平朔矿区采空区电法勘探技术

陈再明，罗 霄,，殷志祥，李 文

（1.辽宁工程技术大学 矿业学院，辽宁 阜新 123000；2.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；3.煤炭科学研究总院 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013）

0 引言

在所有的勘探方法当中，钻探作为一种最直观、最有效地方法得到了极大的广泛使用，但由于施工周期长、成本高（假设钻探布置密度较高，每平方千米的钻探造价可达上千万元），现场勘探应用受到一定限制.而物探方法施工周期短、成本低（如电法、地震等方法），在平朔矿区采空区及富水区的探测中具有一定优势，但每种方法都有适用条件，也存在多解性[1-2].如何通过多种勘探方法的试验来确定适用条件，减少多解性，是一个非常有意义的研究问题[3-4].本文以平朔露天矿区安家岭的小煤窑采空区为探测试验区，分析适用于平朔矿区的电法勘探技术，采用瞬变电磁法、直流电法、可控源音频大地电磁法等电法勘探技术进行探测试验，优化探测技术体系，进行成果分析总结，确定电法勘探在平朔矿区的可行性，为类似矿区勘探工作提供一定的参考依据.

1 电法勘探技术优选

就目前技术发展现状而言，适合于煤矿采空区及富水区探测的电法勘探方法常用的有：瞬变电磁法（TEM）、瞬变电磁法多分量技术、可控源音频大地电磁法（CSAMT）、直流电法、高密度电法等技术和方法，这些方法适用于各煤田不同情况[5-7].各技术方法主要优缺点见表1[8-21].

表1 电磁法勘探技术方法优缺点Tab.1 advantages and disadvantages of electromagnetic exploration technology

平朔矿区正好位于中国的黄土高原地区，气候较为干燥，降雨量偏少，地表为干燥黄土覆盖层，且平朔矿区整体地形较差，沟谷纵横，其黄土成分较为特殊，含粘土少，含粉砂多，胶结疏松，柱状节理和垂直裂隙发育，造就了奇峰、陡壁、塌陷洞、天生桥等黄土高原特有的地质现象，使沟壑以及裂缝加剧下切和侧蚀，地表地形起伏较大；平朔矿区部分露天矿排土场的土方堆积以及开挖也会对周围地表地形产生较大影响，在露天矿坑开挖处可形成较为平坦的地形，并减少了探测目标层深度.另外，露天矿坑一般大车来往频繁且电力设施较多，造成矿坑部分区域形成电磁干扰区.由于平朔矿区地电条件的多样性，电法勘探方法的选择对勘探效果影响很大.结合平朔矿区地电条件及物探方法适用性总结了适合平朔矿区的综合电法勘探技术体系：

（1）平朔矿区黄土高原沟壑、开挖矿坑及土方堆积较多，地形起伏较大，瞬变电磁法受地形起伏影响较小，可以作为平朔矿区采空区及积水区勘探的主要技术手段.

（2）平朔矿区采空区埋深一般在150～250 m，属于浅-中深埋深，可控源音频大地电磁法可作为中深部采空区探测的一种补充勘探手段，拓展采空区探测深度，并可解决下组煤采空区及多层采空区探测问题.

（3）在平朔矿区部分露天矿已剥离形成宽阔平坦的台阶区域以及电力干扰严重的区域，可采用直流电法探测浅部采空区，实现上组煤采空区精细探测，并可解决电磁干扰区采空区探测问题.

2 电法勘探技术试验

在总体确定平朔矿区探测技术的前提下，试验工作进一步确定最佳的观测参数，分别选择瞬变电磁法、直流电剖面法和可控源音频大地电磁法对探测采空区及巷道的有效性进行验证.

2.1 瞬变电磁法

为获得充足的试验数据，分别进行了发射线框、发射频率、发射电流的试验工作.各个试验工作都用同一条线上试验点，以达到最理想的试验效果[8-13].

（1）发射线框试验

发射线框边长会直接影响勘探深度，在相同频率下，线框边长越大，探测深度越深.试验发射线框选用150 m×150 m、200 m×200 m、240 m×240 m、300 m×300 m、360 m×360 m这5种发射线框进行试验，见图1.

图1 不同边长发送线框试验示意Fig.1 send wire frame test with different side length

图2为不同边长发射线框单点试验原始衰减曲线，可以看出150 m×150 m和200 m×200 m这2种边框的电压衰减较快，7 ms以后信号干扰较大，基本上为噪音信号，勘探深度有限，深部信息反映能力差.240 m×240 m、300 m×300 m、360 m×360 m这3种边框电压衰减曲线基本一致，衰减时间均超过10 ms，基本上能达到本次试验区的测深要求.为兼顾工作效率，本次最终选择240 m×240 m的边框作为方法的测量参数.

图2 不同发送线框试验的单点原始衰减Fig.2 single point attenuation of different transmission wireframe tests

（2）发射频率试验

发射频率高低可以反映发射信号与地质体的耦合程度，高频率与埋深较浅的地质体耦合程度较好，低频率则与较深地质体耦合程度好.共选用4 Hz、8 Hz、16 Hz、32 Hz这4种频率进行了试验.

图3 不同频率试验单点原始衰减Fig.3 single point attenuation for different frequency tests

图3为不同频率单点试验衰减曲线，32 Hz和16 Hz频率的衰减时间较快，6 ms以后的信号基本无法使用，而4 Hz在8 ms以后信号干扰严重，有效衰减时间过短，均无法满足试验测深要求.8 Hz衰减曲线后期道干扰少，衰减曲线圆滑，有效衰减时间达10 ms.因此，本次发射频率选择为8 Hz.

（3）发射电流试验

发射电流的强弱确定整个发射信号的强弱，在其他参数相同时，较大电流可以获得较深的地质体反映信号，较小的电流则获得较浅地质体的反映信号.同时发射电流的选择一要考虑所发射的电流能够持续长时间的稳定，二要考虑场区内的干扰因素，所发射的电流要有足够的抗干扰能力，能保证取得良好的原始数据.本试验共选用了5 A、10 A、15 A这3种电流进行了试验.

图4 不同电流试验单点原始衰减Fig.4 single point attenuation for different current tests

图4为不同电流单点试验衰减曲线，当发射电流为5 A时，信号强度低，6 ms以后衰减曲线干扰信号严重，有效衰减时间变短，10 A、15 A衰减曲线基本一致，有效衰减时间达到10 ms.兼顾仪器工作性能，最终选择10 A作为本次试验工作发射电流.

2.2 可控源音频大地电磁法

根据本方法的特点，主要进行了收发距的试验工作，结合类似地区的经验，分析本试验区测点网度以及探测目标物大小，试验过程中选择的观测装置参数为MN=10 m，测点距为2～5 m[14-15].

在CSAMT测量中，均匀大地表面观测的水平电场（Ey）和水平磁场（Hy）分别按收发距（R）的1/R3和1/R2进行衰减，当收发距太近时，将使接收的信号过早地进入近区，达不到测深要求，反之，若收发距太大，则信号强度太弱，难以压制噪音，使接收数据质量下降.为确保一定的信号强度和项目地质任务的测深要求，本次共进行了2.5 km、3.5 km、4.0 km、4.5 km这4个收发距条件试验工作.

图5为试验区不同收发距条件试验结果的卡尼亚视电阻率图，当R为2.5 km和3.5 km时，仪器观测数据稳定，单点测深曲线圆滑、无畸变点，说明仪器接收的信号强，能压制电磁干扰信号，但R为2.5 km时的测深结果比R为3.5 km提前2个频点进入近区；当R为4.0 km和4.5 km时，由于信号强度明显变弱，其测深曲线在频点256 Hz均出现明显的跳动，且与R为3.5 km时均在180 Hz进入近场区，而处于远场区的频点数并没有增加.根据试验结果分析，本次收发距选择3.5 km时，总体测量效果较好，且所观测的大部分频点处于远场区，能满足本次试验的测深要求.

图5 不同收发距卡尼亚视电阻率值Fig.5 apparent resistivity values of Kania at different receiving and sending distances

2.3 直流电法

本次试验采用三极电剖面装置，设计无穷远极OC=1 000 m，MN=25 m，分析AO=270 m和AO=250 m的探测效果，其中A为供电电极，C为无穷远极，M、N为测量电极，O为M、N电极中点[19-20].

图6 电剖面原始数据Fig.6 raw data of electrical profile

图6为AO选择250 m和270 m时的直流电剖面图，其中绿线为250 m时电阻率剖面线，蓝线为270 m时电阻率剖面线，在剖面平距155 m处（红色虚线位置）相应的探测深度位置，2条电剖面均出现了视电阻率高异常显示，与试验线已知高阻异常位置基本吻合，说明不同AO距离对直流电法影响较小.

3 电法勘探现场应用

通过单点试验，瞬变电磁法和可控源音频大地电磁法均针对平朔矿区试验形成合适施工参数.直流电法也进行了技术试验，但直流电剖面法在一定理想的条件下，对采空区及巷道的反映也较明显，但其对地形以及接地要求很高，由于现场探测区域总体地形较为复杂，部分地段被剥离土场回填，均影响直流电剖面法的施工效果，故在本次现场工作原则上不考虑使用该方法[21].

3.1 瞬变电磁法

通过点试验，最终选择的瞬变电磁采集参数为发射边框长度240 m×240 m，发射频率8 Hz，发射电流10 A.遵循从测点到测线再到工作面的原则，通过点试验选定了采集参数后，随即进行了测线和区域的试验.根据试验区地电结构特征，对获得的成果选择了反演程序中适宜的参数进行了反演处理，并获得了各条剖面的反演视电阻率剖面图以及试验区的水平切片等值线，见图7.

图7 典型瞬变电磁法试验线视电阻率剖面Fig.7 typical transient electromagnetic method test line apparent resistivity profile

图7为试验区L01线、L11线瞬变电磁试验视电阻率剖面图，剖面纵向明显反映了地电结构层，上部海拔标高1 150 m～1 300 m主要表现为中阻特征，部分地带夹团块状低阻封闭圈.下部海拔标高1 000 m～1 150 m之间主要表现为高阻特征，部分地带夹团块状高阻.图中L01线155点海拔1 035 m和L11线145点海拔标高1 060 m处的两个团块状高阻异常体推断为采空巷道反映.

图8 瞬变电磁法试验反演视电阻率水平切片Fig.8 transient electromagnetic method test inversion of apparent resistivity horizontal slice

图8为试验区瞬变电磁反演视电阻率海拔标高1 030 m～1 080 m的平面切片等值线图，各平面图上的红色虚线为推断的巷道分布位置.由图8可见各平面切面等值线图均表现为中阻以及团块高阻为特征，且每个切面均在坐标点X等于485 020～485 220、Y等于4 367 700～4 367 707之间出现了明显的较为连续的串珠状高阻体，与图7剖面反映的特征基本一致，其剖面、平面位置及深度与试验结束后矿方提供的已知采空巷道位置基本吻合.

3.2 可控源音频大地电磁法

通过点试验，最终选择的CSAMT参数为收发距为3.5 km，MN为10 m，测点距为2～5 m，由点到线采用这些参数进行测线剖面应用，对试验获得数据进行反演后得到了视电阻率剖面图.图9为典型测线L01线、L02反演视电阻率剖面图，总体上分析两条剖面在电性上有一定的相似性，即在标高1 150 m以上视电阻率等值线起伏较大，这与浅部地层的不均匀特征有关，但从1 150 m向下总体上视电阻率等值线呈水平特征展布，在剖面距离155 m处、标高1 080 m～1 040 m范围内视电阻率等值线均发生明显的扭曲变形，在垂向上出现了明显的波动特征，结合已知地质资料分析，推断这两处高阻异常为同一采空区巷道反映，与矿方提供巷道位置吻合.

图9 典型CSAMT法反演视电阻率剖面Fig.9 inversion of apparent resistivity profile by typical CSAMT method

4 结论

根据平朔矿区特点及物探方法适用性，初步筛选出适合平朔矿区的电法勘探方法，然后通过单点试验，进行了施工参数优化，并将优化后参数应用到平朔矿区采空区探测中，取得了较可靠的效果.主要成果如下：

（1）根据平朔矿区特点及勘探适用条件，优选确定一套适合平朔矿区的电磁法探测体系：瞬变电磁法探测平朔矿区采空区及积水区为主，可控源音频大地电磁法辅助探测中深部及多层采空区，直流电法辅助探测强电磁干扰及矿坑台阶区域的浅部采空区.

（2）经过现场试验，优化了平朔矿区电法勘探施工参数，可以满足平朔矿区中、深采空区的勘探采集数据质量要求；通过瞬变电磁法和可控源音频大地电磁法剖面图、切片图等成果图均圈定并推断出采空巷道，与试验后矿方提供的巷道位置对应较好，试验施工参数为平朔矿区采空区勘探提供了较可靠参考依据.