瞬變電磁法在煤礦采空區(qū)勘探中的應用

陳繼宏，羅 強

（河南省地質礦產勘查開發(fā)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(guī)范開采，我國許多地區(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、高效率的特點被廣泛應用。因此，本文以一次煤礦采空區(qū)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(fā)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(tài)，最終達到探測目的[1]。

瞬變電磁法按發(fā)射源的不同、接收線圈與發(fā)射線圈的位置關系、發(fā)射波的形態(tài)、發(fā)射與觀測的空間位置等可進行多種分類。由接收線圈與發(fā)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(fā)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(fā)射磁矩大、勘探深度大、異常曲線形態(tài)簡單，因能實現(xiàn)一臺發(fā)射機發(fā)射，多臺接收機移動觀測、連續(xù)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(qū)勘探中的應用

西村煤礦需查明12西翼延伸采區(qū)范圍內小煤礦采空區(qū)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(qū)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(jù)。

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(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(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°的單斜構造。本區(qū)未見有較大規(guī)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?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煤層頂板四個隔水層。

2.3 瞬變電磁工作的電性條件

勘探區(qū)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?guī)r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(fā)育，則形成明顯的低阻異常區(qū)域。煤系地層開采的采空區(qū)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(qū)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(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(xiàn)場試驗，發(fā)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(shù)據(jù)；關斷時間由發(fā)射機讀取并輸入接收機；每發(fā)射框在其中心的1/9面積區(qū)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(qū)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(tài)，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?guī)r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(qū)、次級構造的相對分布狀態(tài)，含水性及水力聯(lián)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(qū)視電阻呈北部高，南部低的特征。通過工作共發(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)多分布在已經停止采礦的較為封閉的采區(qū)或工作面，這些區(qū)域沒有循環(huán)通道，容易積聚形成較大面積的積水區(qū)。

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

Ⅰ號低阻異常區(qū)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(qū)距北井不足30m，距南井最近距離僅80m，這兩口井曾經發(fā)生過透水事故。Ⅰ號異常區(qū)為強富水區(qū)。

在勘探區(qū)南部的Ⅱ號低阻異常區(qū)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(qū)與礦方提供的向西掘進巷道前方井下探測發(fā)現(xiàn)的南北向富水帶相對應。該異常區(qū)為強富水區(qū)，儲水量較大。

勘探成果為礦井安全開拓提供了科學依據(jù)及保障。

3 結語

瞬變電磁法因對煤礦的積水采空區(qū)、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(shù)據(jù)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(fā)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