瞬变电磁法在煤矿采空区勘探中的应用

陈继宏，罗 强

（河南省地质矿产勘查开发局第二地质勘查院，河南 郑州 450046）

近年来，因对煤矿长期大范围的不规范开采，我国许多地区出现了不同程度的地面或地下采空区，成为煤矿水害事故发生的主要隐患和原因。在煤矿采空区勘探及预防煤矿水害事故的发生中，瞬变电磁法因其高分辨率、高效率的特点被广泛应用。因此，本文以一次煤矿采空区勘探来讨论在地面大定源回线内进行瞬变电磁观测的应用效果。

1 瞬变电磁原理和大定源装置的特点

瞬变电磁法（TEM）也称时间域电磁法，是一种以电磁感应原理为基础的时间域人工源电磁探测方法。它多利用不接地回线（磁源性）向地下发送一次脉冲磁场（一次场），进而在导体中感应出变化的涡流产生瞬变场（二次场）。在一次脉冲磁场的间歇期间，利用接收线圈观测二次场，再对这些响应信息进行提取和分析，进而反演矿体的位置和形态，最终达到探测目的[1]。

瞬变电磁法按发射源的不同、接收线圈与发射线圈的位置关系、发射波的形态、发射与观测的空间位置等可进行多种分类。由接收线圈与发射线圈的位置关系，一般分别称为重叠回线、中心回线、偶极装置或者大定源回线装置。

大定源装置一般采用边长从100～1000m不等的单匝导线（通常为正方形或矩形）作为发射回线，在回线内外布设多条测线，用小型线圈或探头沿测线移动观测的方式（实际观测多在框内进行）。

大定源回线装置多用于已知目标体的倾向、走向和深度的地面勘探情况。因发射磁矩大、勘探深度大、异常曲线形态简单，因能实现一台发射机发射，多台接收机移动观测、连续滚动布线、剖面与测深同时完成，非常高效。

2 大定源装置瞬变电磁法在煤矿采空区勘探中的应用

西村煤矿需查明12西翼延伸采区范围内小煤矿采空区的分布特征、赋水性及影响范围。本次通过地面大定源瞬变电磁法对采空区充富水性及断层的赋水性影响做出评价，为下一步安全生产、防范水害提供科学依据。

2.1 地层与构造

西村煤矿位于偃龙煤田瑶岭井田东部浅区。据钻孔揭露地层由老至新有寒武系上统凤山组(∈3f)、奥陶系中统马家沟组 (O2m)、石炭系上统本溪组（C2b）和太原组（C2t）、二叠系下统山西组（P1sh）、下石盒子组（P1x） 及新生界第四系(Q)。

二叠系山西组（P1sh）平均83.37m。主要由砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩、炭质泥岩及煤层组成，本次主要研究的二1煤层赋存于该组的下部，属大部可采煤层。

勘探区属嵩山背斜北翼西段，为地层走向NEE～SWW（70°左右），倾向 NNW（340°左右），倾角14°～20°的单斜构造。本区未见有较大规模的断裂构造。

2.2 水文地质特征

对开采煤层影响较大的含水层自下而上有变质岩裂隙含水岩组、碳酸盐岩类寒武系与奥陶系灰岩含水岩组、碎屑岩类裂隙含水岩组及松散类孔隙含水岩组。主要的隔水层有本溪组、太原组中段、二1煤层底板、二1煤层顶板四个隔水层。

2.3 瞬变电磁工作的电性条件

勘探区内第四系覆盖层主要由黄土、黏土、亚黏土等构成，电阻率较小，一般为5～15Ω·m。石炭、二叠等煤系标志层砂岩、砂砾岩地层电阻率相对较大，一般为20～130Ω·m。寒武、奥陶等老地层以灰岩为主，岩体结构若密实不易充水，如果不含导电性强的介质，则电阻率非常大，一般为100～10000Ω·m。若裂隙、岩溶发育，则形成明显的低阻异常区域。煤系地层开采的采空区在充填水的情况下会显示低阻，反之显示为高阻。断层构造也是如此，断层为地层断裂的破碎带，断层区域岩体破碎松散，如果受雨水等电阻率较小的介质充填则会显示低阻。

以上电性特征是通过瞬变电磁法评价采空区和含水层富水性的物理依据。

2.4 瞬变电磁工作布置及成果

根据勘探区的地形地貌及勘探深度的要求，采用大定源装置框内观测的方式，瞬变电磁仪为PROTEM57。共设计剖面线28条，方位角74°，网度20m×20m。经过现场试验，发射线圈尺寸取240m×240m～440m×420m两种；重复频率为25Hz;积分时间30s；每测点记录3次数据；关断时间由发射机读取并输入接收机；每发射框在其中心的1/9面积区域观测。

反演处理显示:各测线视电阻率断面等值线均显示本勘探区各地层向北侧缓倾的特点，与地质及采矿揭露资料相吻合。在视电阻率断面图中，每条测线断面上部50m以浅等值线相对稀疏且电阻率相对较低，主要对应地层为第四系黏土和二叠系煤系地层上部泥岩；地表以下50m至200m等值线相对较密集，呈由低到高，再由高渐低的渐变形态，对应地层为二叠系煤系地层，高阻层位位于煤层上方，对应地层为煤层以上各砂岩地层；底板厚层状灰岩地层埋藏相对较深，其在断面图上均显示为低阻。

沿二1煤层及其上下顺层对视电阻率切片，可对高（低）阻异常区、次级构造的相对分布状态，含水性及水力联系等方面进行分析评价。图1为沿二1煤层顺层切片视电阻率等值线与勘探成果图。勘探区视电阻呈北部高，南部低的特征。通过工作共发现高阻采空异常区1处、低阻含水异常区2处。推断低阻异常区多分布在已经停止采矿的较为封闭的采区或工作面，这些区域没有循环通道，容易积聚形成较大面积的积水区。

L1400～1540线的P1640～P1760点间，东西长120m，南北宽约140m，为高阻异常区，推测为采空区（不含水）。

Ⅰ号低阻异常区在P1500点附近南北方向成带状，线号方向从1120线到1500线，视电阻率在25Ω·m以下。推测为民采巷道或断裂构造所致，且近似以民采巷道或断裂构造X1为对称轴。在异常的北部和西北部有废弃的北井和南井，Ⅰ号低阻异常区距北井不足30m，距南井最近距离仅80m，这两口井曾经发生过透水事故。Ⅰ号异常区为强富水区。

在勘探区南部的Ⅱ号低阻异常区视电阻率在16Ω·m 以下。位于 L1020～1120 线 P1140～1340点间，东西长200m，南北宽约100m，异常向南未封闭。该异常区与矿方提供的向西掘进巷道前方井下探测发现的南北向富水带相对应。该异常区为强富水区，储水量较大。

勘探成果为矿井安全开拓提供了科学依据及保障。

3 结语

瞬变电磁法因对煤矿的积水采空区、导水断层及裂隙含水层等低阻体敏感、探测效果好，在煤矿的井上、井下水文物探中都得到了广泛应用。

在实际施工中，有多种的干扰因素会影响到观测数据的精度，甚至是能否正常工作，因此要合理安排，严把质量，尽量减少外界因素的影响[2]。例如，多余的发射线随手堆放就会让线感明显增大从而使关断时间增大，同时也会使衰减曲线畸变，形成假地质异常。

图1 勘探成果图