瞬变电磁法在双层煤矿采空区探测中的应用

吕金牛，王福生（1.太原理工大学 矿业工程学院，太原 030024；2.山西榆次北山煤业有限公司，山西晋中 030600）

瞬变电磁法在双层煤矿采空区探测中的应用

吕金牛1，2，王福生1，2
（1.太原理工大学 矿业工程学院，太原 030024；2.山西榆次北山煤业有限公司，山西晋中 030600）

针对双层煤矿采空区所特有的地质特征，应用纳米瞬变电磁法探测浅埋深煤层采空区，大定源瞬变电磁法探测较深埋深煤层采空区，从而达到同时探测双层煤矿采空区的目的。以实际工程为例，通过试验测线确定工作区煤矿采空区视电阻率值后，结合实测资料与地质情况准确圈定了工作区不同埋深的7号、8号煤层采空区的位置与范围，充分说明了瞬变电磁法（TEM）在不同埋深煤层煤矿采空区的探测方面具有很强的优越性。

瞬变电磁法；探测；双层煤矿采空区;视电阻率

近年来因矿产开采而引发的各种地质灾害屡见报端，其危害程度已远远超出人们的预想，尤其是煤矿采空区，长期的煤矿开采使开采地区地表出现裂缝或塌陷，致大量农田无法耕种；靠近山区的煤矿开采极易引发山体滑坡，毁坏国家公路铁路，给国家和人民的生产生活带来极大的不变和巨大的经济财产损失。尤其是有多层煤矿采空区的情况下，造成的破坏更大，探测也更为不易。在目前探测煤矿地下采空区的多种技术手段中，瞬变电磁法的应用已较为成熟。相比高密度直流电法[1]、同位素氡气测量[2]、地震勘探[3]等在探测煤矿采空区中应用较多的物探方法，依据地下煤矿采空区在不同情况下的电性特征，瞬变电磁法不仅可以有效圈定采空区的位置，还可以确定其埋藏深度以及对其是否充水做出准确判断，因此在煤矿地下采空区的探测中得到了广泛应用[4]。

瞬变电磁法属于时间域电磁感应法，它是利用不接地回线向地下发送一次脉冲磁场，在一次磁场间歇期间利用同一回线或另一回线接收感应二次磁场，该二次磁场是由地下良导地质体受一次场激励引起的涡流所产生的非稳磁场。在埋深不同的多层煤矿采空区中，可以通过调整发射一次脉冲磁场的关断时间，分别利用大定源瞬变电磁法和纳米瞬变电磁法来达到探测深埋深煤层和浅埋深煤层的煤矿采空区的目的。

1　瞬变电磁法基本原理

瞬变电磁法又可称为时间域电磁测深法，简称TEM，属于电磁感应类探测方法。其核心思想就是：在均匀半空间条件下，地下介质体在变化的电磁场激励下而产生变化的涡流场，涡流效应在短时间内不会消失，而是在其周围继续产生随时间不断衰减的二次电磁场。具体工作就是利用一个不接地的回线作为发射线圈，向地下发送阶跃式变化的电磁波作为激发场（通常称为“一次场”），然后在地表接收区域利用接收探头观测其产生的电磁场（通常称为“二次场”）在时间和空间上的分布并储存，做出TEM法工作原理示意图，见图1。

图1　TEM法工作原理示意图

纳米瞬变电磁法（NanoTEM）的探测原理同瞬变电磁法相同，只是通关减小发射一次脉冲电磁场的关断时间从而缩小采样间隔，提高采样效率，达到探测埋藏深度较浅、体积较小的地下异常体的目的。相对于对一次场，二次场脉冲信号可表示为：

式中：μ0为磁导率，μ；M为发送线圈磁矩，m；q为接收线圈等效面积，m2；ρ为地层电阻率，Ω·m；t为断电后的采样时间,μs。

从式（1）可以看出，二次场脉冲信号的大小与地层电阻率ρ的3/4次方以及采样时间t的5/4次方成反比。由此可以看出，由一次场激励所产生的涡流电磁场与地下地质异常体的物理性质和空间赋存状态相关，且在瞬变电磁法中，可以利用二次场信号到达地表的时间早、晚来分别反映地下浅部和深部的地质信息[5]，因此有效区分早期信号中来自地下异常体的电磁感应信号或者缩短早期信号返回地表的时间，就可以大大提高传统瞬变电磁法对于浅埋深地质异常体的探测能力。

研究表明，在近地表电阻率值为100 Ω·m，使用200 m×200 m发射线圈时瞬变电磁法的最大探测深度可达331.8 m,但在此条件下其最小探测深度为33.16 m，也就是说瞬变电磁法无法取得从地表到地下33.16 m处的有效地质信息。在近地表电阻率值为100 Ω·m的条件下，即使使用50 m×50 m的发射线圈其最小探测深度也只有31.6 m[6]，因此在同时探测埋深不同的多层煤矿采空区时，浅埋深煤层的煤矿采空区对常规瞬变电磁法的影响微乎其微，但常规瞬变电磁法对浅埋深煤层煤矿采空区也束手无策。

直到美国Zonge公司开发出GDP-32Ⅱ,并在其中设置了专门的采样模式后，具有快速取样和快速关断特点的纳米瞬变电磁法（Nano TEM）才逐渐进入人们的视野。由于它的采样间隔（关断时间）为1.2 μs或1.6 μs，最小可达1 μs，假如地层浅部平均电阻率为50 Ω·m～60 Ω·m，关断时间以1.2 μs计算，那么纳米瞬变电磁法的最小采集深度可以达到7 m左右，大大减小了常规瞬变电磁法的勘探盲区范围[7]，为纳米瞬变电磁法的推广应用创造了良好条件。

为了有效说明纳米瞬变电磁法快速关断的采样特点，美国ZONGE公司分别作了各个回线尺寸下的NanoTEM关断时间实验，实验结果如表1所示。

表1　纳米瞬变电磁法近似关断时间表

凭借其快速关断发射延时以提高取样率的特点,NanoTEM有效的实现了浅埋深地质异常体的的详细勘探[8]。

2　煤矿地下采空区的电性特征

一般情况下，煤系地层视电阻率值以采空区(空洞)为最高，其次是石灰岩、煤层、泥岩及充水岩溶裂隙岩层。电阻率值大小依次为：采空区(空洞)＞灰岩＞煤层＞砂岩＞泥岩＞含水裂隙岩层[9]。以上所述仅是岩层在常规条件下的视电阻率值,当岩层存在各种松散的裂隙、孔隙或者含水时，将会改变原来的物理性质特征，其电阻率值将会急剧下降。这种变化程度与松散裂隙的发育程度、孔隙中的含水多少成正相关关系[10]。煤层被开采以后,在原煤层顶底板岩层间形成一定的空间，破坏了地层的完整性和连续性，在没有充水的情况下，该处的视电阻率值明显高于周边原始地层，呈现明显的局部高阻特性。当采空区中有积水充填时,由于水体的良导特性，会使其电阻率急剧下降，明显低于围岩,呈低阻反映[11]。煤矿采空区所特有的这些物理性质为瞬变电磁法探测煤矿采空区提供了良好的地球物理勘探基础。

3　工程应用实例

3.1项目介绍

本次工程主要是利用大定源瞬变电磁法和纳米瞬变电磁法法查明太原某煤矿地下7、8号煤层双层采空区的分布情况。7号煤层采空区埋深约14 m，其底板等高线在1 117 m左右；8号煤层采空区埋深越40 m，底板等高线在1 094 m左右。

从地层揭露情况来看，场地地基土主要由杂填土、局部碎石土及基岩组成，松散层为第四系堆积物，基岩为石炭系上统太原组地层。根据《地质矿产勘查测量规范》(GB/T 18341-2001)以及《地面瞬变电磁法技术规程》(DZ/T 0187-1997)，结合现场地质情况，本次探测项目采用5 m×5 m测网密度，测线近南北向布置共设计NanoTEM测线数15条，TEM测线数17条，NanoTEM测点数191个，TEM测点数225个。

3.2试验测线结果分析

3.2.1纳米瞬变电磁法试验测线结果分析

在对试验测线分别选用2A、3A的发射电流、浅层观测时窗和标准观测时窗、20 m×20 m和30 m× 30 m的发射线框做过对比试验后，以保证勘探深度为前提，保证在观测时窗内记录较多的浅层地质信息为原则，且为了保证能够采集到较优良的数据，本次纳米瞬变电磁法勘探的野外施工参数确定选用3A的发射电流、标准观测时窗和20 m×20 m的发射线框进行野外施工。

S1线、S2线近南北向布置。从视电阻率拟断面图（图2、图3）上不难看出，在水平标高1 117 m处，S1线25 m~80 m段视电阻率值整体上不大于120 Ω·m，此处钻孔见7号煤层；S2线视电阻率值整体不低于120 Ω·m，此处钻孔揭露为7号煤层采空区。对比已知资料分析得出7号煤层采空区的视电阻率不低于120 Ω·m。

图2　S1线视电阻率拟断面图

图3　S2线视电阻率拟断面图

3.2.2大定源瞬变电磁法试验测线结果分析

在对试验测线分别选用7A、8A的发射电流、16 Hz和32 Hz的发射频率、200 m×200 m和200 m× 300 m的发射线框做过对比试验后，以保证勘探深度为前提，保证在一定的发射频率下可以记录较多的深层地质信息为原则，且为了保证能够采集到较优良的数据，本次大定源瞬变电磁法勘探的野外施工参数确定选用8 A的发射电流、32 Hz的发射频率和200 m×200 m的发射线框进行野外施工。

S3线、S4线近南北向布置。从视电阻率拟断面图上不难看出（图4、图5），在水平标高1 094 m处，S3线在30 m~35 m之间视电阻率不大于70 Ω·m，此处钻孔见8号煤层；S4线视电阻率值整体不低于70 Ω·m，此处钻孔揭露为8号煤层采空区。对比已知资料分析得出8号煤层采空区的视电阻率不低于70 Ω·m。

3.3观测系统及主要技术参数

根据操作规范和试验区特有的水文地质条件确定可选参数后，在野外实地操作验证，按设计分别采集不同参数下的观测数据，经后期处理，在既能保证有效勘探深度又能保证有用信号质量的基本原则下，经过科学对比，反复论证后确定出现场操作的最佳施工参数，并制定出特殊条件下（如强干扰区）的备选施工参数。根据试验测线的分析结果，本次利用瞬变电磁法勘探的主要技术参数和备选施工参数可大致确定如下：测线间距为5 m；测点间距为5 m~20 m不等；接收时间按采样间隔全部提取、任意组合；叠加次数>256次；观测时间为TEM 20 ms，NanoTEM 8 ms；最大频点间距由野外试验最终确定；前置增益为26（可变范围20~26）。

图4　S3线视电阻率拟断面图

图5　S4线视电阻率拟断面图

3.4视电阻率拟断面图分析

3.4.1纳米瞬变电磁法视电阻率拟断面图分析

K线近似南北向布置，共9个测点，总长度80 m。视电阻率拟断面图上（图6），沿1 117 m水平标高，0~10 m，50 m~80 m视电阻率值不大于120 Ω·m，结合试验线结论，推断为正常区域；10 m~50 m视电阻率值不低于120 Ω·m，推断为7号煤层采空区反应。

图6　K线视电阻率拟断面图

3.4.2大定源瞬变电磁法视电阻率拟断面图分析

M线近似南北向布置，共9个测点，总长度80 m。视电阻率拟断面图上（图7），沿1 094 m水平标高，25 m~40 m，60 m~80 m视电阻率值低于70 Ω·m，结合试验线结论，推断为正常区域；0~25 m，40 m~60 m视电阻率值大于70 Ω·m，推断为8号煤层采空区反应。

图7　M线视电阻率拟断面图

3.5视电阻率平面图探测结果分析

根据试验线结论，瞬变电磁法及纳米瞬变电磁法根据实验线的采集数据确定7、8号采空区均为相对高阻异常，纳米瞬变电磁法圈定7号采空区异常的视电阻率值不低120 Ω·m。大定源瞬变电磁法确定圈定8号采空区视电阻率值不低于70 Ω·m。

在7、8号煤层视电阻率异常平面图上，未经过人工扰动的情况下，原始地层在视电阻率（ρs）拟断面图上的电性变化呈现出一定的规律性，具体表现为视电阻率值变化平稳，等值线呈似层状平缓分布。相反，当地下存在采空（积水）区时，则视电阻率值明显增大（减小），等值线发生较大扭曲、变形或呈密集条带状分布，在彩色视电阻率（ρs）拟断面图上表现的更加直观。

3.5.1瞬变电磁法视电阻率平面图探测结果

图8　TEM 8号煤层视电阻率异常平面图

8号煤层视电阻率异常平面图，见图8，该平面图为测区内8号煤层的视电阻率异常平面图，从图上不难看出，在R测线到M测线区段，视电阻率等值线呈圈闭状分布，与测区上部呈似层状平缓分布的等值线形成鲜明对比，且整体上不低于70 Ω·m，以试验测线结果为标准，结合地质及钻孔资料以不低于70 Ω·m圈定了8号煤层采空区范围，图中以黑虚线画出。

图9　NanoTEM 7号煤层视电阻率异常平面图

3.5.2纳米瞬变电磁法视电阻率平面图探测结果

7号煤层视电阻率异常平面图，见图9，该平面图为测区内7号煤层的视电阻率异常平面图，从图上不难看出，在整个测区内，视电阻率等值线在整体上都呈圈闭状分布，以试验测线结果为标准，结合地质及钻孔资料以不低于120 Ω·m圈定了7号煤层采空区范围，图中以橘黄色线画出。

4　结束语

通过对试验区内地下7号浅埋深煤层以及8号较深埋深煤层采空区的的实地探测，准确圈定了采空区的位置和具体范围，充分证明了瞬变电磁法（TEM）在不同埋深煤层双层煤矿采空区的探测方面具有很强的优越性。

[1]刘海生.高密度电法在探测煤矿地下采空区中的应用研究[D].太原:太原理工大学,2006.

[2]杨华，刘鸿福.测氡在煤矿采空区的应用[J].山西煤炭，2003(2):38-40.

[3]宗志刚.地震勘探方法在探测煤矿采空区中的应用研究[D].北京:中国地质大学（北京），2006.

[4]王善勋，杨文锋，张卫敏，等.瞬变电磁法在煤矿采空区探测中的应用研究[J].工程地球物理学报，2012(4):400-405.

[5]戚庭野，刘鸿福.瞬变电磁法在溶洞探测中的应用研究[J].西部探矿工程，2012(5):124-126.

[6]薛国强.论瞬变电磁法的探测深度[J].石油地球物理勘探，2004，10（5）：575-577.

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[8]石桂，刘星，刘文祥.Nano TEM在寻找煤隆采空区中的应用[J].工程地质学报，2007，15（6）：273-274.

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[10]杨建军，申燕，刘鸿福.测氡法和瞬变电磁法在探测煤矿采空区的应用[J].物探与化探，2008(6):661-664.

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（编辑：樊敏）

Application of Transient Electromagnetic Method in Exploration of Mined-out Area of Double-decked Coal Mine

LV Jinniu1，2，WANG Fusheng1，2
(1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China; 2.Beishan Coal Co.,Ltd.,Yuci 030600,China)

Based on the geological features of the mined-out area of double-decked coal mine,nano transient electromagnetic method(TEM)was used to explore the mined-out area of shallow buried coal seam and large fixed loop TEM was used to explore that of deep buried coal seam in order to explore the double-deck at the same time.A real engineering project as an example,apparent resistivity of the mined-out area was determined by testing line with experiment.Combined with testing data and geological condition,the locations and ranges of No.7 and No.8 mined-out area with different buried depth were delineated.The results show that TEM has strong advantages in the exploration of the mined-out area in the coal seams with different buried depth.

transient electromagnetic method;exploration;mined-out area of double-decked coal mine;apparent resistivity

P631.6

A

1672-5050（2016）02-0014-05

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.02.005

2015-10-28

吕金牛（1967-），男，山西晋中人，在读工程硕士，工程师，从事煤矿生产技术管理工作。