瞬變電磁法勘探在蘇村煤礦采空區(qū)富水性探測中的應(yīng)用

摘 要：通過在山西華潤聯(lián)盛蘇村煤礦應(yīng)用瞬變電磁法（TEM）探查采空區(qū)邊界及積水范圍，對礦井采空區(qū)積水的防治提供依據(jù)和指導。

關(guān)鍵詞：瞬變電磁法；煤層采空區(qū)；富水性

山西中陽華潤聯(lián)盛蘇村煤業(yè)有限公司為資源整合礦井，批準開采4-10號煤層。井田范圍內(nèi)資源整合之前對3#（局部）、5#、10#煤層進行了開采，遺留有許多采空區(qū)。目前蘇村礦在基建開掘過程中，巷道涌水較大，礦井正常涌水量達到200m3/h以上。根據(jù)涌水情況、水化學分析及超前探測結(jié)果分析，涌水水源基本為上覆煤層采空區(qū)積水。由于對井田內(nèi)采空范圍及富水性掌握程度嚴重不足，在采掘過程中，各可采煤層采空區(qū)的大量積水，對礦井的安全生產(chǎn)造成重大威脅。因此，非常迫切需要查明井田特別是首采區(qū)域內(nèi)采空區(qū)分布及其富水情況，為安全生產(chǎn)提供可靠的地質(zhì)保障。

1 瞬變電磁法進行勘探的基本原理

瞬變電磁法也就是所謂的時間域電磁法，簡稱為TEM，主要是通過接地或者不接地的一些線，這種線可以是回線或者是地源線，經(jīng)由這些線向地下發(fā)射脈沖磁場，在脈沖磁場之間的時限之內(nèi)，使用電圈或者接地電極對二次渦流場進行測量與檢測。用比較通俗的話說就是，其基本的工作原理就是電磁感應(yīng)定律。主要的工作步驟就是：在地面或者控制架設(shè)有一定電流通過的發(fā)射線圈，這樣能夠在周圍形成一定范圍的電磁場，在地下導電巖中能夠產(chǎn)生感應(yīng)電流；這樣，一旦斷電，這種感應(yīng)電流會不斷的減少，這個減少和衰弱的過程大致可以分為三個階段，即早、中、晚期。在早起階段，電磁場就像是頻率域中的高頻部分，這個階段電磁衰弱的速度比較快，趨膚深度相對較小；晚期相反，就相當于頻率域中的低頻部分，衰弱速度會比較慢，而趨膚深度就比較大。經(jīng)過對于斷電后不同時間段的二次場數(shù)據(jù)進行分析，可以總結(jié)隨時間變化的基本規(guī)律，就此能夠總結(jié)出不同深度的地點特點。比如，在電導率為σ，磁導率為μ0的的均勻各相同性大地設(shè)置一個面積為S的長方形發(fā)射線圈。在回線中供給的階躍脈沖電流。在斷電之前，發(fā)射的電流與周圍形成一個比較穩(wěn)定的磁場。當t=0的時候，將電流瞬間斷開，此時因為這個電流產(chǎn)生的磁場就會隨之消失。此時一次場的這個重大變化就有空氣以及地下的導電物質(zhì)能夠傳輸?shù)街苓叺拇蟮刂校鄳?yīng)的還能激發(fā)一定的感應(yīng)電流，可以足夠維持一段時間斷電之前存在的磁場，能夠保證空氣磁場不會瞬間消失，即所謂的大地的瞬變電磁過程場，這個時期出現(xiàn)的電磁場也就是所謂的瞬變電磁場。

該方法技術(shù)特點：

（1）斷電以后對純二次場進行檢測，能夠?qū)︻l率域的裝置噪音進行消除，此時不會太多的受到地形變化的影響與制約。

（2）使用不接地的回線設(shè)備，可以不受地理條件以及環(huán)境的影響，即使是沙漠和凍土等特殊的地質(zhì)條件都能夠開展工作。

（3）也可以使用同點裝置（如重疊回線、中心回線等）完成檢測工作，能夠保證最大程度的符合測量的要求與目的，收取的信息形式比較簡單，而且處理分析起來比較簡便。

（4）如果使用單脈沖進行激發(fā)檢測，能夠得到多信息的整條瞬變場衰減的變化曲線，并且這種檢測活動對很多方面要求并不嚴苛，比如對于線圈的位置以及接受的距離等都沒有更多的限制與要求。這樣使監(jiān)測工作變得簡便易行，能夠提高工作效率。

（5）也能夠進行幾次的脈沖激發(fā)試驗與測試，得到幾次的數(shù)據(jù)進行疊加處理，輔以空間多次覆蓋處理技術(shù)，使信噪比和觀測的準確度得到提高。

（6）能夠選擇不同時段進行檢測的方式，能夠防止地壓制地質(zhì)噪聲的過大影響與限制，能夠獲得不同的檢測信息與數(shù)據(jù)。

（7）使用這種監(jiān)測方式與方法，能夠?qū)Φ孛妗⑺碌炔煌刭|(zhì)條件與環(huán)境的電磁進行探測與研究。

（8）很少受到高阻層的屏蔽與限制，能夠經(jīng)由高阻層，對于地阻層的反應(yīng)比較敏感，而且分辨能力強，同時在地阻層，因為使用的是多道監(jiān)測，所以早期受到地形影響的數(shù)據(jù)與信息比較容易區(qū)分與辨別。

（9）剖面測量與測深工作同時完成，提供了更多有用信息，減少了多解性。

2 在蘇村煤礦采空區(qū)分布及富水性探測中的應(yīng)用

根據(jù)電磁法探測的基本原理，一般情況下，與圍巖電阻率值相比，含水巖層會表現(xiàn)低電阻率特性。若巖層不富水，則會表現(xiàn)為相對高阻特性。根據(jù)在采空區(qū)附近視電阻率值的急劇變化和這一地電特性，對勘探區(qū)采空區(qū)及其富水性進行探測并作出解釋推斷。

2.1 原始數(shù)據(jù)采集

本次勘探施工區(qū)域為井田東部，面積約0.139km2，野外工作二維測網(wǎng)布置為20（m）×20（m），即線距20m，點距20m。在測區(qū)范圍內(nèi)共布置測線19條，瞬變電磁坐標物理點為439個。質(zhì)量檢查點14個，試驗點20個，總物理點為473個。

2.2 對采集數(shù)據(jù)進行分析與處理

瞬變電磁儀在野外進行觀測的主要是垂直磁感應(yīng)場的歸一化感應(yīng)電動勢△V（t）/I，其單位為μV/A；每一個觀測點記錄的參數(shù)為時間道、采樣開始時間、采樣窗口寬度、發(fā)射電流、歸一化感應(yīng)二次場、轉(zhuǎn)換的磁感應(yīng)強度值等。依據(jù)以往測量規(guī)律、地質(zhì)以及相關(guān)勘察數(shù)據(jù)與資料，然后對地形以及其他背景做必要的修正與調(diào)整處理與加工，繼而把感應(yīng)電動勢轉(zhuǎn)化變成視電阻率之后，再對斷面賦水狀況進行分析與研究。

2.3 對檢測以及處理的數(shù)據(jù)進行解釋

仍然堅持原有傳統(tǒng)的電法基本規(guī)律與方法，就是將地質(zhì)以及勘探資料等結(jié)合處理與分析，從已知去研究與探索未知，從點到線、從線到面，從簡單到復雜的規(guī)律與方法進行不斷的逐步深入的分析與研究。①將人工解釋與計算機的解釋有機聯(lián)系與融合；②垂直與水平的解釋也要有機結(jié)合；③電性解釋與綜合地質(zhì)分析也要科學結(jié)合與融合；④區(qū)分研究，逐層分析原則。

2.4 取得的地質(zhì)成果

一是5#煤層電法綜合成果。根據(jù)5#煤層順層電性切片分析，測區(qū)視電阻率范圍在25-95Ω.m之間，均值為60Ω.m；從整體看，測區(qū)電性高阻低阻并存，整體主要以均值電阻為主。西南部和東北部視電阻率大多在80Ω.m左右，其他地區(qū)均以低阻或中低阻為主，在此勘探區(qū)西北部，視電阻率大多在30Ω.m左右。綜合電性資料分析，最終確定以視電阻率≤40Ω.m為劃分界限，對相對富水區(qū)進行圈定。綜合已知資料，本區(qū)推斷解釋出7處相對富水區(qū)，全區(qū)分布零散，面積較小。二是10#煤層電法綜合成果。根據(jù)10#煤層順層電性切片分析，測區(qū)視電阻率范圍在25-185Ω.m之間，均值為60Ω.m；本煤層深度位于5#煤層下45.7-58.2米之間，測區(qū)電性切片視電阻率整體較5#煤層切片升高較多，10#煤層位于石炭系太原組中段底部，煤層頂板為砂質(zhì)泥巖或粉砂巖，局部為泥巖，底板以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主。最終確定以視電阻率≤50Ω.m為劃分界限，對相對富水區(qū)進行圈定。綜合推斷解釋相對富水區(qū)4處。

通過本次電法勘探工作，基本查明了測區(qū)內(nèi)5#、10#煤層采空積水區(qū)的分布范圍和相對強度，測區(qū)內(nèi)共發(fā)現(xiàn)11個低阻異常區(qū)（5#煤層7個，10#煤層4個）；11個異常區(qū)范圍內(nèi)都有已知采空區(qū)分布，采空區(qū)范圍內(nèi)的低阻異常區(qū)存在局部積水的可能性。本次電法資料反映的是水的靜態(tài)特性，在巷道掘進或煤層開采時，必須考慮頂板冒落、底板破碎等擴大原有裂隙通道或增加新導水通道的可能性。此外，還應(yīng)考慮到地表降水不斷補給采空區(qū)造成采空區(qū)積水量繼續(xù)增大可能性。應(yīng)加強采掘前礦井水文超前探測工作，特別是在生產(chǎn)場地接近異常部位時應(yīng)邊探邊掘，先探后掘，隨時觀察記錄水文地質(zhì)條件變化情況，以便實施針對性更強和更有效的防治水技術(shù)措施，確保礦井生產(chǎn)的安全。

參考文獻

[1]江球.瞬變電磁法在煤礦采空區(qū)富水性探測中的應(yīng)用[J].西藏科技，2012.