瞬變電磁與變形監(jiān)測淺析

安春城　韓玉雷

(中鐵隧道勘測設(shè)計(jì)院有限公司， 天津　300133)

河南省平頂山市石龍區(qū)某村村民房屋出現(xiàn)不同程度的裂縫，個(gè)別居民家中房屋裂縫達(dá)幾厘米，其原因可能為煤礦開采造成地面沉降，引起墻體裂縫。

1　瞬變電磁地層電性原理及特征

地層中的煤層被開采以后，在地下巖層間形成一定的空間，采空區(qū)上方巖層在重力作用下發(fā)生塌陷，造成煤層上覆巖體失去原有平衡狀態(tài)而發(fā)生一定程度巖移，破壞了巖石的完整性、連續(xù)性，致使巖層破碎和出現(xiàn)大量的空隙和裂隙，故該處電阻率會偏高于完整巖石處的電阻率，不明顯時(shí)則會出現(xiàn)視電阻率等值線的波動，明顯時(shí)表現(xiàn)出相對的高阻特性；而采空區(qū)域的空隙被水或泥質(zhì)所充填后，該處的電阻率將明顯低于周圍完整巖石的電阻率，表現(xiàn)出一定的低阻特征，可以依據(jù)這些電性異常反映來劃分采空區(qū)。

瞬變電磁法利用不接地回線或接地電偶源向地下發(fā)送一次場，在一次場的間歇期間利用回線或電偶極觀測二次渦流場的方法。其基本工作方法是：于地面或井下設(shè)置通以一定波形電流的發(fā)射線圈，從而在其周圍空間產(chǎn)生一次磁場，并在地下導(dǎo)電巖礦體中產(chǎn)生感應(yīng)電流。斷電后，感應(yīng)電流由于熱損耗而隨時(shí)間衰減，衰減過程一般分為早、中和晚期。早期的電磁場相當(dāng)于頻率域中的高頻成分，衰減快，趨膚深度小；而晚期成分則相當(dāng)于頻率域中的低頻成分，衰減慢，趨膚深度大。通過測量斷電后各個(gè)時(shí)間段二次場隨時(shí)間變化的規(guī)律，可得到不同深度的地電特征。

1.1　電性斷面圖分析

圖1為1200線視電阻率斷面圖，縱坐標(biāo)表示深度，橫坐標(biāo)表示測點(diǎn)；青色—黃色—紅色的過渡表示低阻—高阻的變化。據(jù)已知資料，煤層埋深大約280 m左右。

圖1　1200線視電阻率斷面

縱向上看，斷面圖具體反映了測區(qū)內(nèi)的地層電性結(jié)構(gòu)：從淺至深視電阻率呈先降低再升高，反映了典型華北石炭—二疊系煤田的地電特征。淺部高阻特征為二疊系上部中粗砂巖含量較引起，下部隨著泥巖成分增加，視電阻率值逐漸降低，深部石炭系和奧陶系地層為灰?guī)r視電阻率較高。

橫向上看，各測點(diǎn)間的視電阻率差異，分別表示了不同地段地層的電性差異，當(dāng)煤層被采空后，會出現(xiàn)明顯電性差別，通過對各斷面圖的分析和本次收集到的已知資料對比，認(rèn)定為高阻采空的反映，說明采空區(qū)內(nèi)不含水或水量很少。

1.2　電性切片分析

為了更好地了解測區(qū)內(nèi)采空區(qū)在平面的分布情況，繪制了280 m深視電阻率水平切片圖(如圖2)，圖2中青色—黃色—紅色的過渡表示低阻—高阻的變化。整體上看，測區(qū)南部為高阻異常反映，西北部和東北部也為高阻異常反映，按照物探資料解釋由已知到未知的原則，經(jīng)過下井調(diào)查和收集的井上下對照圖，測區(qū)南部高阻有煤礦巷道進(jìn)入，推測為煤礦采空區(qū)的反映。測區(qū)西北部也有煤礦巷道進(jìn)入，也為高阻異常反映，推測為采空區(qū)。另外在測區(qū)東北部也為高阻異常反映，在地面房屋出現(xiàn)裂縫較嚴(yán)重，推測該異常也為采空區(qū)反映。

圖2　280 m深視電阻率水平切片

2　勘測結(jié)果及影響范圍

煤層被開采后，可導(dǎo)致覆巖移動，并常引起地面沉降、開裂與陷落等不良影響，造成地面建筑物和設(shè)施破壞。

地下采煤時(shí)，在采煤回采過程中，巷道及采空區(qū)的圍巖支護(hù)是臨時(shí)性的，不能制止覆巖的變形發(fā)展，使得松動帶的半徑或塌陷拱的高度很大，并在采空區(qū)上覆巖體中形成明顯的三帶：即冒落帶、裂隙帶和彎曲帶，它們都是由地下采掘所引起的上覆巖體的松動范圍，稱它為采動區(qū)。采動區(qū)的三帶，由于采深、采厚、及采空區(qū)面積不同，不一定同時(shí)存在。采空區(qū)較淺，采厚和采空區(qū)面積較大時(shí)，冒落帶可直達(dá)地面，形成地面塌陷坑。采空區(qū)不太深，裂隙帶有時(shí)可達(dá)地面，在地面出現(xiàn)大量導(dǎo)水裂隙；采空區(qū)相當(dāng)深，涉及到地面的主要表現(xiàn)為彎曲變形造成的地面沉降，或者對地面實(shí)際上并無影響。

煤礦采空區(qū)形成的塌陷盆地按地面變形破壞程度不同，可劃分為邊界區(qū)、危險(xiǎn)區(qū)和斷裂區(qū)。邊界區(qū)中地面僅發(fā)生很小的下沉，一般不影響地面建筑的正常使用；而危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)的地面則發(fā)生顯著變形，將影響一般建筑物的正常使用；斷裂區(qū)中則地面發(fā)生一系列裂縫，建筑物將發(fā)生破壞或塌陷。本區(qū)中煤層埋深在280 m左右，按上覆巖層厚度小于300 m，查得地表失穩(wěn)時(shí)危險(xiǎn)角為73°，則采空區(qū)外圍影響距離為：280 m×ctg73°=85.6 m。

3　結(jié)論

繪制了各測線視電阻率斷面圖和水平切片圖，結(jié)合視電阻率斷面圖和視電阻率水平切片圖，劃分了采空區(qū)及影響范圍，繪制了石龍區(qū)塌陷辦瞬變電磁勘探成果圖(如圖3所示)。

圖3　瞬變電磁勘探成果

隨著開采的進(jìn)行礦壓會發(fā)生變化，水文地質(zhì)條件隨之發(fā)生改變，斷層的導(dǎo)水性可能會發(fā)生明顯變化，建議實(shí)時(shí)監(jiān)測。

[1]李金銘.電法勘探方法發(fā)展概況[J].物探與化探，1996，20(4):250-255

[2]呂國印.瞬變電磁法的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].物探化探計(jì)算技術(shù)，2007，29(增刊):111-116

[3]何繼善.電法勘探的發(fā)展和展望[J].地球物理學(xué)報(bào)，1997，40(增刊):308-316

[4]薛國強(qiáng)，李貅，底青云.瞬變電磁法理論與應(yīng)用研究進(jìn)展[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2007，22(4):1195-1200

[5]張運(yùn)霞，牛向東，韓自豪.瞬變電磁法在礦井水治理工作中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2004，1(5):418-423

[6]黃力軍，陸桂福，劉瑞德.電性源瞬變電磁法在煤田水文地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用[J].工程地球物理報(bào)，2004，1(2):174-177

[7]靜思杰，李志冉.瞬變電磁法野外工作方法[J].中國煤田地質(zhì)，1995，7(3):33-91

[8]張保祥，劉春華.瞬變電磁法在地下水勘查中的應(yīng)用綜述[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2004，19(3):537-542

[9]張開元，韓自豪，周韜.瞬變電磁法在探測煤礦采空區(qū)中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2007，4(4):341-344

[10] 戴定璇，丁進(jìn)，馬昌今.瞬變電磁法在工程地質(zhì)勘查中的應(yīng)用[J].物探與化探，1995，19(5):385-390

[11] 華軍.TEM一維正反演研究[D].西安:西安交通大學(xué)，2003

[12] 楊云間，王緒本，何展翔.瞬變電磁中的斜階躍波效應(yīng)及常規(guī)的幾種校正方法分析[J].物探化探計(jì)算技術(shù)，2006，28(2):129-132