小回線瞬變電磁法在地下火區探測中的應用

王志勵，林金波，劉麗娟，邵 鵬

（1.浙江省水文地質工程地質大隊，浙江 寧波 315000；2.江西省煤田地質局 測繪大隊，江西 南昌 330001）

煤的自燃不僅造成資源的嚴重浪費，也對生態環境造成很大的負面影響，直接威脅到煤礦的安全開采。因此，如何快速有效圈定自燃火區的范圍已成了煤礦地質勘探工作的一個重要任務。一直以來，國內外眾多學者及科研單位對煤礦地下火區開展了大量的研究工作，但是至今還沒有一種通用的方法。如磁法探測適用于火源溫度較高的封閉火區，但對于溫度≤100℃的火區應用效果不是非常理想。測溫儀表與測溫傳感器聯合測溫法受煤導熱性能的影響，在探測深度上受到很大的限制。最近，很多學者對火區自然地物熱紅外發射率光譜特征進行分析，通過遙感技術實現火區自然地物信息的提取（如地物類型識別、特征地物的判讀等），進而確定火源位置和范圍〔1〕，但是礙于地表比輻射率參數的差異，未進行全面廣泛的推廣。劉鴻福團隊采用活性炭測氡法結合其它物探方法在內蒙、山西等地的煤礦進行地下火區探測，證明了活性炭測氡法在探測地下火區的有效性〔2〕。本文嘗試運用小回線瞬變電磁法結合活性炭測氡法對大同某地下火區進行探測，小回線瞬變電磁法具有探測深度大、分辨率高、不受靜態效應影響等優點，克服了火區地表干燥，接地條件差的限制，有效地對自燃區的范圍、深度進行了圈定，說明了小回線瞬變電磁法在探測煤礦地下火區中是可行的。

1 小回線瞬變電磁法的基本原理

小回線瞬變電磁法（small loop circle line transient e-lectromagnetic method）是一種利用電磁感應定律探測地下地電信息的地球物理勘探方法。通過觀測二次磁場隨時間的變化率來解釋地下不同深度的空間結構和地質體的電性參數等信息。在瞬變過程的早期，主要是高頻成分，由于集膚效應，渦流主要集中于淺表層，因此早期的電磁場主要反映淺表層的地質體信息；瞬變過程的中、晚期，頻域中的高頻成分逐漸衰減，低頻成分作用相對明顯，因此中、晚期的電磁場主要反映深部地質體的信息。

小回線瞬變電磁法回線-中心探頭裝置的感應電動勢公式：

式中：μ0為磁導率；I為發射電流；α為發射回線半徑；r為場點至發射中心的距離；J1為第一類Bessel函數；λ為積分變量；Rn為n層大地表面的反射系數。

由式子可以看出，大、小回線信號強度隨發射時間的延長而增大。一般TEM 在大回線時，發射的電流大約為10A，而小回線需要1200A 左右的電流達到與大回線相當強度的信號。

目前TEM 視電阻率計算方法是把實際測量值置于均勻大地、相同的裝置條件下而求出理想狀態的均勻半空間的電阻率。換言之，在對小尺寸的地質體勘查時，由于觀測的視電阻率值本身就很小，這樣就不能忽略數據采集誤差。小回線裝置恰好解決了這一問題：發射、接收線圈同步移動，不存在電阻率換算所帶來的誤差，這樣就使小回線裝置大大提高了瞬變電磁法的探測精度和分辨率。

小回線瞬變電磁法是以介質的電磁性差異為物理基礎來解決有關問題的〔4〕。主要是根據火區位置比較干燥，表現出高電阻率的特征，而火區上方受下部烘烤，裂隙水形成水蒸氣在上方富集，介質相對潮濕，顯示出低電阻率特征，這就為在該區開展物探工作提供了依據。

2 探測實例與應用效果分析

2.1 工作區概況

工作區處于山西大同西南側，地勢相對平緩，總體切割不深。區內地層主要出露有奧陶紀中世峰峰組（O2f）、石炭紀中世本溪組（C2b）、上世太原組（C3t）、二疊紀下世山西組（P1s）、侏羅紀下世永定莊組（J1y）、侏羅紀中世大同組（J2d）、云崗組（J2y）、第四紀中、上更新世（Q2+3）。含煤地層為侏羅紀煤系和石炭二疊紀煤系，其中侏羅紀可采煤層有2＃、3＃、4＃、8＃、9＃、11＃、12＃、14＃、15＃煤9層。

2.2 探測結果與分析

為了能對測氡結果進行有效的確定分析，有必要對工作區內的氡背景值進行了解。在正常區選作了一條試驗線，由S1線活性炭測氡剖面（見圖1）分析可知，區內氡值背景在700個計數／3min附近。

圖2為18＃測線活性炭測氡異常剖面，可以看出剖面線1＃～13＃點氡值曲線異常跳躍明顯，最高值為1000個計數／3min左右，均值也在700個計數／3 min以上，為地下煤層自燃造成的氡異常；而14＃～17＃點氡值曲線呈水平狀，均值都在700 個計數／3 min以下，應為正常區域。圖5為研究區氡異常平面等值線圖，圖中可以看到明顯的高氡值異常帶，計數率為700次／3min等值線圈定的范圍為地下火區的位置，其它區域為正常區。

圖3為18＃測線瞬變電磁多測道剖面圖。從圖中可以看出剖面線1＃～13＃點中期多測道曲線略向下彎曲，顯示出高視電阻率特性；而在過13＃點后（14＃～17＃點）曲線開始上翹，表現出低視電阻率特性。這就較好地顯示了火區范圍一直延伸到13＃點附近。結合18＃測線瞬變電磁視電阻率剖面圖分析（見圖4），剖面圖1＃～13＃點視電阻率值明顯高于14＃～17＃點，埋深大致在30～60m 深度處。

對比小回線瞬變電磁法與活性炭測氡法測量結果，兩者均有效反映了地下火區的存在，高視電阻率與高氡值異常對應較好，視電阻率剖面高視電阻率異常清晰地表明了自燃區的空間位置及規模。

圖1 S1線活性炭測氡剖面

圖2 18線活性炭測氡剖面

圖3 瞬變電磁18線多測道剖面

圖4 瞬變電磁18線視電阻率剖面

圖5 勘探區氡異常平面等值線

3 結語

比較小回線瞬變電磁法與活性炭測氡法測量結果，兩者均對地下火區范圍進行了有效的圈定；小回線瞬變電磁法更是對自燃區的空間位置進行了確認。因此，開展小回線瞬變電磁法來探測煤礦地下火區是一種較為有效的方法。

但是，由于物探方法選擇的原因，對于自燃區是否為多煤層自燃還是單層煤層自燃引起，本次工作未能進行有效辨別。因此，在后期煤層自燃治理時，還需進行激發極化法來確認。

〔1〕夏 軍，塔西甫拉提，特依拜，等.煤田火區自然地物熱紅外發射率光譜測量及其特征〔J〕.煤炭學報，2012，12（37）：2053-2058.

〔2〕劉鴻福，白春明，舒祥澤，等.用測氡技術探測煤礦地下火區的研究〔J〕.煤炭學報，1997，22（4）：402-405.

〔3〕陰建康，閆 述，陳明生.瞬變電磁法小發射回線探測裝置及其應用〔J〕.煤田地質與勘探，2007，35（3）：66-68.

〔4〕成劍文.瞬變電磁法在煤礦應用中的研究〔D〕.山西：太原理工大學，2007.