大定源回线装置瞬变电磁法在浅层煤矿采空区勘查中的应用

李正，庞成宝，高晓丰，谭秀全，窦文童

(1.山东省鲁南地质工程勘察院,山东省地勘局第二地质大队，山东 兖州 272000；2.山东省物化探勘查院，山东 济南 250013)

0 引言

随着城市建设的发展，土地资源日益紧张，煤矿采空区土地成为可持续发展的重要资源，地下采空与地上建设间的矛盾也日益尖锐。为了缓解这一矛盾，需对采煤塌陷形成的源头——“地下采空区”开展调查及稳定性评价工作[1]。在搜集资料和分析研究的基础上，采取物探、钻探及岩石力学试验等工作手段，开展采空区勘查工作，并依据勘查工作成果结合城市规划功能分区完成采空区适宜性评价工作，为城市规划区内土地资源的开发利用提出合理化建议。

瞬变电磁法是物探技术中电磁法常用手段之一[2-3]，具有成本低、体积效应小、横向分辨率高、与探测目标体耦合性佳等显著特点[4-7]，被认为是探测煤碳采空区位置最佳物探方法之一。自20世纪30年代以来，瞬变电磁法被提出并应用于地质勘探，基本建立了瞬变电磁法野外施工的方法技术和资料处理与解释的理论。我国在上世纪末开始了瞬变电磁法的相关研究，进行了大量科研工作。近20年，瞬变电磁法进入了高速发展和广泛应用阶段。2007年，王庆乙提出瞬变电磁法的探测深度主要取决于激励源基频的大小，基频越低，周期越大，能探测到的深度越大[8]。2013年，吴信民等提出了瞬变电磁法理论探测深度的概念，具体是指在各种假设条件下，从理论上计算出能够有效分辨地质异常体的最大深度[9]。2017年，蒙超对大回线瞬变电磁法应用于浅层探测进行了研究，通过正演模拟，说明晚期时间道信号包含浅部地层的地质信息，瞬变电磁法没有理论勘探盲区，并进行了浅层探测试验，取得了一定的效果[10]。

本文基于前人的研究，为查清浅层煤矿采空区的展布及规模，使用大定源回线瞬变电磁法在研究区地面进行实际施工测量，分析处理测得的数据后可以较直观地反映地质情况并做出判断，为进一步指导钻孔布设和开展岩石力学研究提供必要的参考信息，实践取得了较好的效果。

1 工程概况及勘查方法

1.1 工程概况

研究区域位于鲁西南平原地区，面积0.072km2(300m×240m)，物探勘查工作的主要任务是查明研究区内煤矿采空区目标工作面上形成的老采空区的分布情况，根据勘查结果，结合钻孔目的推荐钻孔位置。

1.1.1 地质概况

研究区内大型断裂构造不发育，含煤地层赋存较浅，全区含煤地层几乎都直接隐伏于第四系下。第四系岩性以黏土、黏土质砂为主，层厚120.65～169.64m，平均145.36m。第四系以下的主要煤系地层有侏罗纪淄博群三台组、石炭-二叠纪月门沟群山西组、太原组、本溪组，其下为奥陶系灰岩。

研究区主要开采煤层为16上煤层。相关地质资料显示，该煤层厚一般0.55～1.64m，平均1.19m，为薄煤层。有夹矸0～2层，厚度0.02～0.17m，岩性为泥岩、黏土岩、黄铁矿、炭质砂岩、炭质泥岩，煤层结构较简单，属可采稳定煤层。16上煤层位于太原组下部，上距15上煤层31.70～46.76m，平均40.29 m。顶板为石灰岩，局部相变为泥岩、黏土岩，局部有泥岩伪顶，底板一般为黏土岩，局部相变为粉砂岩、泥岩。研究区内未发现岩浆侵入活动。

1.1.2 地球物理特征

研究区附近第四纪岩性主要为碎屑沉积岩，电阻率一般在10～30Ω·m；中生代侏罗系主要岩性为砂岩、泥岩，其电阻率值一般在25～60Ω·m，石炭-二叠系主要岩性为砂岩、泥岩，夹灰岩及煤层，其电阻率值一般在25～150Ω·m；奥陶纪灰岩电阻率最高，一般在200Ω·m以上(表1)。

表1 研究区域岩矿石物性参数

因此，勘探研究区内地层大致可划分为3个电性层，第1个电性层为第四系低阻地层；第2个电性层为石炭—二叠系中低阻地层；第3个电性层为奥陶系高阻地层。

1.1.3 采空区解译依据

未进行煤矿开采的位置，地层电阻率剖面基本反映地层分布情况，等值线横向上连续，变化较平缓，基本呈现层状，局部起伏，波动较小。

煤矿开采后，形成采空区，并在煤矿采空区上部发育垮落带、裂隙带、弯曲带，为采空区影响带[11]。地电场在采空区及其影响带区域形成畸变，表现出与原生煤系地层不同的电性特征，是利用瞬变电磁法进行煤矿采空区探测的地球物理前提[12]。当采空区及其影响带充水时表现为电阻率降低，当其为不充水的空洞时则表现为电阻率值相对升高。当采空区空间规模较大时，采空区异常表现为闭合的低阻或高阻异常区域；当采空区空间规模相对较小，尤其是薄层开采区域，采空区异常表现为电阻率等值线的上下扰动。

研究区内开采的煤层厚度相对于赋存深度一般较薄，同时底板发育泥岩、黏土岩等低阻地质体，物探资料不一定能分辨出采空区，但可根据采空区形成机理，推断采空区的大致分布。当然，这是通常意义上的电阻率相对变化。通过物探勘查手段，获取数据并绘制电阻率拟断面图可推测出地下是否存在采空区，并进一步推测采空范围及其是否存在充水、充填、塌陷等现象[13-14]。

1.2 工作方法简述

1.2.1 瞬变电磁法

瞬变电磁法属于时间域电磁感应法，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电磁场[15-17]。通过对二次场的测量记录获得野外原始数据，经过室内处理后，可以得到地电模型，进而解决相关地质问题。

在本次瞬变电磁法野外工作中，使用仪器为加拿大Geonics公司产PROTEM 67D瞬变电磁仪[16]，采用大定源回线装置，大定源回线装置布设大线圈作为发射线框，在发射回线内部，使用接收探头接收电磁信号。大定源回线装置受地面物体影响较小，只需布设大线框就可以测量线框内部很多点，能够在完成地质任务的前提下，提高工作效率。

经过产前实验分析，野外施工参数为：采样道数30道，采样频率6.25Hz，积分时间30s，采用300m×240m矩形发射框得到的数据较好，并能满足地质任务的基本要求。

1.2.2 工作布置

根据设计要求，结合研究区现场施工条件，本次采空区瞬变电磁法勘查主要布设测线7条，设计测线方位角90°，即东西向(图1)。测线距40m，测点距20m，测线长度约300m。采用南方测绘产的RTK银河1接收机进行测量放点等测地工作。

1—煤层底板等高线；2—断层；3—勘探孔;4—村庄;5—瞬变电磁法测点及编号;6—研究区范围

2 数据处理与分析

2.1 瞬变电磁法相关参数计算

瞬变电磁法观测数据是各测点各个时窗的瞬变感应电压，需换算成视电阻率、视深度等参数，以便对资料进行解释[12-13,15,17]。相关研究提出的计算瞬变电磁法视电阻率的方法有许多[18-20]，但是各种计算方法众说纷纭，没有统一评判标准，这也是制约瞬变电磁勘探方法发展的原因之一。本次数据处理与计算过程中主要利用了水平导电薄层的瞬变电磁场推导的晚期视电导率计算公式。

晚期视电导率Sτ计算公式为：

(1)

视深度hτ的计算表达式为：

(2)

式中：t—时窗时间，A—发射回线面积，I—发射电流，q—接收线圈的有效面积，μ0—真空中的磁导率，V(t)—感应电压。V(t)/I—归一化感应电压，d(V(t)/I)/dt—归一化感应电压对时间的导数。

2.2 数据处理

野外采集的数据处理前，首先对其逐点进行整理或预处理，即检查数据质量，剔除严重干扰的跳点数据，再对各测点数据进行滤波，以滤除或压制干扰信号，恢复信号的变化规律，突出有效信息，再利用数据处理软件反演计算得到视电阻率和视深度等参数，在此基础上，根据有关测量、地质和钻探等资料再做必要的地形校正和高程校正等处理，最后将所得数据以等值线断面图的形式绘制出来，这些图件即是后期资料分析解释的基础材料。

2.3 断面异常分析

从整体上看，各测线的视电阻率变化规律大致为先低阻，然后随着深度的增加先降低而又逐渐升高，浅层第四系电阻率相对较低，一般低于70 Ω·m，中部石炭-二叠系为泥岩、砂岩层，电阻率较浅层相对升高，约60～130Ω·m，深部的奥陶系灰岩地层，电阻率更高，一般大于150Ω·m。

图2为测区820测线瞬变电磁测量处理视电阻率拟断面图及解译成果。测线位于测区南部，电阻率由浅至深大体呈“低—中—高”的变化趋势。各地层的电阻率横向上连续较好，地层倾角较小，一般在6°以内。推测第四系底板高程在-100m左右，石炭二叠系与奥陶系灰岩的分界在-250m左右。研究区位于背斜的南翼，地质情况较简单。在测点8240～8280之间，高程-250～-350m之间，电阻率存在向下的弯曲，推测为奥陶系灰岩裂隙发育所致。测线断面图上16上煤高程在-170m左右，未发现明显的采空区异常。由此，测线820电阻率断面可作为该研究区的背景电阻率认识识别。

图3为测区940测线瞬变电磁测量处理视电阻率拟断面图及解译成果。测线位于820线北侧120m处，与820线相比，纵向上电阻率拟断面图由浅及深大体呈“低—中—高”的形态变化，趋势上基本相同，地质情况也变化不大,16上煤的煤层位置高程为-170m。横向上看，测点8220～8420处，高程-170m，电阻率存在上下扰动现象，变化在15 Ω·m左右，在测点8360左右，高程-200m上下，异常向下拉升，电阻率明显下降，结合已有资料推测为采空区异常反映。

1—第四系(Q)与石炭-二叠系(C-P)地层分界线；2—石炭-二叠系(C-P)与奥陶系(O)地层分界线；3—煤层位置

1—第四系(Q)与石炭-二叠系(C-P)地层分界线；2—石炭-二叠系(C-P)与奥陶系(O)地层分界线；3—煤层位置；4—圈定采空区异常区域

图4为测区1020测线瞬变电磁测量处理视电阻率拟断面图及解译成果。测线位于820线北侧约200m处，与820线相比，纵向上电阻率趋势上大致相同，地质情况也变化不大，16上煤的煤层位置高程为-165m。横向上看，煤层位置上8240～8360测点处，电阻率等值线存在向下弯曲的趋势，测点8300处电阻率相对邻近测点升高，电阻率扰动大约10Ω·m，异常向下延伸至-250m上下，为异常向下拉伸反映。结合已知的其他资料，推测此处异常为采空区异常反映。

1—第四系(Q)与石炭-二叠系(C-P)地层分界线；2—石炭-二叠系(C-P)与奥陶系(O)地层分界线；3—煤层位置；4—圈定采空区异常区域；5—钻孔编号及位置

3 成果验证

图5为研究区瞬变电磁法解译成果平面图。依据各测线的解译成果，在平面上圈定了推断解释的采空区分布范围。结合煤矿相关开采、核实等资料，除采空区边界部分有所出入外，推断解译成果与11605采煤工作面位于研究区内的部分基本吻合，推断成果基本可靠。结合相关的地质资料、采煤塌陷地监测资料及钻孔施工目的等情况，确定了研究区内钻孔ZK01位置(图4、图5)，位于1020测线8360测点附近。由于该钻孔主要为取得采空区影响带范围的计算参数，位置选于采空区边角或留设煤柱区域内。

由录井资料可知，144m深度以浅，岩性主要为黏土、粉质黏土、细砂、中砂等，144～191m深度，岩性主要为砂岩、泥岩等，在196.55～197.85m，204.15～205.30m深度为2层煤，中间夹约6m厚泥岩，煤层破碎，未见开采痕迹，为留设煤柱。在推断解译图上，144m深度以浅地层视电阻率小于70Ω·m，推测为第四系覆盖，电阻率特征基本吻合。144m深度以下，电阻率大于70 Ω·m，推测为石炭-二叠系地层，主要岩性为泥岩、砂岩夹煤层，钻孔揭露情况与推断解译基本吻合。钻孔ZK01位于留设煤柱位置，煤层未开采，但岩石存在一定的破碎情况，为采空区影响区域。

1—煤矿采掘平面范围；2—钻孔位置；3—圈定采空区异常区域；4—瞬变电磁法测点

4 结论

本次瞬变电磁法勘查快速获得了研究区浅部至中深度地层的电性信息,较好地解决了采空区探测等地质问题，取得了较好的探测结果。

(1)工程实例显示，在浅部薄煤层开采区域，采空区空间规模相对较小，瞬变电磁法视电阻率异常在断面图上多表现为视电阻率等值线的上下扰动。

(2)浅层煤矿采空区勘查实践表明，瞬变电磁法在解决浅部煤矿采空区位置分布及深度问题上效果明显，这取决于瞬变电磁仪的高灵敏度特点、合理的技术参数、严格规范的野外施工和精细的数据处理等因素。

(3) 瞬变电磁法在诸多方法中，对煤矿采空区的探测具有独特的优势，是一种经济、快速、行之有效的地球物理方法，随着研究发展, 瞬变电磁技术在煤矿采空区勘查中的应用会更完善、更广泛。

致谢：感谢审稿专家提出的修改意见，感谢柏学成、张荣隋高级工程师在项目工作中的指导和建议！