瞬變電磁法在煤礦采空區(qū)勘探中的應(yīng)用

陳繼宏，羅 強(qiáng)

（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第二地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450046）

近年來(lái)，因?qū)γ旱V長(zhǎng)期大范圍的不規(guī)范開(kāi)采，我國(guó)許多地區(qū)出現(xiàn)了不同程度的地面或地下采空區(qū)，成為煤礦水害事故發(fā)生的主要隱患和原因。在煤礦采空區(qū)勘探及預(yù)防煤礦水害事故的發(fā)生中，瞬變電磁法因其高分辨率、高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。因此，本文以一次煤礦采空區(qū)勘探來(lái)討論在地面大定源回線內(nèi)進(jìn)行瞬變電磁觀測(cè)的應(yīng)用效果。

1 瞬變電磁原理和大定源裝置的特點(diǎn)

瞬變電磁法（TEM）也稱時(shí)間域電磁法，是一種以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)的時(shí)間域人工源電磁探測(cè)方法。它多利用不接地回線（磁源性）向地下發(fā)送一次脈沖磁場(chǎng)（一次場(chǎng)），進(jìn)而在導(dǎo)體中感應(yīng)出變化的渦流產(chǎn)生瞬變場(chǎng)（二次場(chǎng)）。在一次脈沖磁場(chǎng)的間歇期間，利用接收線圈觀測(cè)二次場(chǎng)，再對(duì)這些響應(yīng)信息進(jìn)行提取和分析，進(jìn)而反演礦體的位置和形態(tài)，最終達(dá)到探測(cè)目的[1]。

瞬變電磁法按發(fā)射源的不同、接收線圈與發(fā)射線圈的位置關(guān)系、發(fā)射波的形態(tài)、發(fā)射與觀測(cè)的空間位置等可進(jìn)行多種分類。由接收線圈與發(fā)射線圈的位置關(guān)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(zhǎng)從100～1000m不等的單匝導(dǎo)線（通常為正方形或矩形）作為發(fā)射回線，在回線內(nèi)外布設(shè)多條測(cè)線，用小型線圈或探頭沿測(cè)線移動(dòng)觀測(cè)的方式（實(shí)際觀測(cè)多在框內(nèi)進(jìn)行）。

大定源回線裝置多用于已知目標(biāo)體的傾向、走向和深度的地面勘探情況。因發(fā)射磁矩大、勘探深度大、異常曲線形態(tài)簡(jiǎn)單，因能實(shí)現(xiàn)一臺(tái)發(fā)射機(jī)發(fā)射，多臺(tái)接收機(jī)移動(dòng)觀測(cè)、連續(xù)滾動(dòng)布線、剖面與測(cè)深同時(shí)完成，非常高效。

2 大定源裝置瞬變電磁法在煤礦采空區(qū)勘探中的應(yīng)用

西村煤礦需查明12西翼延伸采區(qū)范圍內(nèi)小煤礦采空區(qū)的分布特征、賦水性及影響范圍。本次通過(guò)地面大定源瞬變電磁法對(duì)采空區(qū)充富水性及斷層的賦水性影響做出評(píng)價(jià)，為下一步安全生產(chǎn)、防范水害提供科學(xué)依據(jù)。

2.1 地層與構(gòu)造

西村煤礦位于偃龍煤田瑤嶺井田東部淺區(qū)。據(jù)鉆孔揭露地層由老至新有寒武系上統(tǒng)鳳山組(∈3f)、奧陶系中統(tǒng)馬家溝組 (O2m)、石炭系上統(tǒng)本溪組（C2b）和太原組（C2t）、二疊系下統(tǒng)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(zhì)泥巖、泥巖、炭質(zhì)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(qū)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(gòu)造。本區(qū)未見(jiàn)有較大規(guī)模的斷裂構(gòu)造。

2.2 水文地質(zhì)特征

對(duì)開(kāi)采煤層影響較大的含水層自下而上有變質(zhì)巖裂隙含水巖組、碳酸鹽巖類寒武系與奧陶系灰?guī)r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(gè)隔水層。

2.3 瞬變電磁工作的電性條件

勘探區(qū)內(nèi)第四系覆蓋層主要由黃土、黏土、亞黏土等構(gòu)成，電阻率較小，一般為5～15Ω·m。石炭、二疊等煤系標(biāo)志層砂巖、砂礫巖地層電阻率相對(duì)較大，一般為20～130Ω·m。寒武、奧陶等老地層以灰?guī)r為主，巖體結(jié)構(gòu)若密實(shí)不易充水，如果不含導(dǎo)電性強(qiáng)的介質(zhì)，則電阻率非常大，一般為100～10000Ω·m。若裂隙、巖溶發(fā)育，則形成明顯的低阻異常區(qū)域。煤系地層開(kāi)采的采空區(qū)在充填水的情況下會(huì)顯示低阻，反之顯示為高阻。斷層構(gòu)造也是如此，斷層為地層斷裂的破碎帶，斷層區(qū)域巖體破碎松散，如果受雨水等電阻率較小的介質(zhì)充填則會(huì)顯示低阻。

以上電性特征是通過(guò)瞬變電磁法評(píng)價(jià)采空區(qū)和含水層富水性的物理依據(jù)。

2.4 瞬變電磁工作布置及成果

根據(jù)勘探區(qū)的地形地貌及勘探深度的要求，采用大定源裝置框內(nèi)觀測(cè)的方式，瞬變電磁儀為PROTEM57。共設(shè)計(jì)剖面線28條，方位角74°，網(wǎng)度20m×20m。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，發(fā)射線圈尺寸取240m×240m～440m×420m兩種；重復(fù)頻率為25Hz;積分時(shí)間30s；每測(cè)點(diǎn)記錄3次數(shù)據(jù)；關(guān)斷時(shí)間由發(fā)射機(jī)讀取并輸入接收機(jī)；每發(fā)射框在其中心的1/9面積區(qū)域觀測(cè)。

反演處理顯示:各測(cè)線視電阻率斷面等值線均顯示本勘探區(qū)各地層向北側(cè)緩傾的特點(diǎn)，與地質(zhì)及采礦揭露資料相吻合。在視電阻率斷面圖中，每條測(cè)線斷面上部50m以淺等值線相對(duì)稀疏且電阻率相對(duì)較低，主要對(duì)應(yīng)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(duì)較密集，呈由低到高，再由高漸低的漸變形態(tài)，對(duì)應(yīng)地層為二疊系煤系地層，高阻層位位于煤層上方，對(duì)應(yīng)地層為煤層以上各砂巖地層；底板厚層狀灰?guī)r地層埋藏相對(duì)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(duì)視電阻率切片，可對(duì)高（低）阻異常區(qū)、次級(jí)構(gòu)造的相對(duì)分布狀態(tài)，含水性及水力聯(lián)系等方面進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。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(qū)視電阻呈北部高，南部低的特征。通過(guò)工作共發(fā)現(xiàn)高阻采空異常區(qū)1處、低阻含水異常區(qū)2處。推斷低阻異常區(qū)多分布在已經(jīng)停止采礦的較為封閉的采區(qū)或工作面，這些區(qū)域沒(méi)有循環(huán)通道，容易積聚形成較大面積的積水區(qū)。

L1400～1540線的P1640～P1760點(diǎn)間，東西長(zhǎng)120m，南北寬約140m，為高阻異常區(qū)，推測(cè)為采空區(qū)（不含水）。

Ⅰ號(hào)低阻異常區(qū)在P1500點(diǎn)附近南北方向成帶狀，線號(hào)方向從1120線到1500線，視電阻率在25Ω·m以下。推測(cè)為民采巷道或斷裂構(gòu)造所致，且近似以民采巷道或斷裂構(gòu)造X1為對(duì)稱軸。在異常的北部和西北部有廢棄的北井和南井，Ⅰ號(hào)低阻異常區(qū)距北井不足30m，距南井最近距離僅80m，這兩口井曾經(jīng)發(fā)生過(guò)透水事故。Ⅰ號(hào)異常區(qū)為強(qiáng)富水區(qū)。

在勘探區(qū)南部的Ⅱ號(hào)低阻異常區(qū)視電阻率在16Ω·m 以下。位于 L1020～1120 線 P1140～1340點(diǎn)間，東西長(zhǎng)200m，南北寬約100m，異常向南未封閉。該異常區(qū)與礦方提供的向西掘進(jìn)巷道前方井下探測(cè)發(fā)現(xiàn)的南北向富水帶相對(duì)應(yīng)。該異常區(qū)為強(qiáng)富水區(qū)，儲(chǔ)水量較大。

勘探成果為礦井安全開(kāi)拓提供了科學(xué)依據(jù)及保障。

3 結(jié)語(yǔ)

瞬變電磁法因?qū)γ旱V的積水采空區(qū)、導(dǎo)水?dāng)鄬蛹傲严逗畬拥鹊妥梵w敏感、探測(cè)效果好，在煤礦的井上、井下水文物探中都得到了廣泛應(yīng)用。

在實(shí)際施工中，有多種的干擾因素會(huì)影響到觀測(cè)數(shù)據(jù)的精度，甚至是能否正常工作，因此要合理安排，嚴(yán)把質(zhì)量，盡量減少外界因素的影響[2]。例如，多余的發(fā)射線隨手堆放就會(huì)讓線感明顯增大從而使關(guān)斷時(shí)間增大，同時(shí)也會(huì)使衰減曲線畸變，形成假地質(zhì)異常。

圖1 勘探成果圖