瞬變電磁法在煤下鋁采空區探測中的應用研究

梁芳敏，潘 巖，魏繼祖，趙錫巖，胡書禮

（河南省有色金屬地質礦產局第六地質大隊，洛陽 471002）

瞬變電磁法在煤下鋁采空區探測中的應用研究

梁芳敏，潘 巖，魏繼祖，趙錫巖，胡書禮

（河南省有色金屬地質礦產局第六地質大隊，洛陽 471002）

采煤后遺留的采空區是對煤下鋁勘探工作的隱患，這里采用地球物理方法中的瞬變電磁法解決采空區的空間分布問題。針對采空區特定的地質條件選擇了中心回線裝置，并結合鉆孔資料采用1D、2D反演方法確定了采空區的影響邊界。實踐證明，TEM方法在采空區勘探當中是一種有效的方法。

瞬變電磁法；采空區；異常響應

0 引言

煤礦采空區是煤下鋁勘查中面臨的主要問題之一，在實際工作區內多為小煤礦，由于設計和開拓資料不全或丟失，無法確定其位置和邊界，且部分小煤礦已經關閉，無法對采空區進行實地調查，在煤下鋁勘查工作中，煤礦采空區嚴重制約了鉆探施工進度和鉆孔質量，對煤下鋁勘查工作也形成了潛在的安全隱患。確定采空區的空間位置、充填狀態、連通性等情況，查明采空區的空間賦存特征，為煤下鋁勘查提供保障，在地質勘查前期對采空區進行勘查與評價，是十分必要的。

瞬變電磁法以成本低、體積效應小、橫向分辨率高、工作效率高、與探測目標體耦合性最佳等顯著特點，被認為是探測煤礦采空區位置最佳物探方法之一，得到了廣泛應用。

1 方法原理

瞬變電磁法是用不接地回線或接地導線通以脈沖電流作為場源，向地下發射一次場，在一次場間歇期間觀測由地下介質產生的感應二次場隨時間變化的特征，從而判斷地下不均勻體的賦存位置、形態和電性特征，以達到尋找各種地質目標體的一種地球物理勘探方法。

將瞬變電磁法應用于煤礦采空區探測的前提是采空區與圍巖存在電阻率差異，相對于圍巖來說，采空區電性反映為高阻，當其充水后，電性表現為低阻據此可以把采空區從地質背景中區分出來。

2 采空區地球物理特征

當煤層頂、底板巖層完整時其電阻率較高，若地下煤層被采空，形成空洞或被地下水、沖積物充填，其上覆蓋層因承壓發生形變、坍塌，砂巖、灰巖常發育有破碎裂隙，電阻率就會迅速變化。采空區可分為充水和不充水兩種地球物理模式，①若采空區內充水，則會呈低電阻率反映；②若未充水，則會呈高電阻率反映。地層的層序及結構發生變化，與正常層序地層形成差異，巖層的電導率和介電常數隨之改變，其電阻率差異明顯，變化范圍較大，分析對比電性參數、區分電性差異，尋找異常區來劃分采空及積水范圍，是瞬變電磁法應用的理論依據。

3 研究區概況

3．1 地質概況

研究區處于華北地臺南緣，屬洛安地塊澠池—確山陷褶斷束，基底主要由太古界古老變質巖和元古界沉積—變質巖系組成，其上沉積有古生界、中生界、新生界地層。區內地層走向大致為N20°～80°E，傾向南東，傾角8°～20°。根據鉆孔資料及煤礦揭露的地層資料，地層從老到新依次為奧陶系中統馬家溝組、石炭系上統本溪組和太原組、二疊系下統山西組、下石盒子組、新近系和第四系。區內主要可采煤層為二1煤，二1煤頂板為灰白色厚層中粒含云母石英砂巖，厚為10m～22m。

3．2 物性參數特征

前人曾在河南省內多個鋁土礦區進行過電參數測定工作，取得了較多的物性參數資料。通過收集整理河南省內部分鋁土礦區主要地層巖性電阻率參數［1］、河南省重要鋁土礦區巖礦石的物性參數［2］，并結合研究區物探工作取得的成果，將本區電性特點整理見表1。

4 方法有效性試驗

表1 工區地層巖性及巖礦石電性參數統計表Tab．1 The statistical chart of stratum lithology and electrical parameters of ores in work area

為深入了解瞬變電磁法對采空區探測的有效性，確定技術方法在采空區不同位置的異常響應特征，在大面積投入工作之前，首先在典型工區（已知采空區）進行方法有效性試驗。根據實地踏勘及資料收集，了解已知采空區的分布，在跨越Ⅰ＃已知采空區布設1條試驗剖面長為700m，點距為100 m（其他剖面點距為50m），見圖1。本次野外觀測使用加拿大鳳凰公司的的V8多功能電法工作站的瞬變電磁模塊，發射基頻為25Hz，采用100m×100m中心回線裝置。

圖1 研究區瞬變電磁工作布置圖Fig．1 Arrangement diagram of TEM in the area

圖2為瞬變電磁試驗剖面反演解釋斷面圖。由圖2可見，淺部電性呈現橫向比較均勻、縱向漸增的規律性變化，電阻率等值線的疏密變化明顯，總體上為兩個明顯的電性分界面，分別反映了第四系與二疊地層、煤系地層與奧陶系灰巖的分界面。第一與第二電性界面之間為一相對水平的高阻異常，并有異常間互現象，反映了二疊系下石盒子組地層的巖性變化特征，在第二個明顯分界面以下出現大片低阻，為已知采空區的異常反應，影響深度范圍在標高為150m～220m。低阻異常有下延趨勢，這與瞬變電磁測深的反演算法局限性及區內復雜的地質條件密切相關，推測采空區的低阻顯示與其所處黃河堤岸塌陷區有關，沿裂隙滲水比較嚴重，電阻率較低。由此可見，瞬變電磁法對充水采空區均反應出明顯的低阻異常，表明其在該區探測充水采空區是有效可行的。

圖2 已知采空區瞬變電磁試驗剖面反演解釋斷面圖Fig．2 Inversed results for the test profile of TEM in the known goaf area

通過對試驗剖面的分析解釋，為我們利用瞬變電磁測深尋找采空區提供了標志性的指示特征：充水采空區主要表現為低阻，一般影響范圍較大，其在剖面上往往表現為連續多個測點在接近奧陶系灰巖的深度上的低阻異常，形成較大規模的低阻區，結合對剖面異常的分析及鉆孔資料的揭露得出，采空影響區電阻率對數值變化范圍為0．6～2．6，其中瞬變電磁異常向下不封閉，結合地層情況可對其進行識別。

5 研究區剖面解釋

在確定了方法的有效性之后，結合地質任務及研究區的地層走向，全區均勻布置共21條測線，方位為140°，測線方向與地質勘探線平行，網度100m ×50m，點距為50m（圖1）。每條剖面進行逐一定性分析，依據典型工區試驗剖面對采空區所反應的異常特征及采空區地球物理模式和劃分標準，并結合鉆孔資料，對剖面各異常情況做出合理的推斷。同時由各剖面反演結果的分析得知，其地層電阻率變化規律與在已知鉆孔上進行的正演擬合結果相同，但反演的地層深度偏深，根據各已知鉆孔正演擬合（或鉆孔的實際地層深度）與反演深度差異，計算得出反演深度的平均校正系數為0．66，并對研究區所有剖面的反演結果進行了深度校正。

5．1 已知鉆孔的瞬變電磁法定量解釋

為進一步了解瞬變電磁法定量解釋結果的可靠性，對測區內收集到鉆孔資料的8個鉆孔的瞬變電磁測深數據進行了正演擬合解釋。首先根據已知鉆孔資料揭示的各電性層厚度和各電性層的電阻率參數，建立地層模型，然后不斷修改層參數直到理論曲線與實測曲線擬合最好，為數據的最終反演提供了合適的模型。以ZK1068、ZK4016為例，其擬合情況見圖3、圖4，由圖可知，測曲線與理論曲線擬合較好，其分層情況與實際的鉆孔信息基本吻合，這說明瞬變電磁測深資料能夠正確反映地層電性的垂向變化情況，通過鉆孔擬合確定了區內地層對應的電性層特點，為劃分地層和對比異常建立了合理的依據。在正演擬合計算中，奧陶系的高阻地層深度始終是地層模型的約束因素。

圖3 114線ZK1608孔正演擬合Fig．3 The forward fitting for ZK1608of line 114

圖4 138線ZK4016正演擬合Fig．4 The forward fitting for ZK4016of line 138

5．2 瞬變電磁典型剖面解釋

5．2．1 瞬變電磁122剖面

瞬變電磁122線長為1 200m，如圖1所示。測線300－600號點通過Ⅱ＃號充水采空區，其反演結果見圖5，由圖5可知，淺部電性呈現橫向比較均勻、縱向漸增的規律性變化，電阻率等值線的疏密變化明顯，即第四系與二疊地層的分界面較為明顯，深部由于受充水采空區及斷層的影響，電性分界面不明顯，且不連續。測線300－500號點下方，標高為200m左右出現電阻率值從高到低的過度，并且低阻異常有下延趨勢，與試驗剖面對充水采空區所反應的異常特征相類似，故推斷該低阻異常為Ⅱ＃號充水采空區的反應，鉆孔ZK2400標高為206m遇采空區頂板（采空區高度4．56m），證實了采空區的存在，且頂板標高與等值線突變標高基本一致。在測線1000 －1100號點下方出現低阻異常帶，推測為斷層反應。

圖5 122線瞬變電磁測深反演解釋斷面圖Fig．5 Inversed results for line 122of TEM

5．2．2 瞬變電磁130剖面

130剖面長為1 450m，測線通過Ⅳ＃、Ⅲ＃號采空區，其中Ⅳ＃采空區為充水模式，而Ⅲ＃采空區處在施工采煤區域，應為未充水模式，根據收集的已知采空區資料，測線西北端150－400號點段通過Ⅳ＃采空區，870－950號點段通過Ⅲ＃采空區。圖6為瞬變電磁130剖面反演解釋斷面圖，由圖6可知，其淺部電性橫向變化均勻，斷面整體上反應了區內地層電阻率從新到老漸增的變化趨勢，等值線的變化規律與上述的122剖面的變化規律相似，可較明顯分出兩個主要界面，即第四系與二疊地層的電性界面、煤系地層與奧陶灰巖界面。兩個電性界面之間為一相對水平的高阻異常，并有異常間互現象，反映了二疊系下石盒子組地層的巖性變化特征：①在水平方向50－400號點，標高為220左右靠近第二界面的深度上電阻率等值線密集，電阻率值急劇減小，并且隨深度增大持續降低，呈較大面積的低阻區，推測為充水采空影響區；②在水平方向1 300－1 400號點，標高為160m左右，電阻率等值線變化急劇，并且向下出現低阻閉合圈，與試驗剖面采空區異常特征有明顯區別，因有采煤巷道經過，推測可能為未造成大面積塌陷的充水采空區異常反應；③在測線1 250號點深部，斷面等值線出現了低阻到高阻突變帶，推測為斷層影響所致。在測線水平方向900號點處的鉆孔ZK3212在標高為108．6m遇采空區頂板（采空區高度為3．7m），證實了Ⅲ＃已知采空區的真實性，斷面等值線在測線870－950號點，即正在開采的煤礦巷道的Ⅲ＃未充水采空區上方，應表現為高阻異常，但電阻率值相對于背景高阻異常并不明顯，等值線形態上亦沒有明顯反應，這與采空區規模以及采空區與圍巖沒有存在足夠大電性差異有關，也顯現了該方法在探測未充水采空區時靈敏度上不足。同時測線700號點處鉆孔ZK3208、測線1 100m處鉆孔ZK3216均無發現采空區，分層情況與實際的鉆孔信息基本吻合。

圖6 130線瞬變電磁測深反演解釋斷面圖Fig．6 Inversed results for line 130of TEM

6 綜合異常成果評價

研究區屬于中小型煤礦工作區，巷道斷面尺寸2．5×3．2m2，但已知鉆孔揭露的采空區高度均在3．2m以上。為進一步確定采空區的空間特征，從平面上了解工區內采空區的分布情況，結合采空區地球物理模式及劃分標準，及對瞬變電磁各剖面反演結果進行分析解釋，將剖面上確定的采空范圍與煤系地層結合起來，在平面上最終圈定了兩個采空影響區，其編號分別為T－1、T－2（圖7）。采空區的分布規律比較明顯，所有采空區都被斷層穿越，且T－1異常區受多個斷層控制。這一現象說明，采空區雖然與采煤活動有關，但其后期的發展與空間分布受斷層影響比較大，斷層的存在容易導致巖層破碎，從而使原本規模較小的采空區崩塌形成較大規模的塌陷區。

圖7 綜合解釋推斷圖Fig．7 Comprehensive interpretation map

7 結論

由瞬變電磁法對已知采空區反應情況可知，對地下水位線以下低阻富水采空區反應較好，反映的低阻異常均與已知采空區基本吻合，但處在地下水位線以上的未充水采空區高阻異常，相對于背景其反應不明顯，這與采空區規模以及采空區與圍巖沒有存在足夠大的電性差異有很大關系，也顯現了該方法在探測未充水采空區靈敏度的不足，可嘗試通過改變調節測網密度、線框大小、發射頻率和發射電流等工作參數多次試驗［3］，以使得在探測未充水采空區時取較好的效果。本次圈定的采空影響區均已得到了鉆孔資料的驗證，圈定的異常區內、外均與實際的鉆孔資料吻合，這充分表明了瞬變電磁測深對探測富水采空區是有效可行的，并且效果明顯。同時瞬變電磁法也存在一定的局限性：充水采空區低阻異常并未封閉，呈無限下延趨勢，這與V8TEMIX1D軟件Occam反演算法局限以及復雜的地質條件有極大關系；瞬變電磁法的反演深度存在很大的不可靠性，因此要結合已知的鉆孔資料對其反演深度進行校正，使其反演解釋盡可能的接近實際的地層情況。

通過本次在研究區內瞬變電磁測深對采空區進行的探測，利用已知采空區顯示的電性特征，對未知空白區做了合理的解釋，結合地質資料推斷了采空影響區分布范圍及空間特征，為研究區煤下鋁勘查工作提供保障，同時也為今后全采空區探測提供一些經驗借鑒。

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The appliance research of transient electromagnetic method on detection of goaf in bauxite－coal mine area

LIANG Fang-min，PAN Yan，WEI Ji-zu，ZHAO Xi-yan，HU Shu-li
（Henan Provincial Non-ferrous Metals Geological and Mineral Resources Bureau No．6 Geological unit Team，LuoYang 471002，China）

Gob left after coal mining is a hidden danger for aluminum exploration．Transient electromagnetic method （TEM），one of the geophysical method is adopted to solve the problem of spatial distribution of gob in this paper．The central loop is chosed according to the special geological condition of gob．The influence boundary is determined by the 1Dand 2D TEM inversion mothod constrained with the drilling data．TEM is an effective method for gob exploration in practice．

transient electromagnetic method；goaf；abnormal response

P 631．3

A

10．3969／j．issn．1001-1749．2015．03．09

1001-1749（2015）03-0319-06

2014-08-12 改回日期：2014-10-16

河南省國土資源廳地質科研項目（2011-622-15）

梁芳敏（1984－），女（壯族），工程師，從事地球物理勘探工作，E-mail：jiayu＿889＠163．com。