瞬變電磁法在新疆大黃山煤礦的應用

王建林 楊學仁

（新疆大黃山豫新煤業有限責任公司通防部，新疆 阜康 831509）

1 概況

新疆大黃山煤礦位于烏魯木齊市以東120km，距阜康市60km，屬昌吉回族自治州阜康市管轄，地理坐標：東徑88°37′15″～88°40′15″，北緯44°01′30″～44°03′00″。

2 探測方法的確定

采空區及火區燒空區位置的探測目前主要應用的方法有：高密度電法、瞬變電磁法、淺層地震法、探地雷達法等，根據大黃山煤礦火區的地球物理特征、地形及地質特征，礦井的磁、電干擾情況，參考目前火區傳統探測方法，通過現場踏勘后，本次大黃山煤礦采空區地面物探采用瞬變電磁法來圈定老窯采空區及火區燒空區范圍。瞬變電磁法和其他物探方法相比具有許多優勢和特點，主要表現為：

（1）不存在背景場的干擾；

（2）瞬變電磁具有穿透高阻的能力；

（3）響應分辨率強，準備結構簡單，便于測量操作，能大大提高工作效率。

3 裝置及工作原理

瞬變電磁法是目前物理探測的重主要手段之一，該方法通過向地下發射電磁波，誘導地下目標，接收其產生的二次場，確定被測目標的物理性能參數。

該測量裝置由發射回路線和接收回路線組成，工作過程分為電磁發射、感應和接收三個部分。當發射回路線中通電流，發射電流突然中斷，按照電磁感應理論，發射回路線中電流突然變化會在其周圍產生電磁場，該電磁場稱為一次電磁場，一次電磁場在傳播過程中，如遇到良導電的地質體，將在內部激發產生感應電流，又稱二次電流。由于二次電流隨時間變化，因而又產生新的電磁場，稱為二次電磁場。因良導電地質體內感應電流的熱能損耗，二次電磁場隨時間衰減，形成瞬變磁場，二次電磁場主要來源于良導電地質體的感應電流，它包含著與地質體有關的地質信息，二次電磁場通過接收回路線觀測，并對觀測的數據分析和處理，對地下地質體的相關物理性能參數進行解釋。如示意圖圖1所示。

圖1 瞬變電磁法觀測示意圖

4 測網布置原則

物探測線走向盡可能垂直地層走向，使探測異常位于測線的中間，測線兩端有一定點數的正常場，測線盡可能通過已知點。

勘查區內基本網度為40m×20m，線距為40m，點距為20m，因大黃山煤礦勘查區西翼為勘查重點區，所以將西翼的網度加密至40m×10m，線距40m，點距10m。各物探方法使用同一測網。測線及測點編號按從西向東、從南向北增大的順序依次排序。

測線方位：大黃山煤礦西翼為正南北向測線，東翼為北19°東。

此次測網布設工作共放樣物探測線77條，物探測點2276個，測線里程30.74km。其中西翼40條測線（X1～X40），煤礦37條測線（D1～D37）。在放樣過程中，對有房屋等障礙物無法放樣的測點都進行了記錄。

5 試驗

5.1 儀器性能測試

儀器性能測試試驗包括設備進場后的標定，儀器穩定性測試。

5.2 環境噪音測試

分別在干擾區和非干擾區的試驗線上進行了環境噪音測試試驗，以了解勘查區內的電磁干擾情況。此次試驗工作完成一條測線共計139個物理點，試驗工作量統計表見表1所示。

5.3 測驗參數選擇

（1）試驗線選取

選取大黃山煤礦西翼中部X21線進行參數的試驗，X21線除北端有高壓線干擾源外再無明顯干擾源。

（2）儀器標定

設備進場后，對主機、電流監控盒子均進行標定，通過標定，儀器運行正常且儀器標定曲線符合儀器廠家提供相關要求，無異常響應。

（3）儀器穩定性測試

儀器穩定性試驗在不改變任何施工參數的前提下，在相同測點上用同一臺儀器進行重復觀測，根據觀測結果評價儀器的穩定性。

表1 試驗工作量統計表

（4）環境噪音測試試驗

環境噪音測試試驗在不發射狀態下，接收機采集環境噪音（即空采），通過對噪音水平分析，分析本區噪音對信號的影響程度。環境噪音測試在X21線進行，通過在無干擾點處和高壓線下空采，獲得環境噪音數據，再與同點實測數據作對比，分析評價干擾的影響程度。

通過X21線0號點環境噪音曲線與該點實測曲線對比，該處地表為原始地貌，無明顯干擾源，通過與實測曲線對比可見環境噪音對實測曲線對實測值基本無影響。

X21線380號點環境噪音曲線與該點實測曲線對比，該點位于35kV高壓線附近，受高壓線影響干擾較大，經反復試驗，在距高壓線40m范圍內均會受到不同程度的干擾，越靠近高壓線干擾越大。遇到類似的干擾，觀測曲線會出現畸變，應查明原因后，重復觀測，必要時采取偏移或跳點措施避開干擾源并且在偏移點增大觀測時長至300s進行采集，處理數據時有針對性的采取多次濾波，降低干擾影響。

（5）發射電流試驗

從理論上分析，發射電流越大，抗干擾能力越強，但是關斷時間也越長，對淺部信息的分辨能力不夠。結合大黃山煤礦實際情況，采用10A和7A的發射電流進行試驗。通過在同一發射線框、同一發射頻率下分別對兩種不同電流值的對比，結合實際情況，選用相對合適的發射電流。

X21線發射線框、發射頻率不變的前提下，采用不同發射電流（10A、7A）進行采集的同一測點的衰減曲線對比圖。從圖上可以看出，兩種電流的衰減曲線整體形態平滑，曲線大部分相互重合，只有在曲線尾支有較小的差異，發射電流為7A的曲線尾支存在較小的跳動，且尾支衰減形態不夠完整，相對而言電流為10A的曲線形態更為穩定、完整。

綜合考慮以上因素，并結合儀器性能、地形等實際因素，發射電流為10A的效果好于7A。

（6）發射頻率選擇試驗

在相同的發射線框240m×240m，發射相同電流（10A）的情況下對發射頻率分別為2.5Hz、5Hz及10Hz進行試驗。

X21線在發射相同線框、電流情況下發射頻率為5Hz的曲線更為平緩、穩定。因此在本區采用5Hz發射頻率較為合適。

（7）發射線框試驗

根據大黃山實際地質情況，試驗采用發射線框240m×240m、180m×180m的兩種線框進行試驗。

通過在探測線X21上發射相同頻率、電流，在觀測時長一致的條件下240m及180m發射線框的視電阻率等值線斷面圖。

通過對比發現，兩種發射線框在深度上均能夠滿足地質需要。 240m線框整體效果相對略差，180m線框相對抗干擾能力較好，兩種線框淺部信息差異不大，180m線框淺部盲區相對較小。故選擇180m發射線框作為正式施工的發射線框。

（8）觀測時間的試驗

在相同發射線框、頻率、電流參數下，觀測時長用≤90s和≥120s進行試驗。

通過現場試驗對比，采用≥120s的觀測時長電阻率曲線和衰減曲線的尾支的形態及平滑度比采用≤90s觀測時長所得的曲線更優，因此大黃山煤礦采用的觀測時長確定為≥120s。

5.4 剖面數據處理

用已經初步確定的試驗結果進行數據采集，對采集到的數據進行處理和反演，并結合已有地質剖面、鉆孔和測井等資料進行分析，確保施工參數的合理性，為后期的數據處理、解釋提供依據。

6 試驗成果分析

通過試驗和資料處理，確定本區最終施工參數為：發射頻率為5Hz，發射線框選用180m×180m，發射電流為10A，觀測時長為≥120s。

圖2是根據上述施工參數采集的數據經過反演、地形校正及深度校正后得到的X21線視電阻率等值線斷面圖。

圖2 X21線視電阻率等值線斷面圖

通過對比，各煤層位置投影至視電阻率等值線斷面圖中后可看出，圖中顯示的電性異常反映和地質資料較吻合；圖中所示的各煤層露頭位置與實際相符；視電阻率斷面圖中已知采空區位置上方出現高阻異常，推測為采空放頂后上部地層塌陷所致；視電阻率斷面圖中在已知火區位置出現高阻異常，推測為巖石燒變及燒空區。

7 結語

通過地面調查、瞬變電磁法、鉆探驗證等手段，圈定了大黃山煤礦采空區平面分布位置及面積，查明采空區累計面積154.50萬m2，為下一步大黃山煤礦采空區和火燒區消除隱患及綜合治理提供了基礎依據。