瞬變電磁法在煤礦采空區勘探中的應用

陳繼宏，羅 強

（河南省地質礦產勘查開發局第二地質勘查院，河南 鄭州 450046）

近年來，因對煤礦長期大范圍的不規范開采，我國許多地區出現了不同程度的地面或地下采空區，成為煤礦水害事故發生的主要隱患和原因。在煤礦采空區勘探及預防煤礦水害事故的發生中，瞬變電磁法因其高分辨率、高效率的特點被廣泛應用。因此，本文以一次煤礦采空區勘探來討論在地面大定源回線內進行瞬變電磁觀測的應用效果。

1 瞬變電磁原理和大定源裝置的特點

瞬變電磁法（TEM）也稱時間域電磁法，是一種以電磁感應原理為基礎的時間域人工源電磁探測方法。它多利用不接地回線（磁源性）向地下發送一次脈沖磁場（一次場），進而在導體中感應出變化的渦流產生瞬變場（二次場）。在一次脈沖磁場的間歇期間，利用接收線圈觀測二次場，再對這些響應信息進行提取和分析，進而反演礦體的位置和形態，最終達到探測目的[1]。

瞬變電磁法按發射源的不同、接收線圈與發射線圈的位置關系、發射波的形態、發射與觀測的空間位置等可進行多種分類。由接收線圈與發射線圈的位置關系，一般分別稱為重疊回線、中心回線、偶極裝置或者大定源回線裝置。

大定源裝置一般采用邊長從100～1000m不等的單匝導線（通常為正方形或矩形）作為發射回線，在回線內外布設多條測線，用小型線圈或探頭沿測線移動觀測的方式（實際觀測多在框內進行）。

大定源回線裝置多用于已知目標體的傾向、走向和深度的地面勘探情況。因發射磁矩大、勘探深度大、異常曲線形態簡單，因能實現一臺發射機發射，多臺接收機移動觀測、連續滾動布線、剖面與測深同時完成，非常高效。

2 大定源裝置瞬變電磁法在煤礦采空區勘探中的應用

西村煤礦需查明12西翼延伸采區范圍內小煤礦采空區的分布特征、賦水性及影響范圍。本次通過地面大定源瞬變電磁法對采空區充富水性及斷層的賦水性影響做出評價，為下一步安全生產、防范水害提供科學依據。

2.1 地層與構造

西村煤礦位于偃龍煤田瑤嶺井田東部淺區。據鉆孔揭露地層由老至新有寒武系上統鳳山組(∈3f)、奧陶系中統馬家溝組 (O2m)、石炭系上統本溪組（C2b）和太原組（C2t）、二疊系下統山西組（P1sh）、下石盒子組（P1x） 及新生界第四系(Q)。

二疊系山西組（P1sh）平均83.37m。主要由砂巖、粉砂巖、砂質泥巖、泥巖、炭質泥巖及煤層組成，本次主要研究的二1煤層賦存于該組的下部，屬大部可采煤層。

勘探區屬嵩山背斜北翼西段，為地層走向NEE～SWW（70°左右），傾向 NNW（340°左右），傾角14°～20°的單斜構造。本區未見有較大規模的斷裂構造。

2.2 水文地質特征

對開采煤層影響較大的含水層自下而上有變質巖裂隙含水巖組、碳酸鹽巖類寒武系與奧陶系灰巖含水巖組、碎屑巖類裂隙含水巖組及松散類孔隙含水巖組。主要的隔水層有本溪組、太原組中段、二1煤層底板、二1煤層頂板四個隔水層。

2.3 瞬變電磁工作的電性條件

勘探區內第四系覆蓋層主要由黃土、黏土、亞黏土等構成，電阻率較小，一般為5～15Ω·m。石炭、二疊等煤系標志層砂巖、砂礫巖地層電阻率相對較大，一般為20～130Ω·m。寒武、奧陶等老地層以灰巖為主，巖體結構若密實不易充水，如果不含導電性強的介質，則電阻率非常大，一般為100～10000Ω·m。若裂隙、巖溶發育，則形成明顯的低阻異常區域。煤系地層開采的采空區在充填水的情況下會顯示低阻，反之顯示為高阻。斷層構造也是如此，斷層為地層斷裂的破碎帶，斷層區域巖體破碎松散，如果受雨水等電阻率較小的介質充填則會顯示低阻。

以上電性特征是通過瞬變電磁法評價采空區和含水層富水性的物理依據。

2.4 瞬變電磁工作布置及成果

根據勘探區的地形地貌及勘探深度的要求，采用大定源裝置框內觀測的方式，瞬變電磁儀為PROTEM57。共設計剖面線28條，方位角74°，網度20m×20m。經過現場試驗，發射線圈尺寸取240m×240m～440m×420m兩種；重復頻率為25Hz;積分時間30s；每測點記錄3次數據；關斷時間由發射機讀取并輸入接收機；每發射框在其中心的1/9面積區域觀測。

反演處理顯示:各測線視電阻率斷面等值線均顯示本勘探區各地層向北側緩傾的特點，與地質及采礦揭露資料相吻合。在視電阻率斷面圖中，每條測線斷面上部50m以淺等值線相對稀疏且電阻率相對較低，主要對應地層為第四系黏土和二疊系煤系地層上部泥巖；地表以下50m至200m等值線相對較密集，呈由低到高，再由高漸低的漸變形態，對應地層為二疊系煤系地層，高阻層位位于煤層上方，對應地層為煤層以上各砂巖地層；底板厚層狀灰巖地層埋藏相對較深，其在斷面圖上均顯示為低阻。

沿二1煤層及其上下順層對視電阻率切片，可對高（低）阻異常區、次級構造的相對分布狀態，含水性及水力聯系等方面進行分析評價。圖1為沿二1煤層順層切片視電阻率等值線與勘探成果圖。勘探區視電阻呈北部高，南部低的特征。通過工作共發現高阻采空異常區1處、低阻含水異常區2處。推斷低阻異常區多分布在已經停止采礦的較為封閉的采區或工作面，這些區域沒有循環通道，容易積聚形成較大面積的積水區。

L1400～1540線的P1640～P1760點間，東西長120m，南北寬約140m，為高阻異常區，推測為采空區（不含水）。

Ⅰ號低阻異常區在P1500點附近南北方向成帶狀，線號方向從1120線到1500線，視電阻率在25Ω·m以下。推測為民采巷道或斷裂構造所致，且近似以民采巷道或斷裂構造X1為對稱軸。在異常的北部和西北部有廢棄的北井和南井，Ⅰ號低阻異常區距北井不足30m，距南井最近距離僅80m，這兩口井曾經發生過透水事故。Ⅰ號異常區為強富水區。

在勘探區南部的Ⅱ號低阻異常區視電阻率在16Ω·m 以下。位于 L1020～1120 線 P1140～1340點間，東西長200m，南北寬約100m，異常向南未封閉。該異常區與礦方提供的向西掘進巷道前方井下探測發現的南北向富水帶相對應。該異常區為強富水區，儲水量較大。

勘探成果為礦井安全開拓提供了科學依據及保障。

3 結語

瞬變電磁法因對煤礦的積水采空區、導水斷層及裂隙含水層等低阻體敏感、探測效果好，在煤礦的井上、井下水文物探中都得到了廣泛應用。

在實際施工中，有多種的干擾因素會影響到觀測數據的精度，甚至是能否正常工作，因此要合理安排，嚴把質量，盡量減少外界因素的影響[2]。例如，多余的發射線隨手堆放就會讓線感明顯增大從而使關斷時間增大，同時也會使衰減曲線畸變，形成假地質異常。

圖1 勘探成果圖