L等于或略大于0. 5倍探测目标最大深度的原则，选用边长为80 m的正方形线框作为发射线框，接收线框有效面积2 000 m2。沿线路纵向布置剖面，测试时发射回线和中心接收线圈沿剖面同步移动。测点布置根据实地地形地物和测绳量测距离定点，测点间距5 m，共布置测点221个，剖面总长1 100 m。为了压制测区的干扰电磁信号，提高观测资料的信噪比，应该选用较长的取样延时（较小的发射基频）、较多的叠加次数，可在现场开始工作之前做对比试验。本次测试发射基频选用0. 5 Hz，叠加次数取2 048次。

2. 3瞬变电磁法的数据处理方法

每个观测点记录的参数为时间道、采样开始时间、采样窗口宽度、发射电流、归一化感应二次场、转换后的磁感应强度值等。处理前应对数据进行初步分析和处理，去掉由激发极化响应产生的负值，截断早期饱和效应产生的无效值，去掉噪音产生的蹦跳数值等，并将合格数据整理成专用数据处理软件所需要的顺序和格式，再对数据进行滤波，以滤除或压制干扰信号，恢复信号的变化规律，突出地质信息，计算出视电阻率值、视探测深度等参数。在此基础上，根据有关测量、地质、钻探等资料再作必要的地形、高程校正，最后将所得数据由Surfer成图软件绘制成TEM视电阻率等值线断面图。

2. 4瞬变电磁法探测结果解译

瞬变电磁法探测结果的解译，主要根据TEM视电阻率等值线断面图的分布特征和形态，结合走访调查、搜集的资料综合确定。本区表层分布的覆盖层视电阻率值在40～60 Ω·m，下部砂、页岩视电阻率值在20～40 Ω·m，煤层视电阻率值在20～30 Ω·m，石灰岩视电阻率值在30～80 Ω·m。因此，正常情况下TEM视电阻率等值线断面图中除表层覆盖层外，随深度增加视电阻率值应该呈逐步增大的趋势，若在煤层深度范围内（考虑反演后深度偏差）出现连续的低阻异常，可确认为存在采空区或采空产生的裂隙、松动带。本次探测中将视电阻率值＜20 Ω·m的区段划定为采空及塌陷区。

DK4 + 200—DK4 + 740段TEM视电阻率等值线断面图见图1。可见：①在DK4 + 600—DK4 + 740段表层视电阻率值较高，反映了表层松散层及全、强风化层在无水条件下的电性特征；在深15～25 m出现较低值，可解释为岩石风化破碎带充水后视电阻率降低；而在此深度之下视电阻率值随深度增加而增大，反映了完整基岩的电性特征。②在DK4 + 210—DK4 + 600段深度15～50 m出现低阻异常，视电阻率值在16～20 Ω·m，其视电阻率等值线分布迥异于DK4 + 600—DK4 + 740段，结合该段煤层的埋深情况，可判定这些区域存在采空区。

根据TEM视电阻率等值线断面图解译情况，作出物性地质剖面图，见图2。

图1　DK4 + 200—DK4 + 740段TEM视电阻率等值线断面

DK4 + 740—DK5 + 300段TEM视电阻率等值线断面图见图3。可以看出：表层视电阻率值较高，反映了表层松散层及全、强风化层在无水条件下的电性特征；在深15～25 m出现较低值，可解释为岩石风化破碎带充水后视电阻率降低；在此深度之下视电阻率值随深度增加而增大，反映了完整基岩的电性特征。

根据TEM视电阻率等值线断面图解译情况，作出物性地质剖面，见图4。

图2　DK4 + 200—DK4 + 740段物性地质剖面

图3 DK4 + 740—DK5 + 300段TEM视电阻率等值线断面

图4 DK4 + 740—DK5 + 300段物性地质剖面

2. 5现场验证

2. 5. 1勘探验证

物探完成后针对物探异常点，结合沿线桥涵、路基工程设置情况进行了钻孔验证，在DK4 + 000—DK6 + 200段一共布置了25个钻孔，其中有7个钻孔出现了采空区。钻孔采空情况见表1。

表1　DK4 +000—DK6 +200段钻孔采空情况

通过分析钻探资料可知：①DK4 + 210—DK4 + 600段布置了10个钻孔，其中6个出现了采空区，出现的采空区有2层，上层为2#煤采空区，采空深度为17～42 m，下层为6#煤采空区，采空深度为29～50 m；出现采空区的钻孔钻探过程中仅局部出现掉钻现象，说明该段采空区顶板基本完好；采空区处岩芯出现泥沙、煤矸石等，说明采空区的空洞已被充填，同时也解释了顶板未塌陷的原因。②DK4 + 600—DK5 + 300段共布置了15个钻孔，仅DK5 + 200处有1个钻孔出现了采空区，钻进过程中掉钻，而其余钻孔均未出现采空，后来勘察证实DK5 + 200处存在1个废弃巷道，无采空区分布。

根据钻探结果绘制DK4 + 200—DK4 + 740段地质剖面，见图5。可见，该段采空区的分布范围、埋深情况与瞬变电磁法探测结果基本一致，证实了瞬变电磁法在探测采空区中是有效的。

对比图2和图5可以看出，物探只能对采空区的分布、埋深等进行定性探测，在前期线路选线、指导钻探方面效果良好，但是后期需要对采空区进行治理时，采空深度、采空厚度、空洞填充情况、顶底板情况等需要经钻探验证，并结合收集的地质、物探资料综合确定方案。2. 5. 2注浆处理后的检测情况

图5　DK4 + 200—DK4 + 740段钻探揭示的地质剖面

对DK4 + 210—DK4 + 600段采空区进行了注浆处理，注浆完成后由第三方检测机构进行检测。根据第三方检测报告，DK4 + 210—DK4 + 600段采空区分布范围、埋深、采空厚度等情况与地质勘察结果基本一致，但采空区填充率与原地质勘察结果有一定出入，原地质勘察中根据走访调查、钻探岩芯采取率等确定的采空区填充率为60％，而第三方检测报告显示该段采空区填充率约为45％，从而造成注浆量增大。主要是因为该地区分布的煤矿开采混乱、无序，且偷采现象严重，勘察中难以收集到煤矿的详细开采资料，无论是物探还是钻探，都有一定的局限性，从而造成采空情况与实际有一定出入。

3　结论

1）瞬变电磁法探测采空区行之有效，具有探测深度大、受地形条件影响小、横向分辨率高、探测时间短的特点，能极大地节省勘探费用。

2）瞬变电磁法的野外测量方法、数据处理与解释方法，在不同地质地电条件下应该有不同的选择，而装置类型、线框大小、取样延时（发射基频）、叠加次数的选择，测点的布置等应综合考虑探测区地层物性、电性指标，采空区的埋深，场地电磁噪声等因素。

3）采空区与周围岩土体电性差异越大，其探测效果越好；本区采空区充水，其视电阻率表现为低值，而周围岩土体视电阻率表现为高值，采空区与周围岩土体电性差异较为显著。

4）物探只能对采空区的分布、埋深等进行定性探测，物探完成后必须对异常点进行钻探验证，并对调查、收集的地质、物探资料进行综合整理与分析，为设计提供相对准确、可靠的采空区资料。

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（责任审编葛全红）

Application of Transient Electromagnetic Method to Detecting Goaf

MI Qingwen
（Gansu Synthetical Railway Engineering Contracting Co.，Ltd.，Lanzhou Gansu 730000，China）

AbstractT he working principle of transient electromagnetic method，the field working method，data processing method and the analysis of the detection results were introduced in this paper，and goaf of one railway in Zaozhuang City was detected by using the transient electromagnetic method. T he results showed that the transient electromagnetic method used to detect goaf is effective，which has the characteristics as large probing depth，little influence from topography，high lateral resolution，short detection time and could save the cost of exploration，the field measurement，data processing and interpretation method of transient electromagnetic method should be selected according to the geological conditions，choice of the device type，line frame size，sampling delay（fundamental frequency of emission），fold times and layout of measuring points should be considered based on such factors as stratum property of the exploration area，electrical index，the depth of goaf and site electromagnetic noise.

Key wordsT ransient electromagnetic method；Goaf；Exploration and verification；Detecting effect

中图分类号P631. 3+25

文献标识码A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 32

文章编号：1003-1995（2016）06-0121-05

收稿日期：2015-10-20；修回日期：2016-04-29

作者简介：米庆文（1982—），男，工程师。