瞬变电磁地球物理勘探在露天矿采空区探测中的应用

刘爱兄

（神华准能集团有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯 010300）

近几年，随着我国对煤炭资源整合力度[1]的加强，许多小型地下开采的矿井整合成大型露天煤矿。但整合型之前在矿区分布着多家民营采矿企业，开采对象主要是煤层埋深浅、煤质发热量高的煤层，这些矿山当年获批的矿区面积狭小，几个矿在同一区域、不同位置开采，在沿水平和垂直方向采空区联通、空间形态、采空高度缺乏历史资料，详细情况不明，严重威胁到露天开采剥离及煤炭资源高效回收工作，给采空区上方作业的人员及设备造成重大安全隐患。利用瞬变电磁法勘探技术在原地形对采空区进行探测，既不影响矿山日常生产，又能查明采空区范围，为矿山安全生产[2]提供一定的技术支撑。

1 矿区概况

哈尔乌素露天煤矿隶属国家能源集团有限公司，位于内蒙古自治区准格尔煤田中部，20 世纪中期至21 世纪初，陆续在哈尔乌素露天煤矿矿区范围内建矿开采煤炭，由于当时采用较为落后的井下爆破开采工艺，再加上地下开采规模有限，采空区大多数以未完全塌陷的充水、充气、水气共存的半充填状态存在。

为提高煤炭资源回收率，有效利用不可再生煤炭资源，矿区内原有小煤窑于2005 年之前均已依法关停。目前，哈尔乌素露天煤矿上部剥离台阶即将进入大阴塔小煤窑采空区上方作业，按照“有疑必探，先探后采”的既定原则，采用瞬变电磁探测技术，提前查明采空区范围，为采空区安全生产提供保障。

2 瞬变电磁地球物理勘探原理

瞬变电磁法（TEM）[3]是电磁感应类探测方法之一，它遵循电磁感应原理，其机理就是导电介质在阶跃变化的电磁场激发下而产生的涡流场效应，即利用1 个不接地的回线或磁偶极子（也可以用接地线源电偶极子）向地下发射脉冲电磁波作为激发场源（习惯上称为“一次场”），根据法拉第电磁感应定律，脉冲电磁波结束以后，探测目标在激发场（即“一次场”）的作用下，其内部会产生感生的涡流。人们虽然不能直接测量这种涡流的大小，但是可以利用专门仪器观测这种涡流产生的电磁场（称为“二次场”[4]）的强弱、空间分布特性和时间特性。

一般来说，探测目标的几何规模越大、埋藏越浅、导电性越好则二次场的信号越强、持续时间越长，反之，探测目标的几何规模越小、埋藏越深、导电性越差则二次场的信号越弱持续时间越短。通过观测和研究“二次场”的空间分布特性和时间特性，可以推测解译地层或目标体地质的几何和物性特征[5]。

3 探测过程

3.1 设计工作量与技术措施

1）设计工作量。哈尔乌素露天煤矿大阴塔采空区采用瞬变电磁法探测，设计测线线距50 m，测线18 条，点距5 m，测点2 900 个。

2）严格按国家煤炭工业局2000 年颁发的MT/T 898—2000 煤炭电法勘探规范、DZ/T 0187—2016 地面磁性源瞬变电磁法技术规程和原煤炭工业部制定的《煤炭资源勘探工程测量规程》及设计进行，严格按ISO9001:2008 质量认证体系要求施工[6]。

3）收集了本区及邻区生产补充勘探钻孔资料及各种水文地质资料，充分利用邻区的勘探方法，做到心中有数，有利于对电法勘探分辨率的分析，对施工参数进行合理的选择[7]。数据的采集，首先应进行测量工作，对每个测点的高程进行实测，当观测点位置确定后，确定仪器因素，主要试验工作是仪器的稳定性及施工参数试验，最终确定适合本次电法勘探的施工参数。

3.2 数据处理过程

当日采集的原始数据用专业软件打印出野外采集原始单枝衰减曲线进行验收评级，并计算其对应的视电阻率。

1）常规处理。对验收合格的原始资料，应用计算机计算各测点的视电阻率值，并绘制视电阻率断面图，做为下一步定性分析和定量解释提供基础图件。

2）预处理。对验收合格的原始数据，及时进行了预处理，根据数据评级的结果，对信噪比较低的数据进行了滤波，对干扰严重的数据道进行了剔除，并将数据格式进行了转换，将原始数据转换为处理软件处理的格式，为下一步工作打好基础。

3）地形校正。地形影响在TEM 剖面图上显示为视电阻率走势和地形趋势相似，“逢沟必低”现象显著。为了避免与减小地形影响、取得良好的校正效果，采用钻孔标志层深度刻度的方法来进行单点系数法校正。首先利用GRAF 和SURFER 软件绘制定性图件视电阻率拟断面草图，然后针对个别受干扰点进行滤波、圆滑或剔除处理，接着根据生产勘探钻孔资料对断面图中的标志电性层位进行标定刻度，对不符合电性层位规律的进行校正，最后生成视电阻率断面图，用于后续图件编制和各目的层采空区的分析和解释。

4 数据解译

针对本次地面瞬变电磁勘探目标，根据瞬变电磁的视电阻率数据，分析其变化规律，结合区域水文地质及已知钻孔资料，综合分析对比，解释确定主要煤层的采空范围[8]。

4.1 定性解译

依据瞬变电磁方法及理论，以物性为前提，结合地质、钻探及其它物探方法等进行。根据剖面曲线特性以及相应的平面特征，进行定性解译。

1）正常场的确定。正常场的确定本身就是一项解释，一般选择地层分布均匀、裂隙不发育、影响因素小的地区，选择瞬变响应衰减迅速、规律性好、相同规律范围大的曲线作为背景场。

2）异常场的分析及确定。分析确定正常场，对比分析断、剖面图及视电阻率等值线平面图特征，查明异常轴、确定异常带；根据地质地形图以及野外记录，剔除干扰异常，比如输大型车辆、矿用导电电缆、高压线等电力设备；仔细分析异常带，辨别出覆盖层不均匀性引起的异常、断裂构造异常和含水层含水有关的异常；根据异常特征，结合探测区异常的剖面及平面分布特征，和异常产状在地质上的可能性，综合分析解释，然后确定异常场。

3）电性解释与综合地质分析相结合。充分研究目的层、目标物及相关地层对应物性标志，同时进行点线面对比解释，并注意各标志纵横向联系。对获取的单支曲线、物性参数剖面进行数据处理，分析各种地质特征在图件上所表现出的特征。

4.2 定量解译

对采空区的解释不仅从定性图件上进行分析，而且要结合单点数据和单枝衰减曲线进行定量解译。采用定性图件和已知地质资料分析煤层采空情况，结合计算的视电阻率和已知钻孔资料，提高解释精度。以S16 线为例分析，S16 线视电阻率断面图如图1。

图1 S16 线视电阻率断面图

从图1 中可以看出，视电阻率值电性分层明显。上部地表埋深在50 m 以内空白部分是瞬变电磁探测的盲区；浅部埋深在1 050 m 以浅，视电阻率值相对较低、视电阻率值由浅到深依次递增，分析是二叠系砂泥质沉积及碎屑岩沉积层。岩性上部以泥岩、砂质泥岩、泥质砂岩、砂岩为主；下部以粗粒砂岩、含砾粗粒砂岩、细砾砂岩为主。埋深在1 050 m 以下，是石炭系太原组地层，岩性以砂岩、中、粗粒石英砂岩及煤层组成，视电阻率值相对升高，是本区最主要的含煤地层。

4.3 综合解译

本探测区位于哈尔乌素露天矿首采区，其含煤地层为山西组和太原组，太原组是本区主要含煤地层。区内主采煤层共计2 层，其中5#煤层局部可采，6#煤层全区可采。本次主要对6#煤层小煤窑采空区分布形态进行探测分析。

探测区内的含煤地层主要为山西组及太原组，煤层稳定性较好。相对于围岩来说，低密度、较高电阻率的煤层，与围岩的物性差异显著。电法对煤层采空区的解释依据为物的电性差异，地下煤层采空后，固有物性变化规律将被打破，导致采空区与周围岩层差异突出。不含水，则采空区表现为高电阻率特征；积水，则电性相对较低。正是这种电性的变化，使采空区表现出与周围岩层有较大差异。

电法资料的解释推断遵守从已知到未知、从点到面、从简单到复杂、从局部到全区的原则，通过观测和研究“二次场”的空间分布特性，推测解译地层或地质目标体的几何和物性特征。结合视电阻率断面图综合分析采空区的分布形态。本区所有瞬变电磁测线均绘制了视电阻率断面图。

S17 线视电阻率断面图如图2，图中在17＃～35＃号点、75＃～96＃点之间，埋深在6#煤层附近，视电阻率值相对较高，视电阻率等值线分布不均，分析是由于煤层的采空，破坏了地层电性在横向上的均一性，导致视电阻率值变化起伏较大，且分布不均匀，是典型的采空区的电性反映，将其划分为疑似采空区段。

图2 S17 线视电阻率断面图

S10 测线的视电阻率断面图如图3。图中在51#～60#点、83#～120#点之间，埋深在6#煤层附近，视电阻率值相对较高，视电阻率等值线分布不均，是典型的采空区的电性反映，结合野外施工的实际情况，施工期间，在此区间段施工车辆过往频繁，且无法避让，给野外施工造成很大的干扰，所以此区间段不排除是受干扰引起的高阻异常区，故将其划分为解释异常区。在160#～214#点之间的区段，视电阻率值较低，视电阻率等值线分布异常，结合实际情况，分析是由于地表存在高压电缆网，在电缆网附近受其干扰造成的低阻异常区。

根据各测线视电阻率断面图及目的层所对应的瞬变电磁采样道（深度），抽取目的层位的视电阻率值作顺层平面图，然后对比视电阻率断面图的电阻率变化情况，并结合已知水文地质及野外调查资料，初步划分了6#煤层疑似采空区范围。根据视电阻率变化情况并结合已知水文地质资料及野外调查资料综合分析，初步划分了6#煤层疑似采空区范围，其中将视电阻率值大于400 Ω·m 划分为6#煤层疑似采空区域；将受干扰区域划分为解释异常区[9]。

图3 S10 线视电阻率断面图

4.4 数据解译成果分析

探测结果采空区平面分布图如图4。

图4 探测结果采空区平面分布图

本次地面物探经过紧张有序的野外施工，圆满完成了本区相关合同及设计中提出的工作量。在施工过程中，严格执行了《煤炭电法勘探规范》、《地面磁性源瞬变电磁法技术规程》等相关要求，确保原始数据可靠。经统计，本区实际完成测线17 条，完成瞬变电磁物理点3 000 个；完成勘探面积6.5 万m2。在资料整理、分析和解释过程中，尽可能收集以往区内、邻区的地质、钻探、水文资料，经过对原始数据进行详细处理后，获得终了解释图件。初步划分出6#煤层疑似采空区及解释异常区的分布范围，勘探范围内解释6#煤层疑似采空区2 个区块，疑似采空区1 面积约38 892 m2，可靠程度为较可靠；疑似采空区2 面积约10 255 m2，可靠程度为较可靠，分布在测区南部及东部勘探范围边界附近。受测区内地表地物及施工车辆的干扰影响，解释6#煤层异常区2个区块，异常区1 面积约5 826 m2，可靠程度较差；异常区2 面积约57 966 m2，可靠程度较差，分布在测区的中部及中南部区域。

5 结论

1）采用地球物理勘探方法探查煤矿采空区，是煤矿采空区安全治理的一项重要工作，瞬变电磁法是煤矿采空区探查行之有效的方法之一。

2）基于瞬变电磁法对哈尔乌素露天煤矿大阴塔采空区分布范围进行了研究。分析结果表明：探测区6#煤东南部2 个区块电阻率变化异常，可能存在采空区。

3）根据《煤矿地质规定》中“保障安全”的原则，需对圈定出电阻率异常的区域，采取必要手段进行验证，确保矿山安全生产。