瞬變電磁法勘探在蘇村煤礦采空區富水性探測中的應用

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

關鍵詞：瞬變電磁法；煤層采空區；富水性

山西中陽華潤聯盛蘇村煤業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。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。根據涌水情況、水化學分析及超前探測結果分析，涌水水源基本為上覆煤層采空區積水。由于對井田內采空范圍及富水性掌握程度嚴重不足，在采掘過程中，各可采煤層采空區的大量積水，對礦井的安全生產造成重大威脅。因此，非常迫切需要查明井田特別是首采區域內采空區分布及其富水情況，為安全生產提供可靠的地質保障。

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，經由這些線向地下發射脈沖磁場，在脈沖磁場之間的時限之內，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定律。主要的工作步驟就是：在地面或者控制架設有一定電流通過的發射線圈，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生感應電流；這樣，一旦斷電，這種感應電流會不斷的減少，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。經過對于斷電后不同時間段的二次場數據進行分析，可以總結隨時間變化的基本規律，就此能夠總結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置一個面積為S的長方形發射線圈。在回線中供給的階躍脈沖電流。在斷電之前，發射的電流與周圍形成一個比較穩定的磁場。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能夠傳輸到周邊的大地中，相應的還能激發一定的感應電流，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，這個時期出現的電磁場也就是所謂的瞬變電磁場。

該方法技術特點：

（1）斷電以后對純二次場進行檢測，能夠對頻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備，可以不受地理條件以及環境的影響，即使是沙漠和凍土等特殊的地質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試驗與測試，得到幾次的數據進行疊加處理，輔以空間多次覆蓋處理技術，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噪聲的過大影響與限制，能夠獲得不同的檢測信息與數據。

（7）使用這種監測方式與方法，能夠對地面、水下等不同地質條件與環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，能夠經由高阻層，對于地阻層的反應比較敏感，而且分辨能力強，同時在地阻層，因為使用的是多道監測，所以早期受到地形影響的數據與信息比較容易區分與辨別。

（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 在蘇村煤礦采空區分布及富水性探測中的應用

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

2.1 原始數據采集

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

2.2 對采集數據進行分析與處理

瞬變電磁儀在野外進行觀測的主要是垂直磁感應場的歸一化感應電動勢△V（t）/I，其單位為μV/A；每一個觀測點記錄的參數為時間道、采樣開始時間、采樣窗口寬度、發射電流、歸一化感應二次場、轉換的磁感應強度值等。依據以往測量規律、地質以及相關勘察數據與資料，然后對地形以及其他背景做必要的修正與調整處理與加工，繼而把感應電動勢轉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據進行解釋

仍然堅持原有傳統的電法基本規律與方法，就是將地質以及勘探資料等結合處理與分析，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系與融合；②垂直與水平的解釋也要有機結合；③電性解釋與綜合地質分析也要科學結合與融合；④區分研究，逐層分析原則。

2.4 取得的地質成果

一是5#煤層電法綜合成果。根據5#煤層順層電性切片分析，測區視電阻率范圍在25-95Ω.m之間，均值為60Ω.m；從整體看，測區電性高阻低阻并存，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，其他地區均以低阻或中低阻為主，在此勘探區西北部，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，對相對富水區進行圈定。綜合已知資料，本區推斷解釋出7處相對富水區，全區分布零散，面積較小。二是10#煤層電法綜合成果。根據10#煤層順層電性切片分析，測區視電阻率范圍在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，煤層頂板為砂質泥巖或粉砂巖，局部為泥巖，底板以泥巖、砂質泥巖為主。最終確定以視電阻率≤50Ω.m為劃分界限，對相對富水區進行圈定。綜合推斷解釋相對富水區4處。

通過本次電法勘探工作，基本查明了測區內5#、10#煤層采空積水區的分布范圍和相對強度，測區內共發現11個低阻異常區（5#煤層7個，10#煤層4個）；11個異常區范圍內都有已知采空區分布，采空區范圍內的低阻異常區存在局部積水的可能性。本次電法資料反映的是水的靜態特性，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，還應考慮到地表降水不斷補給采空區造成采空區積水量繼續增大可能性。應加強采掘前礦井水文超前探測工作，特別是在生產場地接近異常部位時應邊探邊掘，先探后掘，隨時觀察記錄水文地質條件變化情況，以便實施針對性更強和更有效的防治水技術措施，確保礦井生產的安全。

參考文獻

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