瞬变电磁法在露天矿采空区探测中的作用研究

王学知

（甘肃铁道综合工程勘察院有限公司，甘肃 兰州 730000）

瞬变电磁法是一种具有时间域特征的电磁感应法，其在应用阶段就是工作人员结合实际的磁场情况，将探测的具体目标和不同围岩介质有机结合起来，并妥善处理电阻率值存在的差异性。经过大量的实践和探索中发现，在探测露天矿采空区实践中发现，填充介质和围岩电性之间形成的差异对电阻率属性起到决定性作用，在完全干燥或少许充水的工况下，空气作为唯一的填充介质，和其他类型的围岩介质相比较，其呈现出高电阻率特性；但是在水分含量较高时，鉴于水流整体的电阻率处于较低水平，此时和常规矿层围岩相比较，采空区的电阻率整体偏低、采空区自身具备的如上属性为瞬变电磁法应用过程创造了良好条件。

1 项目概况

某矿企为进行升级改造，综合应用瞬变电磁与电场岩性探测等地球物理法综合勘察、探测矿区。共计探明工况采空区的物理测线39条，测量点位3020个，瞬变电磁探测点3020个。希望能通过勘探过程找到采矿区域的分布位置，进而为后期治理工作开展提供真实、全面的数据依据，也能为相似矿区探测项目推进提供可靠的经验参照。

本矿区没有地表水体，发育阶段形成了大小不等的沟谷，日常时候经常处于干枯状态，没有水分滞留，只是在雨季出现间歇性流水，并且会聚集到东碾河再向西流进汾河。晋北井田中布设了5个水文孔(ZK002 、ZK605、补2#、补8#、、补11#)，经过抽水试验后，发现奥灰岩溶内水层的富水能力处于较高水平，水位标高是1257-1268m，井田中西部大多数可采矿层位居奥灰水水位以下，利用属带压完成开采任务。石炭系碎屑岩夹碳酸盐类岩没有发育，富水性相对较差，风化对浅部状态形成较大影响，，裂隙及岩溶均表现出较发育，富水性相对较好。解读补11#水文孔抽水试验阶段形成的资料，太原组水位标高1375.50m，单位涌水 0.0015L/（s·m），富水能力相对较差[2]。

二叠系之下的统山西组、下石盒子组泥岩厚度值相对较大，层位的整体稳定性处于较高水平，被定义成矿系地层与上覆含水岩组之间形成的主要隔水层。在正常工况下，本溪组对奥陶系岩溶水与上部含水层两者水力的连接过程起到一定阻隔作用，隔水性优良，开采矿层和奥灰顶板均属于软硬相间岩性整合后形成的构建，当其构造没有被破坏时具备良好的隔水功能。

2 野外实测

2.1 设备仪器及工作参数

本课题选用了大功率瞬变电磁仪（TEM-6型），采集野外数据时应用了规格是5×5m单匝方形传送回线、接收应用中心探头（T50-等效面积100㎡）设备执行，供电瞬时脉冲电流能够达到1500A，确保了勘探深度及深部信息信噪比的合理性。

参照实际的地质条件以及既往形成的工程经验，为实现本区域内勘探目标，主要参数最后的设定情况如下：

2.2 野外施工方法

本矿区内应用单匝中心回线进行施工测量，小线框应用大电流去传送脉冲，中心地面探头负责接收信号。正式测量前确定适宜的野外施工方法。解读现场试验过程中形成的信息，参照实际的地质条件以及既往形成的工程经验，为实现本区域内勘探目标，设定供电电流、供电次数、采样道、供电脉宽分别是770A、8次、45道、4ms，配合使用单匝5×5m单匝中心回线作为发射框。发送线框长3m，将重叠回线设施内置在发射线框，采用塑料管固定发射线框与接收线圈，施工测量时将发射线框安放在测量固定标志点，严格依照设计、规范要求按需施作。

2.3 试验与技术方法

严格依照相关技术规程开展野外施工活动。为确保瞬变电磁法勘探、采集野外数据的质量，要选出适宜的积分时间和增益，严格遵照瞬变电磁勘探接收过程中应规避布置在强干扰源、磁场及金属干扰物分布区的规则，选用实用性较强的施工方法。全面了解被勘探区内的地电与施工时间条件、扰乱背景及相应的地球物理特性等，科学判断实验工作的效力，便于有针对性的调整施工作业方法与设备调整，使其均能抵达最优状态。试验点选定在已知钻孔周边有代表性的区段内。配合使用重叠回线工作设施，发射框的线框大小5×5m，供电电流选用1 200A，供电频次8次。

2.4 布置测网、作业量达成及质量

2.4.1 布设测网

参照既有矿区声场阶段形成的材料、工程场地地形条件及物探设计要求，在规划的作业范畴中攻击布置设25条勘探线，具体是沿着西东走向布置，线距、瞬变点距分别是40m、20m，在设定I、II区内布置的局部测线对应的瞬变点距值时，鉴于其作用以老窑巷道状态为主，故而可以适度加密，间距3m，预计布置瞬变物理点2755个，其中有1497个加密点。

2.4.2 规划及落实的作业量

设计瞬变物理点2755个（内含加密点1497个），现实工完成3020个，期内含有1435个加密点。野外施工过程，结合现实状况可以对作业区和探测范畴适度变更，在II区东北向拓展150m×715m范畴中增设334个瞬变电磁点；III区西北角170m×530m范畴中撤去105个瞬变电磁点，而后又新增26个瞬变点。现实外野测量中共计布置了物理测线39条，测量点位3020个。

瞬变电磁物理点中甲、乙级点分别有2962个、58个，占比分别是98.08%、1.92%，，合格率达到100.00% 。选用的2个试验点均达标，设计了83个检测点，现实完成的检测点数105个，检测点均方相对偏差时6.79%。不管是检测点分布还是其施工测量阶段，均符合现行的矿区地质勘探规范与设计质量要求。

2.5 处理与解释资料

本文应用EMRS瞬变电磁法处理流程（Ver2.5），结合实际的矿区建设情况对需要进行探测处理的生产材料进行解释及处理，详细的数据处置与资料解释程序如图1所示。

图1 勘探数据处置与资料解释程序图

历经以上处理过程后，勾画出39个多道断面图与视点阻率的断面图，大约5个有差别的视点阻率切面图形。站在客观层面上分析，各个图件均呈现出不同测点的岩性改变，进而取得了预期成效。本文现在对第1测线为实例进行分析，见图2。读图2以后，经过周密的分析和论证可以得出，圈定的8、9号与16、17号点高阻异常呈现显著，和毗邻点相比较没有出现高阻异常反应或者呈现模糊，为十分典型的矿层采空不积水呈现特征，进而判断以上四个位点是矿层采空方位。

图2 1测线多道剖面图

3 采空区探测成果

探测5#矿层采空区，利用瞬变电磁法推导探测区范畴中采空和积水两者之间的相关性，设定的水平面上可能同时存在着采空与积水区。参照以上5#矿层底板等高线布置情况，解读最大可能等同的位置，设定那些符合现实状况的解释结论。

被测区东南部呈现零散的高阻、低阻情况；存在地面存有积水与裂隙水因素的影响，南部地下空间内存有很多巷道干扰。据此推测该区域东部、南部分别是采空区、巷采区。探测区域中局部位置存在小面积积水，水量偏少。测区西部，检测区域呈现出北侧存有高阻，中部由低阻，存在着地表积水于裂隙水的干扰。推测本区域北、南部分位置是采空区，没有积水滞留。区域内中部表现低阻是由于地面积水、裂隙水引起的。综合分析井下采掘工艺与消除干扰因素，形成了最后的矿区上5#矿层采空区探测解译结果（图3）。

图3 5#矿层采空区探测解译结果图

本次探测区域中5#矿层采空区整体面积0. 780km²，探测区面积为1.34km²，采空区面积在矿井总面积中所占比例约57.8%。地层倾角相对偏大，积水区是低洼不完全充水，依照既往工程建设实践经验水柱高度取50㎝。在经验基础上取矿回采对应值是0.31，预测总积水量是10888㎡。

4 结语

在采空区上方开展建设中，施工方要全面了解采空区的状况，政府治理该特殊区域时也需对其有整体了解。但是自历史等因素的作用下，很多露天矿采空区没有对应的图纸，很难整体了解其真实情况，故而做好该区域的探测情况具有很大必要性。笔者希望能和同行分享实践经验，共同完善采空区的探测工作。