瞬變電磁法在雙層煤礦采空區探測中的應用

呂金牛，王福生（1.太原理工大學 礦業工程學院，太原 030024；2.山西榆次北山煤業有限公司，山西晉中 030600）

瞬變電磁法在雙層煤礦采空區探測中的應用

呂金牛1，2，王福生1，2
（1.太原理工大學 礦業工程學院，太原 030024；2.山西榆次北山煤業有限公司，山西晉中 030600）

針對雙層煤礦采空區所特有的地質特征，應用納米瞬變電磁法探測淺埋深煤層采空區，大定源瞬變電磁法探測較深埋深煤層采空區，從而達到同時探測雙層煤礦采空區的目的。以實際工程為例，通過試驗測線確定工作區煤礦采空區視電阻率值后，結合實測資料與地質情況準確圈定了工作區不同埋深的7號、8號煤層采空區的位置與范圍，充分說明了瞬變電磁法（TEM）在不同埋深煤層煤礦采空區的探測方面具有很強的優越性。

瞬變電磁法；探測；雙層煤礦采空區;視電阻率

近年來因礦產開采而引發的各種地質災害屢見報端，其危害程度已遠遠超出人們的預想，尤其是煤礦采空區，長期的煤礦開采使開采地區地表出現裂縫或塌陷，致大量農田無法耕種；靠近山區的煤礦開采極易引發山體滑坡，毀壞國家公路鐵路，給國家和人民的生產生活帶來極大的不變和巨大的經濟財產損失。尤其是有多層煤礦采空區的情況下，造成的破壞更大，探測也更為不易。在目前探測煤礦地下采空區的多種技術手段中，瞬變電磁法的應用已較為成熟。相比高密度直流電法[1]、同位素氡氣測量[2]、地震勘探[3]等在探測煤礦采空區中應用較多的物探方法，依據地下煤礦采空區在不同情況下的電性特征，瞬變電磁法不僅可以有效圈定采空區的位置，還可以確定其埋藏深度以及對其是否充水做出準確判斷，因此在煤礦地下采空區的探測中得到了廣泛應用[4]。

瞬變電磁法屬于時間域電磁感應法，它是利用不接地回線向地下發送一次脈沖磁場，在一次磁場間歇期間利用同一回線或另一回線接收感應二次磁場，該二次磁場是由地下良導地質體受一次場激勵引起的渦流所產生的非穩磁場。在埋深不同的多層煤礦采空區中，可以通過調整發射一次脈沖磁場的關斷時間，分別利用大定源瞬變電磁法和納米瞬變電磁法來達到探測深埋深煤層和淺埋深煤層的煤礦采空區的目的。

1　瞬變電磁法基本原理

瞬變電磁法又可稱為時間域電磁測深法，簡稱TEM，屬于電磁感應類探測方法。其核心思想就是：在均勻半空間條件下，地下介質體在變化的電磁場激勵下而產生變化的渦流場，渦流效應在短時間內不會消失，而是在其周圍繼續產生隨時間不斷衰減的二次電磁場。具體工作就是利用一個不接地的回線作為發射線圈，向地下發送階躍式變化的電磁波作為激發場（通常稱為“一次場”），然后在地表接收區域利用接收探頭觀測其產生的電磁場（通常稱為“二次場”）在時間和空間上的分布并儲存，做出TEM法工作原理示意圖，見圖1。

圖1　TEM法工作原理示意圖

納米瞬變電磁法（NanoTEM）的探測原理同瞬變電磁法相同，只是通關減小發射一次脈沖電磁場的關斷時間從而縮小采樣間隔，提高采樣效率，達到探測埋藏深度較淺、體積較小的地下異常體的目的。相對于對一次場，二次場脈沖信號可表示為：

式中：μ0為磁導率，μ；M為發送線圈磁矩，m；q為接收線圈等效面積，m2；ρ為地層電阻率，Ω·m；t為斷電后的采樣時間,μs。

從式（1）可以看出，二次場脈沖信號的大小與地層電阻率ρ的3/4次方以及采樣時間t的5/4次方成反比。由此可以看出，由一次場激勵所產生的渦流電磁場與地下地質異常體的物理性質和空間賦存狀態相關，且在瞬變電磁法中，可以利用二次場信號到達地表的時間早、晚來分別反映地下淺部和深部的地質信息[5]，因此有效區分早期信號中來自地下異常體的電磁感應信號或者縮短早期信號返回地表的時間，就可以大大提高傳統瞬變電磁法對于淺埋深地質異常體的探測能力。

研究表明，在近地表電阻率值為100 Ω·m，使用200 m×200 m發射線圈時瞬變電磁法的最大探測深度可達331.8 m,但在此條件下其最小探測深度為33.16 m，也就是說瞬變電磁法無法取得從地表到地下33.16 m處的有效地質信息。在近地表電阻率值為100 Ω·m的條件下，即使使用50 m×50 m的發射線圈其最小探測深度也只有31.6 m[6]，因此在同時探測埋深不同的多層煤礦采空區時，淺埋深煤層的煤礦采空區對常規瞬變電磁法的影響微乎其微，但常規瞬變電磁法對淺埋深煤層煤礦采空區也束手無策。

直到美國Zonge公司開發出GDP-32Ⅱ,并在其中設置了專門的采樣模式后，具有快速取樣和快速關斷特點的納米瞬變電磁法（Nano TEM）才逐漸進入人們的視野。由于它的采樣間隔（關斷時間）為1.2 μs或1.6 μs，最小可達1 μs，假如地層淺部平均電阻率為50 Ω·m～60 Ω·m，關斷時間以1.2 μs計算，那么納米瞬變電磁法的最小采集深度可以達到7 m左右，大大減小了常規瞬變電磁法的勘探盲區范圍[7]，為納米瞬變電磁法的推廣應用創造了良好條件。

為了有效說明納米瞬變電磁法快速關斷的采樣特點，美國ZONGE公司分別作了各個回線尺寸下的NanoTEM關斷時間實驗，實驗結果如表1所示。

表1　納米瞬變電磁法近似關斷時間表

憑借其快速關斷發射延時以提高取樣率的特點,NanoTEM有效的實現了淺埋深地質異常體的的詳細勘探[8]。

2　煤礦地下采空區的電性特征

一般情況下，煤系地層視電阻率值以采空區(空洞)為最高，其次是石灰巖、煤層、泥巖及充水巖溶裂隙巖層。電阻率值大小依次為：采空區(空洞)＞灰巖＞煤層＞砂巖＞泥巖＞含水裂隙巖層[9]。以上所述僅是巖層在常規條件下的視電阻率值,當巖層存在各種松散的裂隙、孔隙或者含水時，將會改變原來的物理性質特征，其電阻率值將會急劇下降。這種變化程度與松散裂隙的發育程度、孔隙中的含水多少成正相關關系[10]。煤層被開采以后,在原煤層頂底板巖層間形成一定的空間，破壞了地層的完整性和連續性，在沒有充水的情況下，該處的視電阻率值明顯高于周邊原始地層，呈現明顯的局部高阻特性。當采空區中有積水充填時,由于水體的良導特性，會使其電阻率急劇下降，明顯低于圍巖,呈低阻反映[11]。煤礦采空區所特有的這些物理性質為瞬變電磁法探測煤礦采空區提供了良好的地球物理勘探基礎。

3　工程應用實例

3.1項目介紹

本次工程主要是利用大定源瞬變電磁法和納米瞬變電磁法法查明太原某煤礦地下7、8號煤層雙層采空區的分布情況。7號煤層采空區埋深約14 m，其底板等高線在1 117 m左右；8號煤層采空區埋深越40 m，底板等高線在1 094 m左右。

從地層揭露情況來看，場地地基土主要由雜填土、局部碎石土及基巖組成，松散層為第四系堆積物，基巖為石炭系上統太原組地層。根據《地質礦產勘查測量規范》(GB/T 18341-2001)以及《地面瞬變電磁法技術規程》(DZ/T 0187-1997)，結合現場地質情況，本次探測項目采用5 m×5 m測網密度，測線近南北向布置共設計NanoTEM測線數15條，TEM測線數17條，NanoTEM測點數191個，TEM測點數225個。

3.2試驗測線結果分析

3.2.1納米瞬變電磁法試驗測線結果分析

在對試驗測線分別選用2A、3A的發射電流、淺層觀測時窗和標準觀測時窗、20 m×20 m和30 m× 30 m的發射線框做過對比試驗后，以保證勘探深度為前提，保證在觀測時窗內記錄較多的淺層地質信息為原則，且為了保證能夠采集到較優良的數據，本次納米瞬變電磁法勘探的野外施工參數確定選用3A的發射電流、標準觀測時窗和20 m×20 m的發射線框進行野外施工。

S1線、S2線近南北向布置。從視電阻率擬斷面圖（圖2、圖3）上不難看出，在水平標高1 117 m處，S1線25 m~80 m段視電阻率值整體上不大于120 Ω·m，此處鉆孔見7號煤層；S2線視電阻率值整體不低于120 Ω·m，此處鉆孔揭露為7號煤層采空區。對比已知資料分析得出7號煤層采空區的視電阻率不低于120 Ω·m。

圖2　S1線視電阻率擬斷面圖

圖3　S2線視電阻率擬斷面圖

3.2.2大定源瞬變電磁法試驗測線結果分析

在對試驗測線分別選用7A、8A的發射電流、16 Hz和32 Hz的發射頻率、200 m×200 m和200 m× 300 m的發射線框做過對比試驗后，以保證勘探深度為前提，保證在一定的發射頻率下可以記錄較多的深層地質信息為原則，且為了保證能夠采集到較優良的數據，本次大定源瞬變電磁法勘探的野外施工參數確定選用8 A的發射電流、32 Hz的發射頻率和200 m×200 m的發射線框進行野外施工。

S3線、S4線近南北向布置。從視電阻率擬斷面圖上不難看出（圖4、圖5），在水平標高1 094 m處，S3線在30 m~35 m之間視電阻率不大于70 Ω·m，此處鉆孔見8號煤層；S4線視電阻率值整體不低于70 Ω·m，此處鉆孔揭露為8號煤層采空區。對比已知資料分析得出8號煤層采空區的視電阻率不低于70 Ω·m。

3.3觀測系統及主要技術參數

根據操作規范和試驗區特有的水文地質條件確定可選參數后，在野外實地操作驗證，按設計分別采集不同參數下的觀測數據，經后期處理，在既能保證有效勘探深度又能保證有用信號質量的基本原則下，經過科學對比，反復論證后確定出現場操作的最佳施工參數，并制定出特殊條件下（如強干擾區）的備選施工參數。根據試驗測線的分析結果，本次利用瞬變電磁法勘探的主要技術參數和備選施工參數可大致確定如下：測線間距為5 m；測點間距為5 m~20 m不等；接收時間按采樣間隔全部提取、任意組合；疊加次數>256次；觀測時間為TEM 20 ms，NanoTEM 8 ms；最大頻點間距由野外試驗最終確定；前置增益為26（可變范圍20~26）。

圖4　S3線視電阻率擬斷面圖

圖5　S4線視電阻率擬斷面圖

3.4視電阻率擬斷面圖分析

3.4.1納米瞬變電磁法視電阻率擬斷面圖分析

K線近似南北向布置，共9個測點，總長度80 m。視電阻率擬斷面圖上（圖6），沿1 117 m水平標高，0~10 m，50 m~80 m視電阻率值不大于120 Ω·m，結合試驗線結論，推斷為正常區域；10 m~50 m視電阻率值不低于120 Ω·m，推斷為7號煤層采空區反應。

圖6　K線視電阻率擬斷面圖

3.4.2大定源瞬變電磁法視電阻率擬斷面圖分析

M線近似南北向布置，共9個測點，總長度80 m。視電阻率擬斷面圖上（圖7），沿1 094 m水平標高，25 m~40 m，60 m~80 m視電阻率值低于70 Ω·m，結合試驗線結論，推斷為正常區域；0~25 m，40 m~60 m視電阻率值大于70 Ω·m，推斷為8號煤層采空區反應。

圖7　M線視電阻率擬斷面圖

3.5視電阻率平面圖探測結果分析

根據試驗線結論，瞬變電磁法及納米瞬變電磁法根據實驗線的采集數據確定7、8號采空區均為相對高阻異常，納米瞬變電磁法圈定7號采空區異常的視電阻率值不低120 Ω·m。大定源瞬變電磁法確定圈定8號采空區視電阻率值不低于70 Ω·m。

在7、8號煤層視電阻率異常平面圖上，未經過人工擾動的情況下，原始地層在視電阻率（ρs）擬斷面圖上的電性變化呈現出一定的規律性，具體表現為視電阻率值變化平穩，等值線呈似層狀平緩分布。相反，當地下存在采空（積水）區時，則視電阻率值明顯增大（減小），等值線發生較大扭曲、變形或呈密集條帶狀分布，在彩色視電阻率（ρs）擬斷面圖上表現的更加直觀。

3.5.1瞬變電磁法視電阻率平面圖探測結果

圖8　TEM 8號煤層視電阻率異常平面圖

8號煤層視電阻率異常平面圖，見圖8，該平面圖為測區內8號煤層的視電阻率異常平面圖，從圖上不難看出，在R測線到M測線區段，視電阻率等值線呈圈閉狀分布，與測區上部呈似層狀平緩分布的等值線形成鮮明對比，且整體上不低于70 Ω·m，以試驗測線結果為標準，結合地質及鉆孔資料以不低于70 Ω·m圈定了8號煤層采空區范圍，圖中以黑虛線畫出。

圖9　NanoTEM 7號煤層視電阻率異常平面圖

3.5.2納米瞬變電磁法視電阻率平面圖探測結果

7號煤層視電阻率異常平面圖，見圖9，該平面圖為測區內7號煤層的視電阻率異常平面圖，從圖上不難看出，在整個測區內，視電阻率等值線在整體上都呈圈閉狀分布，以試驗測線結果為標準，結合地質及鉆孔資料以不低于120 Ω·m圈定了7號煤層采空區范圍，圖中以橘黃色線畫出。

4　結束語

通過對試驗區內地下7號淺埋深煤層以及8號較深埋深煤層采空區的的實地探測，準確圈定了采空區的位置和具體范圍，充分證明了瞬變電磁法（TEM）在不同埋深煤層雙層煤礦采空區的探測方面具有很強的優越性。

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[3]宗志剛.地震勘探方法在探測煤礦采空區中的應用研究[D].北京:中國地質大學（北京），2006.

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（編輯：樊敏）

Application of Transient Electromagnetic Method in Exploration of Mined-out Area of Double-decked Coal Mine

LV Jinniu1，2，WANG Fusheng1，2
(1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China; 2.Beishan Coal Co.,Ltd.,Yuci 030600,China)

Based on the geological features of the mined-out area of double-decked coal mine,nano transient electromagnetic method(TEM)was used to explore the mined-out area of shallow buried coal seam and large fixed loop TEM was used to explore that of deep buried coal seam in order to explore the double-deck at the same time.A real engineering project as an example,apparent resistivity of the mined-out area was determined by testing line with experiment.Combined with testing data and geological condition,the locations and ranges of No.7 and No.8 mined-out area with different buried depth were delineated.The results show that TEM has strong advantages in the exploration of the mined-out area in the coal seams with different buried depth.

transient electromagnetic method;exploration;mined-out area of double-decked coal mine;apparent resistivity

P631.6

A

1672-5050（2016）02-0014-05

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.02.005

2015-10-28

呂金牛（1967-），男，山西晉中人，在讀工程碩士，工程師，從事煤礦生產技術管理工作。