瞬變電磁勘察煤田采空區的可行性解析

彭振洲

（陜西省煤田地質局一三九隊 陜西渭南 714000）

瞬變電磁勘察煤田采空區的可行性解析

彭振洲

（陜西省煤田地質局一三九隊 陜西渭南 714000）

采空區屬于重要的煤田自然災害，是基于煤田開采作用下形成的，是影響煤礦后續開采工作有序開展的關鍵因素。瞬變電磁是以電磁感應原理為基礎，分析、研究人工源激勵下地質體響應信息，實現對地下地質體的探測目標，其屬于時間域人工源電磁探測法。本文筆者將以瞬變電磁和煤田采空區為出發點，分析瞬變電磁勘察煤田采空區的可行性，以供相關人士參考。

瞬變電磁；煤田采空區；可行性

1 瞬變電磁法基本概述

瞬變電磁方法是基于電磁感應原理作用下的時間域人工源電磁探測法。瞬變電磁方法借助磁源（即不接地回線）與電偶源（即接地線源）向地下發送脈沖磁場，通常情況下為一次場，在此激發作用下，地下地質體重激勵起的感應渦流將產生相對應的隨時間變化的感應電磁場，即為二次場。二次場蘊含大量的地質體信息，以一次脈沖磁場間歇期間為依據，采用線圈或接地電極對二次場進行觀測，并提取、分析響應信息，實現對地下地質體的探測。蘇聯最早將時間域電磁法應用至地質結構探測，我國研究瞬變電磁始于20世紀70年代初期。限差分法、積分方程法以及有限單元法是瞬變電磁數值模擬主要的三種方法。

2 煤田采空區基本概述

煤田采空區是基于煤田開采過程中形成的。由于煤層被挖空，導致上覆巖層的應力平衡遭到破壞，同時，受不同程度充水的影響，形成采空區，常表現為高阻或低阻異常。其中，電法勘探、地球物理測井、地震勘探、電磁勘探、放射性勘探以及微重力勘探均屬于采空區物探勘察方法的探測原理。

3 瞬變電磁勘察煤田采空區的可行性分析

3.1 瞬變電磁法原理

瞬變電磁法是時間域電磁感應法，對于瞬變電磁法的勘探原理，是基于人工在發射線圈加以脈沖電流作用下，產生相對應的瞬變電磁場。該磁場通過垂直發射線圈迫使其傳播至兩個不同的方向。一般而言，發射線圈布設于地面，以半空間傳播原理為指導，忽略地面以上。當磁場傳播至地表深部時，若遇到不同介質，導致渦流場產生，或以量子力學原理為依據，產生較活潑的堿金屬，亦或是使含有大量氫原子的液體的氫原子核沿磁場方向產生定向排列。當撤離外加的瞬變磁場后，致使渦流場釋放或活潑的堿金屬恢復到原本的能級，且在釋放躍遷過程中產生一定能量。與此同時，含有大量氫原子的液體的氫原子也將恢復到原有的排列形式，并在磁場形式基礎上，將所獲得的能量釋放出。基于接收線圈作用下，對感應電動勢V2進行測量。

以線圈為對象，對V2進行接收，易對空間電磁場或相關的人文電磁場產生一定的干擾。為降低此種干擾的影響力，盡可能保證發射電流較大，迫使獲得的激勵磁場達到最大，提升信噪比，有效控制干擾。一般而言，分離回線、中心回線以及重疊回線是較常使用的接收裝置，其中重疊回線效果最佳，所得信息具有較強的完整性。

3.2 瞬變電磁2.5有限元法正演的程序

該程序由一個主程序和多個子程序構成，其中，包括有限單元網格剖分子程序IPN、一次場計算子程序SINCA以及合成總剛度矩陣子程序等。具體程序流程，如圖1所示。

3.3 一維模型計算

為驗證2.5維程序的正確性與精準度，利用2.5維程序分析有解析解的一維模型。

（1）H型模型：模型參數分別為：ρ1=100Ω·m，h1=100m，ρ2=20Ω·m，h2= 50m，ρ3=100Ω·m。其中，2b=50m是中心回線的發射回線邊長，Sn=50m2為探頭等效面積。針對8μs-132ms的平均相對誤差，分別為一次場1.6%和二次場18%，且采樣早期與晚期是誤差較大的時段。結果顯示，一次場的有限元解與解析解大致吻合，且與其他地球物理方法的正演精度大致相同。二次場有限元解與解析解曲線狀態完全吻合，但幅值存在差異。

（2）K型模型：模型參數：ρ1=100Ω·m，h1=100m，ρ2=200Ω·m，h2=50m，ρ3=100Ω·m。其中，2b=50m為中心回線的發射回線邊長，Sn=50m2為探頭等效面積。針對8μs-132ms的平均相對誤差，分別為一次場1.6%和二次場21%。結果顯示，一次場的有限元解與解析解大致吻合，且與其他地球物理方法的正演精度大致相同。二次場有限元解與解析解曲線狀態完全吻合，但幅值存在差異。

圖1 程序流程圖

3.4 采空區模型抽象與數字模擬

在開采煤層過程中，導致采空區形成，加之不同地區水文條件存在差異，且采空區存在不同的填充物，基于電阻率作用下，相對于周圍巖層，高阻或低阻形成于采空區。

在分析瞬變電磁勘察煤田采空區可行性時，結合相對與絕對的方法。其中，相對，即二次場相對于一次場和地質噪聲能夠被分離出來，換言之，未被一次場和地質噪聲所掩埋。絕對，即基于現有儀器分辨率水平下，能夠準確識別二次場，換言之，作為異常體響應有足夠的點的幅值超出儀器最小可記錄電平。

（1）低阻（充水）采空區模型：

模型1：模型參數：ρ1=100Ω·m，ρ2=20Ω·m，h1=100m，h2=10m且100m為水平延伸，2b=50m為中心回線發射回線邊長，1A為發送電流，Sn=50m2為探頭等效面積，基于8μs-132ms時間段內進行指數采樣。其中，500m為異常體中心點位置，而350～650m為測量范圍（如圖2）。

圖2 低阻采空模型1的多測道剖面圖

由圖2可知，時間處于16μs時，剖面幾乎呈現出直線狀態，則標志在此時刻下二次場遠遠小于一次場，特別是對數坐標下，且32μs與64μs的負異常現象最為顯著，而128μs和256μs處于正異常狀態下。

模型2：模型參數：ρ1=100Ω·m，ρ2=20Ω·m，h1=150m，h2=10m，100m為水平延伸，2b=50m為中心回線發射回線邊長，1A為發送電流，Sn=50m2為探頭等效面積，基于8μs-132ms時間段內進行指數采樣。500m為異常體中心點位置，350～65m為測量范圍。

圖3 低阻采空模型2的多測道剖面圖

有圖3可知，16μs、32μs以及64μs三條剖面無限接近直線，由此證明，在此時刻二次場小于一次場，特別是對數坐標下。128μs時負異常較為明顯，256μs與512μs時正異常較為顯著。

（2）高阻（未充水）采空區模型：

模型1：模型參數：ρ1=100Ω·m，ρ2=1000Ω·m，h1=100m，h2=10m，100m為水平延伸，中心回線發射回線邊長、發送電流以及探頭等效面積等數據與上述模型一致（如圖4）。

如圖4所示，時間段處于16μs和32μs時剖面幾乎呈直線狀，可見在此時刻基礎上二次場小于一次場，特別是對數坐標下。64μs時為正異常，但二次場幅值仍偏小。128μs時，中心位置為負異常，而兩側為正異常。256μs時刻為負異常。

模型2：基于其他參數不變的基礎上，將埋深h1設置為150m。結果顯示，時間段為64μs時剖面近似于直線，標志著該時段二次場低于一次場，特別是對數坐標下。128μs時刻為正異常，且二次幅值較低，512μs為負異常。

3.5 瞬變電磁勘察采空區的可行性

由以上模型和模型計算得知，埋深情況以及賦水狀態是影響瞬變電磁二次場響應的關鍵因素。需注意的是：①本次研究采用GDP32Ⅱ電法工作站的TEM方法使用探頭達到接收目的，1000m2為等效面積。換言之，基于接收磁矩的變化，可致使二次場值提升約200倍，若充分考慮發送電流倍數關系，二次場幅值將遠高于電法工作站的最小輸入電平。若以絕對意義為出發點，則表示可探測到二次場，并存在相應幅值。②針對采空區的實際情況而言，其走向方向延伸具有一定限度，不可能達到無窮效果，由于采空區模擬處于二維與三維之間，相較于實際模型而言，所求的瞬變電磁響應明顯大些，且走向長度與深度的比值與具體比例存在聯系，在此基礎上，需進一步對三維進行驗證。

圖4 高阻采空模型1的多測道剖面圖

4 小結

總而言之，煤礦采空區易導致地質災害，危及人們的生產、生活，阻礙地方經濟發展。然而，瞬變電磁是探測煤礦采空區位置的有效方法，由于其具有成本低、橫向分辨率高以及體積效應小等優勢，得到廣泛應用。與此同時，為提高瞬變電磁法的有效性，對瞬變電磁勘察煤田采空區可行性的進一步分析勢在必行。

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P631.3

A

1004-7344（2016）05-0187-02

2016-2-1

彭振洲（1988-），男，助理工程師，本科，主要從事煤田測井，煤礦隱蔽致災因素勘察的工作。