瞬变电磁在勘察煤矿采空区中的应用

赵伟锋

(河北省地矿局 秦皇岛矿产水文工程地质大队，河北 秦皇岛 066000)



瞬变电磁在勘察煤矿采空区中的应用

赵伟锋

(河北省地矿局 秦皇岛矿产水文工程地质大队，河北 秦皇岛 066000)

某煤矿区开采后遗留下了采空区地质环境问题，严重影响了生态环境和人类正常的生存环境。为了后期环境治理，应用瞬变电磁法对某煤矿采空区进行物探勘察，采用仪器自带软件绘制各条测线视电阻率拟断面图，对测区内可能存在的地质异常区进行解释，接着对不同深度水平视电阻率切片图进行分析，着重分析地质异常区的分布规律。最后依据视电阻率拟断面图和平面图，结合地质资料很好地圈定了煤矿采空区，并绘制出直观的三维图。其应用效果结果表明：大定源瞬变电磁法对解决煤矿采空区地质问题是一种快捷、高效的勘查手段，为后期治理提供了直接、有效的指导。

瞬变电磁；煤矿采空区；视电阻率

1 引 言

近几十年来，煤矿开采后遗留下许多不明采空区[1]。这些采空区破坏了地球表面和岩石圈的自然平衡，影响了生态环境和人类正常生存的环境，对人身和财产造成了很大的威胁[2]。为了查明矿区采空情况，为后期环境治理提供指导，我们必须采取合适、有效的地球物理方法进行勘察。一般而言，进行采空区探测的主要方法有高密度电法、浅层地震法、瞬变电磁法和探测雷达等。瞬变电磁法是近年来发展很快的电法勘探方法之一。与直流电法相比，瞬变电磁法有较高的分辨率，可以穿透直流电法难以穿透的低阻带；并且有装置轻便、工作效率高的特点[3]。其在查明基岩构造，裂隙发育和采空区等方面广泛应用[4-7]。瞬变场的装置种类多种多样，常用的有偶极—偶极装置、大回线装置、重叠回线装置，工作中根据实际情况，采用了瞬变电磁法大回线源装置，用探头接收。大回线装置的Tx采用边长较大的矩形回线，Rx采用小型线圈(或探头)沿垂直于Tx长边的测线逐点观测磁场分量dB/dt值。这种装置对铺设回线的要求不那么严格, 一旦铺好回线后,可在线框内一定范围内直行测量，因此工作效率高，成本低。这种场源具有发射磁矩大，场均匀及随距离衰减慢等特点，适合于密集点距采样,精细探测。

2 矿区地质概况

西宁市大通回族土族自治县地处青藏高原和黄土高原的过度地带，位于青海省东部，祁连山麓之南。工作区海拔2 450～2 750 m，相对高差300 m。属中海拔山地流水侵蚀地貌单元，由小起伏中山和中起伏中山组成，其表部组成物质为黄土、黄土状土，下伏新生代碎屑岩，工作区最北部分布河谷阶地。

2.1 测区地层电性特征

工区地层主要为：上覆地层为第四系，岩性主要为黏性土、砂质土等；下伏基岩为侏罗系、二叠系的煤系地层，详见表1。

正常情况下，瞬变电磁资料侏罗系电阻率较高，二叠系视电阻率较低，遇到煤层时，视电阻率会升高。本区由于地层倾斜严重，并出现地层倒转的现象，因此在瞬变电磁测深曲线上，电性变化并非是完美的层状变化，横向上视电阻率变化可能会更大。

表1 测区地层电性一览

2.2 勘探的原理及前提条件

不同的岩层具有不同的电阻率，电法勘探就是通过测定地下不同地点不同深度的电阻率的差异来达到寻找目标地质体的目的。瞬变电磁法属于时间域[8-10]电磁感应法，它利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲场，在一次脉冲场间歇期间利用回线或电偶极接收感应二次场，该二次场是由地下良导地质体受激励引起的涡流所产生的非稳定电磁场，通过对观测到的随时间变化的二次场信号的变化，就可以判断出地下地层的电性变化及不均匀地质体的分布情况[11]。通过对反映地电断面变化的瞬变电磁曲线的分析，可以了解深度方向上地质剖面的特征。

利用电法勘探解决地质问题的前提条件是目标地质体和围岩存在电性差异，本区瞬变电磁勘探的任务是探测区内采空区分布范围及深度。煤层开采后一般会导致围岩破碎，孔隙度变大，如果采空区内充气，则其视电阻率在整体上会较高，在电法资料上会形成横向上的相对高阻异常；但当裂隙发育充水时电阻率会明显下降，在电法资料上会形成横向上的相对低阻异常。

可以依据相对的高阻、低阻异常反映，来划分采空区，因此本区具备采用电法探测采空区的地球物理前提。

3 工作方法

3.1 参数选择

在正式开始工作之前，需要确定瞬变电磁工作中的技术参数，按要求在已知钻孔进行试验工作。在测区已知的钻孔位置对发送线框边长、发射频率等参数进行试验，选择最佳采集参数。

1)回线线框大小和供应电流的选择

2)工作频率的选择

频率越低，探测深度越高。25 Hz信号比较强，但探测深度较浅，不满足本区勘探要求。在信号为2.5 Hz，发送回线为200 m×200 m情况下，虽然探测深度较深，但信号比较弱，晚期信号信噪比较低，不能满足解释需要，同时浅部信息丢失严重。而在8.33Hz时，信号比较强，同时也满足探测深度要求，因此，采用8.33 Hz的频率进行测量。

3.2 工程布置

测区内测线沿现有资料给出的地层倾向方向进行观测，整个勘探区布置的测线共18条，测线基本间距70～370 m，测点距为10 m。具体位置详见图1。

图1 勘探区测线布置Fig.1 Survey line layout in exploration area

4 资料解释

瞬变电磁勘探的后期工作分为数据处理和数据反演两个部分。数据处理即从读取仪器数据到对视电阻率进行包括抽道、叠加、输出等算法流程处理，这一系列算法由凤凰地球物理公司的仪器自带数据处理软件CMTPro实现；数据反演即将数据处理结果使用最优化反演算法计算出地层视电阻率模型，笔者采用Interpex公司的IX1Dv3 3.5.0反演程序进行反演解释，该软件具有定源框边校正功能，正演考虑关断时间和电荷积累效应，反演提供平滑模型约束。

首先，依据各条测线视电阻率(ρs)拟断面图，对测区内可能存在的地质异常区进行解释。接着对各水平、顺层视电阻率切片图进行分析，着重分析地质异常区的分布规律。最后依据视电阻率拟断面图和平面图，结合地质资料成果进行对比分析解释[12-13]，确定采空区的分布规律和分布范围，绘制出测区内采空区分布图。

4.1 各测线视电阻率断面图电性特征

本次瞬变电磁法勘探共实测18条测线，对每条测线按照流程进行数据处理。为了便于资料分析，在参考测区内钻孔资料及地质剖面资料，在电性断面上分别标出了煤层线，并根据视电阻率变化情况，圈定了采空区。图中的黑线表示煤层，白线表示采空区。现根据各测线视电阻率等值线断面图，分析各测线煤层及采空情况如下：

4线(图2)剖面内共有三段煤层，在探测深度内第一层煤始于0号点，标高2 600 m处，淹没于170号点， 标高2 200 m处，倾角大约为65度；在煤层线延伸的范围内出现三处明显的高阻圈闭，根据采空区解释原则，可以将这两个地方定性异常解释为采空范围，第一处采空在桩号0～50 m，标高2 650～2 600 m范围内，第二处采空在桩号100～150 m，标高2 500～2 450 m范围内，第三处采空在桩号170～200 m，标高2 250～2 150 m范围内。第二段煤始于桩号400 m，标高2 640 m处，延伸至桩号260 m，标高2 400 m处，倾角约为75度；存在此段一处采空区，在桩号350～400 m，标高2 640～2 580 m范围内。第三段煤始于桩号450 m，标高2 600 m处，延伸至桩号750 m，标高2 200 m处，倾角约为68度；存在一处采空区，在桩号450～550 m，标高2 600～2 530 m范围内。

图2 4线视电阻率断面Fig.2 Apparent resistivity section of line 4

其他测线分析类似于上述分析过程，不再赘述。

4.2 不同深度视电阻率特征

鉴于本区煤层倾斜严重，并出现倒转现象，各测线在勘探深度内无法描述各煤层的全部信息，因此对顺煤层做切面等值线图存在一定困难，并且无法对全区做定性解释。考虑此原因，本次工作截取各测点某一深度的视电阻率值绘制成了等值线平面图。结合钻孔及地质剖面资料认为，截取-50 m、-250 m和-350 m三个深度的视电阻率值较为合适，分别绘制平面图，并将实测各测线路线标于其上，来说明采空区在上面的分布范围[12]，如图3～图5所示。

图3 -50 m深度视电阻率等值线平面Fig.3 Depth apparent resistivity contour map at -50 meters

图4 -250 m深度视电阻率等值线平面Fig.4 Depth apparent resistivity contour map at -250 meters

图3～图5这3幅平面图中，红黄色区域代表高阻，蓝绿色区域代表低阻，可以看出在3个深度范围内，高低阻区域基本吻合，高阻区域主要集中于测区中部和南部，低阻区域主要集中于测区东部和西部。其中，-50 m深度的高阻区域明显较大，根据本区煤层开采深度信息，巷道主要集中于此深度范围内，因此采空较为严重。随着深度增大，高阻区域逐渐减小，表明深部煤层采空相对较少。

图5 -350 m深度视电阻率等值线平面Fig.5 Depth apparent resistivity contour map at -350 meterss

图6 三维成果Fig.6 3D result map

根据图3～图5这3幅等值线平面图，绘制成了三维成果图，图中用虚线圈定出采空区域，如图6所示。

5 结 论

通过本次勘察测量，基本圈定了电性异常位置，结合地质资料和异常形态特征，分析认为本次煤矿采空区引起的电性异常为高阻显示，因此，圈定高阻异常作为判断采空区的主要依据。

本次资料解释在参考测区地质剖面资料基础上，在电性断面上分别标出了煤层线，并根据视电阻率变化情况和不同深度的平面图，准确圈定了采空区，且将分布范围和规律在三维成果图直接有效地展示呈现出来，为后期采空区环境治理提供了直观可靠的依据。因此瞬变电磁在勘察煤矿采空区方面应用效果明显。

[1]刘君.瞬变电磁法在探测煤矿采空区中的应用[J].科技情报开放与经济，2005,15(10):281-282.

[2]刘国辉，李达，刘志远，等.综合电法勘探在中关铁矿采空区探测中的应用[J].工程地球物理学报，2011,8(6):709-712.

[3]刘继东.瞬变电磁测深法在煤矿工程勘察中的应用[J].西安工程学院学报，1999,21(2)：39-40.

[4]张三敏,王娟,李增涛，等.瞬变电磁法探测煤矿采空区的应用研究[J].工程地球物理学报，2014,11(5):684-687.

[5]唐振宇,张华,龚育龄.瞬变电磁成像技术在采空区积水探测中的应用[J].工程地球物理学报，2015,12(5)：633-636.

[6]康鸿文，柴新朝.瞬变电磁法及高密度电法在采空区中探测应用[J].工程地球物理学报，2015,12(2)：167-170.

[7]杨义彪，席晓风.瞬变电磁法(TEM)在露天矿采空区探测中的应用[J].工程地球物理学报，2010,7(5)：559-593.

[8]狭亮，许荣科，鲁胜章，等.瞬变电磁法原理、现状及在矿产勘查中的应用[J].地质与勘探，2009,18(1)：70-73.

[9]蒋邦远.实用近区磁源瞬变电磁法勘探[M].北京:地质出版社，1998.

[10]牛之琏.时域电磁法原理[M].长沙：中国工业大学出版社，1992.

[11]刘金涛.瞬变电磁法在煤矿水文地质勘查中的应用[J].资源环境与工程，2006,20(4)：432-436.

[12]赵翠萍.瞬变电磁测深法资料切片立体图的应用效果探索[J].西北铀矿地质，2006,32(1)：51-53.

[13]曹冰河.瞬变电磁法成果资料快捷解释方法[J].物探与化探，2004,28(2)：136-138.

The Application of Transient Electromagnetic Method to the Investigation of Coal Mined-out Area

Zhao Weifeng

(QinghuangdaoGeologicalBrigadeofMineralResoucesandHydro-Engineering,GeologicalExplorationBureauofHebeiProvince,QinhuangdaoHebei066000,China)

The geological environment problems in the mined-out areas after mining in coal mining area seriously affect the ecological environment and human living environment. To solve these problems, the transient electromagnetic method is applied to geophysical prospecting in mined-out area. The apparent resistivity profile of each survey line is drawn by the software of the instrument. The possible geological anomaly in the area is interpreted. Then the different depth of apparent resistivity section map is analyzed, and the geological spatial distribution rule is emphatically analyzed. Finally on the basis of apparent resistivity profile and the plane plan, the mined-out area can be delineated well combined with geological data, and the intuitive three-dimensional figure can be drawn out. The results showed that the large fixed source transient electromagnetic method is quick and efficient to solve the geological problem in coal mined-out area, which provides a direct and effective guidance for further treatment.

TEM; coal mined-out area; apparent resistivity

1672—7940(2016)02—0179—05

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.02.008

赵伟锋(1989-)，男，助理工程师，主要从事地球物理勘查专业工作。E-mail:likunmelody@126.com

P631.3

A

2015-11-07