瞬變電磁法在采空區探測中的應用

亓 吉 華

(山西省地質勘查局二一三地質隊,山西 臨汾 041000)

0 引言

瞬變電磁法是一種全新的地球物理勘探方法，該方法以巖石導電性差異(電阻率大小)為應用前提，屬時間域電磁感應。煤系地層最明顯的特點是在豎直方向上層狀分布而在水平方向上相對均一。當存在巖溶洞穴、煤礦采空區、斷層或裂隙帶等局部異常體時，如果異常體充水，在瞬變場和直流電探測資料上呈現低視電阻率異常反應；如果局部異常體不充水，則表現為高視電阻率異常反應。根據以往經驗，電阻率大小依次為煤層>砂巖>泥巖。煤層及其充氣的采空區或巷道與其周圍介質相比是絕對的高阻物性反應，因此，探查煤礦采空區可用查找高阻異常區來間接實現。而在煤礦采空區充水的條件下則表現為明顯的低阻異常反應。

1 基本原理

向布設于地面的回線發送一個電流脈沖方波，將產生一個向地下傳播的一次磁場，在該磁場的激勵下，地質體內部可形成渦流，其大小取決于地質體的導電性能。該磁場消失后，渦流不會立即消失，而是進入一個衰減的過程，在此過程中又產生一個向地表傳播的，不斷衰減的二次磁場，并通過地面的回線裝置接收。按不同的延遲時間測量二次感應的電動勢，便可得到二次磁場隨時間衰減的特性曲線，該曲線反應地質體導電性的分布狀況。如若不存在良導體，渦流將快速衰減；若存在良導體，則在電源切斷的瞬間，渦流可維持較長的時間，因此其衰變速率較為緩慢，如圖1所示。在此過程當中，電磁能量在介質中不斷消耗，其頻率較高的電磁波僅集中于地表附近，而較低頻部分則向深處傳播，且分布范圍逐漸擴大。

瞬變電磁儀器選用Terra TEM(見圖2)，該儀器由澳大利亞聯邦科學工業研究院研發，具有便攜式接收機和發射機為一體的特點，以及良好的用戶使用界面。探頭選用國產TEM-7K型(見圖3)。

2 工程實例

在山西省中陽縣金羅鎮張子山村東南部有一個范圍較大的積水區，系華潤聯盛集團蘇村煤礦采空造成地表沉降形成的。為了控制村莊東部的采空區邊界，共布置測線3條，每條測線長450 m。從圖4～圖6可知，三條測線表現出基本一致的電性變化：在小號點(0 m～100 m)地層電阻率由淺至深大致呈遞減的趨勢，而測線剩余部分的電阻率在淺部為低阻，中間深度處為高阻，深部又變為低阻。根據前文所述，當煤層未被開采時，含煤的石炭系地層呈高阻反應，而煤被采后形成的富水采空區呈低阻反應。因此，可以推斷1線～3線的小號區域可能存在富水采空區，并且注意100 m～150 m范圍內半高阻區域，此范圍可能為采空區與穩定地層的過渡區域，或者該區域煤層已被開采，但并未出現大面積塌陷形成富水采空區。

3 結語

根據對瞬變電磁及直流電測深探測成果的分析，基本可以認為，當地下煤層被采空后，造成的地層巖石力學破壞，致使地下出現塌陷并波及至地表。穩定的石炭系地層遭破壞后，巖石間裂隙增大，形成良好的富水及導水區域，造成電法勘探的低阻反應，與穩定含煤地層的高阻反應形成強烈的對比。因此，在進行采空區解釋時，以可采煤層的電性高低為判斷標準，即高阻反應時解釋為未采的穩定地層，低阻反應時解釋為采空區。