小线圈瞬变电磁法在矿山地质环境治理工程中的应用

周磊

（湖南省地质调查院 湖南长沙 410116）

小线圈瞬变电磁法在矿山地质环境治理工程中的应用

周磊

（湖南省地质调查院 湖南长沙 410116）

本文从瞬变电磁法的基本原理出发，论述了小线圈瞬变电磁法在矿山地质环境治理工程中的可行性。将该方法技术应用于广东乐昌市某矿山地质环境治理工程，结合当地地质、水文资料，结果表明本次应用小线圈瞬变电磁法勘探，取得较好的效果。该探测成果，为日后的矿山地质环境治理工程提供参考。

瞬变电磁法；小线圈；重叠回线；矿山地质环境治理工程

矿业的开发给人类社会的发展带来了巨大的财富，同时也占用了人类赖以生存的大量土地和生态植被资源，生产过程中大量的矿石开采以及矿区地面设施将原有的地表植被破坏，造成了土地资源的浪费，同时也对矿区周围环境造成了破坏。由于矿山开采初期环境保护意识薄弱，开采过程中形成了多处地表开采沉陷，并对矿区植被造成较大破坏，因此，随着矿山开采的继续，加上地表径流等外力因素的影响，矿山地质环境问题日益突出，矿山地质环境的治理直接关系到矿区周边社会和人群的存活和发展，其治理实属刻不容缓。

本次瞬变电磁法勘察的目的在于了解某矿矿井上方地层是否存在因进行开采作业引起的塌陷和松动区域，属于该矿山地质环境治理工程的一部分。

1 基本原理

瞬变电磁法（Transient electromagnetic methods）或称时间域电磁法（Time domain electromagnetic methods），简写为TEM或TDEM，是一种近年来发展很快的电法勘探分支方法，它主要应用于金属矿勘探、构造填图、油气田、煤田、地下（热）水、冻土带、海洋地质、水文工程地质及工程检测等方面的研究。

瞬变电磁法测量装置主要由发送线圈和接收线圈两部分组成，瞬变电磁法工作过程可分为三个部分：发射电流、电磁感应和接收二次磁场。当发射线圈中的稳定电流突然切断，根据电磁感应的原理，变化的电流将产生磁场，该磁场我们称之为一次磁场。在一次磁场往地下的传播过程中，如在地下遇到导电良好的地质体，它会在其内部产生感应电流，也被称为二次电流或涡流。由于次级电流随时间变化，并因此产生在其周围的新的磁场，称为二次磁场。由于良导地质体内的感应电流会因为热损失而衰减，所以二次磁场大致呈指数规律随时间衰减。由于二次磁场的产生是源自良导地质体中的感应电流，所以它包含与良导地质体相关地质信息。通过接收线圈观测二次磁场数据并进行相关分析和处理，就可以了解地下良导地质体的相关物理参数。

2 理论依据

与传统的使用大型线圈的瞬变电磁法相比，小线圈方法技术是瞬变电磁法中一种适应能力更强、分辨率更高、成本低、方便观测的方法。

矿山地质环境治理工程的工作区一般位于矿山上，山势起伏较大，不适合做大线圈瞬变电磁法。同时，矿山地质环境治理工程的物探工作目的在于了解矿井上方地层是否存在因进行开采作业引起的塌陷和松动区域，所需资料多为浅部资料，经过理论验证通过，采用小线圈重叠回线装置更为合适。为了提高信噪比，还采用了多匝线圈进行勘探。

在晚期条件下，即令2πα/τ≤1时，其视电阻率的公式为：

式中：α为发射线圈边长；n1为发射线圈匝数；τ为时间辅助参数；μ0为空气的磁导率；BZ为磁场强度垂直分量；I0为供电电流；t为延迟时间。

当发射线框的面积为S1，匝数为n1，供电电流强度为I，发射线框的磁偶距为M=s1×n1×I，当接收线框的面积为s2，匝数为n2，介质中感应的涡流场在接收回线中产生的感应电位V为：

故多匝重叠回线的晚期视电阻率的计算公式为：

瞬变电磁法的方法技术在应用中的主要问题在于无论应用晚期计算公式还是全区公式，视电阻率均偏小；反演视深度也随之偏小。且线框越小，畸变越严重的趋势。所以在小线圈瞬变电磁法的成果解释中，要得到反映实际情况的地电参数，我认为在反演处理中，须结合当地的某些可靠资料，在计算中增加修正参数来调整视电阻率计算值。

瞬变电磁场探测深度主要是由地下地质体电阻率和测量时间决定。当地下地质体相对均匀时，地面发射器线圈的电流被切断后，感应电流扩散到地下地质体，供电电流停止后，某一时刻地下最大二次磁场所在深度由下式计算：

式中：h为深度；ρ为电阻率。

3 工程实例

3.1 地质概况

试验矿区位于广东省北部的乐昌市秀水镇八字岭村，矿区位于南岭山脉的南部边缘，横跨湘粤两省，矿山岭连绵。地势西南高，东北低，属低山～丘陵地形，矿区内最高峰为八字岭峰，海拔571.02m，最低标高位于辽河，高程为190.20m。本次治理区属八字岭矿区位于广东省内范围，处于近北东-南西向山体的南坡。

井田出露的地层有中下石炭统壶天群、下二叠统栖霞组、下二叠统当冲组、上二叠统龙潭组、上三叠红卫坑组和第四系。

3.2 方法技术

本次勘探工作共布置瞬变电磁剖面长度一共270m，其中剖面Ⅰ长度为140m，剖面Ⅱ长度为130m，均沿山脊布置，测线Ⅱ位于测线Ⅰ以西。

本次瞬变电磁法勘探的测量点的点距为10m，发送线圈和接收线圈均为7匝1m×1m，每个数据点的数据测量叠加次数为10次，瞬间供电电流100A，供电脉宽为10ms，采样率为4μs。

3.3 成果分析

剖面Ⅰ如图1可以看出，主要高阻异常区1、2均处于160～200m深处。

结合井上下平面对照图得知，异常区1的中心点是位于90号点埋深约190m处的210东大巷，以该巷道为中心，如图中异常区1所示，0～100段埋深150～230m的范围均为该巷道附近区域的异常反映。在异常区1正上方50～100段埋深90～130m范围内，还存在一个高阻异常区，如图中异常区3所示。区域1和异常区3的大面积高阻异常均位于210东大巷周边区域，并向山脚延伸，经推断后初步断定该区域为210东大巷开采作业引起的上覆地层的松动塌陷，导致地层岩石出现松动。

110～120 段埋深150～230m范围内也有一高阻异常区域，如图1中异常区2所示，该异常区中，120号点埋深160m处为160东大巷，异常向巷道下方延伸，并产生一个新的高阻异常区域，由于测线长度有限，无法进行进一步的解释工作，经已知资料推断得知，该异常可能由260回风巷引起。

剖面Ⅱ如图2可以看出，主要高阻异常区1处于240～270m深处。

图1 剖面Ⅰ视电阻率及解释成果图

由解释图可以看出，异常区1中，异常区的中心位置位于0号点埋深260m处，结合井上下平面对照图得知，该处并无矿井巷道存在；异常区1上方70～80段埋深200～220m范围内存在高阻异常区域4，异常区4中心是位于80号点埋深约200m处的210东大巷；另外，在0～30、70～110段埋深60～150m附近还分别存在异常区域2、3。

因为高阻异常区1的异常中心位置未发现有坑道，且50号点埋深约260m处是260回风巷，因此推断引起异常区1的原因是260回风巷周边区域出现小范围坍塌，上方地区出现空洞。

高阻异常区4的中心位置是位于80号点埋深约200m处的210东大巷，结合异常区1的解释结果，推断该异常区域是210东大巷的异常反映。

在进行数据采集过程中，矿山近地表区域出现过小范围的陷坑，因此推断，高阻异常区域2、3可能是地下塌陷区域的异常反映。

图2 剖面Ⅱ视电阻率及解释成果图

4 结语

本次选取的2条剖面途经多处煤矿矿井，从收集的有关资料可知：区内煤层层数多，煤矿开采持续时间长，煤层厚度180～380m，埋深一般220m，其含煤地层岩性由灰白色一灰黑色，薄一中厚层状砂岩、细砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩炭质泥岩和煤组成。由于影响采空区电阻率高低的因素较多，其电性特征均有差异。当煤被采出后，其电阻率应是高阻异常特征，随时间推移，其电阻率逐渐向低阻过渡，最后变成低阻异常，故不同时间的采空区，其所表现的电性特征不一致，不能简单地以高阻异常特征或低阻异常特征来圈定采空区。试验矿区进行煤矿地下开采已有60余年历史，采煤层数多，且下层还在继续生产，开采方式属非正规性开采，在电阻率特征上表现为形成的视电阻率异常，且相对高低不同。

由瞬变电磁法的原理表明，二次场遇到高电阻体的衰退很快，遇到低阻体衰变慢，所以在多通道测量电压剖面图上，高电位差反映了低阻体，低电位差反映了高电阻体，正常的地层电位差分布曲线平缓变化。而在视电阻率平面图上，正常地层的电阻率曲线显示出近似层状的、平滑变化的曲线；当地层中出现采空区或者被断裂构造等破坏时，原本近似层状的等值线会发生较大的变化，而呈现视电阻率急剧上升或下降的封闭环或半封闭圈状的曲线。低电阻率的煤层和高电阻率的顶板和底板存在非常明显的地球物理差异，瞬变电磁法的应用也很容易区分它们。

结合物性资料可以得知，高阻异常为采空区，低阻异常为基岩或者未开采的矿体，以此为依据，并结合当地地质资料对全区瞬变电磁法的资料进行解释，得到高阻异常7处，怀疑为采空区或者矿井上方塌陷、松动区域。

通过与已知资料的结合、对比工作，查明了采空区、矿坑所对应的异常特征，证明本区应用瞬变电磁法探测采空区是有效的，为全区资料解释提供了依据。

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TD167

A

1004-7344（2016）24-0188-02

2016-8-9

周磊（1987-），男，助理工程师，本科，主要从事地球物理勘察等工作。