亿隆煤业地面瞬变电磁技术应用

王 毅

（霍州煤电集团技术研究院，山西 霍州 031400）

霍州煤电集团亿隆煤业地质条件相对复杂，受小煤窑采空破坏及采空区积水威胁，缺乏行之有效的物探手段，安全生产面临严峻的考验。

地面瞬变电磁技术，相对井下瞬变电磁法有着发射功率大、探测深度深、异常区反演准确及地面半空间勘探干扰因素少等优势。利用该技术对亿隆煤业进行地面勘探，探查小煤窑采空富水区，可解决矿井实际地质问题。

1 地面瞬变电磁技术原理及仪器设备

1.1 瞬变电磁法简介

瞬变电磁法属于时间域电磁感应法，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或电偶极接收感应二次场，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[1-2]。由于时域方法在一次场不存在的情况下观测二次场，主要的噪声源不同于频域方法，相对频域方法来说时域方法显示出更多的优点[3-4]。

1.2 瞬变电磁勘探仪器

本次勘探采用仪器是加拿大Geonics 公司生产的PROTEM57 瞬变电磁系统。该系统包含了PROTEM瞬变电磁仪接收机和PROTEM57发射机。

2 野外数据采集

2.1 试验工作及结论

工作参数及工作装置选择是否合理将直接影响到观测的结果，通过理论分析和系统试验工作来选择合理工作参数是进行外业采集的前提[5]。

为了选取合适的工作参数，结合勘探深度、测线布置情况及精度要求，本文进行了试验工作，完成试验点20 个。

通过采集参数的野外试验与室内分析处理，遵照有利于对测区不同深度的地质地电情况进行探测的需要、有利于提高施工效率的原则[6]，本次瞬变电磁勘探主要技术参数：（1）仪器为加拿大产PROTEM57 瞬变电磁仪；（2）采集时间道为30 门；（3）发射频率为2.5 Hz；（4）观测时间为30 s，干扰严重地段增加观测时间以压制噪音；（5）发射框面积为800 m×640 m；（6）发射电流为15 A；（7）增益为21～23，保证早期道数据不溢出，尽量放大晚期数据；（8）接收线圈为专用接收探头（有效面积200 m2）。

2.2 工程布置

本次勘探工作设计两个测区：1#和2#（如图1），测网密度为线距30 m，点距10 m，勘探线布设为N23°E，近似垂直于地层走向。测区均匀布设测点，1#测区布置8 条测线，2#测区布置12 条测线，共布置了20 条测线，具体设计测线测点数440 个，复查点 25 个，试验物理点20 个，共计设计瞬变电磁勘探物理点为485 个，全区有效控制面积为0.32 km2。

图1 测区测线示意图

2.3 工作量完成情况

本次瞬变电磁勘探实际共施工测线20 条，完成瞬变电磁坐标点432 个，质量检查点30 个，试验点20 个，共计完成瞬变电磁勘探物理点482 个。设计与完成工作量对比情况见表1。

表1 设计与完成工作量对比情况表

减少测点主要在村庄附近，是由于上述地形地物阻挡无法观测造成，增加点主要为相邻框观测之间的重复检查点和部分试验工作。

3 数据处理及解释

3.1 1#测区电阻率对数拟断面图的分析

图2 从左到右分别是1#测区430 线、490 线和520线电阻率对数拟断面图。该测线位于测区东南部。图中纵坐标为高程，横坐标为测点号。图中浅色～深色的过渡表示电阻率对数值由高～低的变化。

图2 430 线、490 线和520 线电阻率对数拟断面图

通过对430 线、490 线和520 线三条测线的电阻率对数拟断面图对比得出，在纵向上200～350 m深度，在横向上140～240 号测点之间，三条测线的电阻率对数等值线均出现较明显的扭曲、变形，呈凹陷状，呈现相对低阻异常，分析三条测线所处测区中部区域140～240 号测点之间、200～350 m 深度可能存在采空异常区，异常区相对富水。

3.2 2#测区电阻率对数拟断面图的分析

图3 从左到右分别是2#测区430 线、460 线和490 线电阻率对数拟断面图。以上测线位于测区中南部。从横向上看，3 条测线电阻率对数等值线没有明显的扭曲和变形，未发现明显的低阻异常。

图3 430 线、460 线和490 线电阻率对数拟断面图

3.3 1#测区电阻率对数拟切片图的分析

本次勘探以查明1#煤采空区范围及其富水性为主要地质任务，因此结合相关测区地质、水文资料及采空区电性特征，制作了电阻率对数顺层切片图。

通过分析各电阻率对数顺层切片图之间电阻率异常区的相互空间关系，进而对测区可能的富水区进行解释推断。

图4 为1#测区300 m 深度电阻率对数顺层切片图，图中-0.4～3.4 的过渡表示电阻率对数从低～高的变化。测区的低阻区主要分布于测区的中东部（低阻区使用虚线标记），位于400～520 测线90～290测点区域，呈不规则椭圆状分布，测区的北部、西部及东部电阻率相对较高。测区中东部的低阻区，推测为1#煤采空区的反映，在低阻最明显地带解释为采空富水异常区。

图4 1#测区300 m 深度电阻率对数顺层切片图

图5 为1#测区400 m 深度电阻率对数顺层切片图，测区的低阻区主要分布于测区的中东部（低阻区使用虚线标记），位于460～550 测线90～150、200～250 测点区域，呈椭圆状分布，测区的北部、西部及东部电阻率相对较高。测区中东部的低阻区，推测为1#煤采空区的反映，在低阻最明显地带解释为采空富水异常区。

图5 1#测区400 m 深度电阻率对数顺层切片图

图4 与图5 相比可知，测区中东部的低阻异常区，随着深度的增大，逐渐变小。

图6 为1#测区480 m 深度电阻率对数顺层切片图，未发现明显的低阻异常区，测区中东部的电阻率相对较高。

图6 1#测区480 m 深度电阻率对数顺层切片图

图4、图5 和图6 比较可知，300 m 深度的切片图中低阻区域（低阻区使用虚线标记）范围较大，400 m 深度的切片图中低阻区域范围减小，480 m深度的切片图中不存在低阻区域。随着深度的增加，测区中东部的低阻异常区逐渐变小，直至消失。

3.4 2#测区电阻率对数拟切片图的分析

2#测区300 m 深度电阻率对数顺层切片图中，测区的低阻区主要分布于测区的中部，520 测线80～100 测点处，并呈椭圆状分布，测区的北部和西部电阻率相对较高。测区中部的低阻区，推测为1#煤采空区的反映，在低阻最明显地带解释为采空富水异常区。

2#测区400 m 深度电阻率对数顺层切片图中，测区的低阻区主要分布于测区的中部，520 测线80～100 测点处，并呈椭圆状分布，测区的北部和西部电阻率相对较高。与300 m 深度电阻率对数顺层切片图相比，异常区的位置和大小均没有明显变化，所以异常区推测为1#煤采空区的反映，在低阻最明显地带解释为采空富水异常区，也不排除该低阻区域受干扰影响所致。

4 勘探成果

根据测区电阻率对数顺层切片图及各测线电阻率对数断面图，并对比原始记录，剔除部分受影响区域，绘制出1#煤层采空区分布图如图7。结合地质资料，采空区主要集中在测区中南部及中东部，图中粗实线圈定部分为采空区位置，编号为A1 和A2。描述如下：

图7 1#煤采空区分布平面图

A1 号采空区位于2#测区的中南部，这处采空区规模较小，呈椭圆状分布。该区域在电阻率对数顺层切片图上呈现低阻异常，在测线电阻率对数拟断面图上未呈现异常。该异常区推测为1#煤采空区的反映，在低阻最明显地带解释为采空富水异常区，也不排除该低阻区域受干扰影响所致。

A2 号采空区位于1#测区的中东部，面积较大，呈不规则椭圆状分布。该区域在电阻率对数拟断面图及顺层切片图上呈现低阻异常，异常十分明显，推测该异常区为1#煤采空区的反映，在低阻最明显地带解释为采空富水异常区。