瞬變電磁法在采空區(qū)探測中的應用

熊劍飛，胡建強，劉忠喜

(上海勘察設計研究院(集團)有限公司華南分公司，廣東 佛山 528000)

0 引言

采空區(qū)是由人工挖掘或地表下的自然地質運動產生的空隙區(qū)域。采空區(qū)的出現，會對采礦作業(yè)構成很大的安全隱患[1-3]。因此，整個礦區(qū)對采空區(qū)的探測極其重視，采空區(qū)的管理也在全面加強。在采空區(qū)出現危險之前，先通過具有非破壞性檢測特征的地球物理方法進行檢測，然后進行有根據的預防和控制，可以達到消除安全隱患的目的[4-7]。因此，使用地球物理方法來檢測和描述采空區(qū)的范圍和深度對于礦井安全非常重要。

1 瞬變電磁法的原理和優(yōu)點

1.1 瞬變電磁法的原理

瞬變電磁法(也稱為瞬態(tài)電磁法)，作為一種電磁檢測技術，具有無損高鑒別率的優(yōu)點，不同于普通的探地雷達。檢測到的視電阻率可用于映射瞬態(tài)電磁，并提供埋藏地下的物體的相關信息。

瞬變電磁法在實際工作中由發(fā)射回線、接收回線兩部分組成，而工作過程又分為3個部分：發(fā)射、電磁感應、接收。根據電磁感應理論，階躍電流通過發(fā)射返回線，當磁場在傳導期間遇到良好的導電地質體時，在內部產生感應電流(渦流或二次電流)，電流隨時間變化并產生新的磁場，也稱為次級磁場。感應電流在導電良好的地質體中產生熱量，次級磁場隨時間呈指數衰減，形成瞬變磁場。次級磁場的源頭主要是導電地質體的渦流，能反映地質信息。

通過觀測次級磁場“煙圈”圖像可說明瞬變電磁法的檢測原理：二次感應渦流產生表面接收的二次電流，渦流以等效電流環(huán)的形式向下擴散，如“煙圈”。隨時間的推移，“煙圈”的擴散和分布受地下介質的影響。已知早期瞬變電磁場由近表面產生，從而反射淺電分布，深感應電流則產生晚期瞬變電磁場，該電磁場也能反映出地下深處電性對應的分布。因此，觀測和研究大地瞬變電磁場隨時間的變化規(guī)律，即可研究地球電垂直方向的變化，如圖1所示。

圖1 瞬態(tài)電磁工作原理示意圖

1.2 瞬變電磁探測法的優(yōu)點

觀察發(fā)射電流脈沖暫停期間的間歇電磁場響應，由地下介質產生的磁場隨時間變化。在場源中沒有干擾，這是電磁法的時間可分離性。通過專家提出的諧波探測研究法，得出結論，各種低頻和高頻諧波疊加產生相位跳躍脈沖。產生的原始場是寬帶電磁波，其瞬變電磁響應不同于延遲觀測頻率。這將導致在地質層中產生的場擁有相異的傳播速率，并且探測深度也不一樣，即瞬變電磁法在空間中的可分離性。瞬變電磁學的特征在于兩個可分離性，通過手動源方法的低干擾和穿透高電阻層的能力。

2 研究背景、設備和數據采集

2.1 工程背景

特拉布拉煤礦以前為井工開采，很多采空區(qū)位置不夠明確。采空區(qū)的位置直接造成礦井工作面的布置和煤炭皮帶運輸等方面的問題，同時對作業(yè)人員形成了安全隱患。通過現場調查，結合礦山提供的疑似采空區(qū)，考慮到人員分布，采礦辦公室到現場試驗區(qū)的距離等因素，選取礦區(qū)的偏遠地區(qū)是最終的調查實驗區(qū)，圖2為實驗區(qū)域選定圖。選擇重疊環(huán)路設備進行檢測，所用的瞬變電磁發(fā)射器類型為ATEM-10 kW，接收機采用的型號是ATEM-Ⅲ型。

圖2 實驗區(qū)域選定圖

2.2 進行采集數據

針對本次探測研究，選擇重疊回線用于地形特征，地電條件和實驗區(qū)域中的工人數量。鋪設試驗網時，盡可能沿垂直層和主要結構方向走線；一般而言，發(fā)射幀較大，人體噪聲和浮動電流等干擾區(qū)域也較大，但發(fā)射幀較小，無法達到跟蹤目標層和埋藏深度的探索任務。因此，設置接收線圈凈長度為50 m×50 m，線間距為44 m，點間距為20 m，接收線圈的總面積為2 500 m2。

工作時，確保連接外部電源、發(fā)射線圈、接收線圈、發(fā)射器和接收器同步用線以及外部匹配電阻。打開發(fā)射器后，在作業(yè)模式下輸入“1”，然后按向下箭頭鍵將光標移動到設定的作業(yè)頻率位置。輸入“5”，表示工作頻率選5，為12.5 Hz。傳輸頻率的選擇見表1，檢測深度越深，相應的選擇頻率越大。

表1 發(fā)射頻率對照表

設置接收器參數后，使用主界面上的向左和向右箭頭鍵將盒子光標移動到“獲取”位置，然后發(fā)射器按下“發(fā)射”按鈕，再按“確定”，進入采集畫面。圖3為采集結束界面。

圖3 采集結束界面

3 數據的處理和分析

3.1 建立對應的信號及文件

設置發(fā)射器參數后，開啟接收器。根據瞬變電磁機的工作電流和關閉時刻記載的相對恒定的工作電流，關閉時間和儀器位置的高程值并確定與信號對應的Itr行號，見表2。

表2 瞬變電磁機接收到的數據

3.2 Grapher 4.0軟件確定信號衰減

運行Grapher 4.0軟件，選擇桌面上端主工具箱中的“圖形”命令，然后在下拉工具箱中點擊“行或符號”選項。打開“打開數據”界面，打開需要在此界面下查看的數據。默認情況下，打開的數據生成的圖形是算術坐標，如圖4所示。

圖4 Grapher 4.0軟件的基礎界面

利用該軟件對所接收到的數據進行轉換，得到信號的衰減情況，如圖5所示。

3.3 利用瞬變電磁測量系統(tǒng)計算視電阻率

該系統(tǒng)運用了C ++編寫，具有良好的交互功能和完整的計算功能。在計算視電阻率和表觀深度時，可以看到計算結果，打開系統(tǒng)，設置參數后，電壓將被繪制到結果中。本次計算ATEM電壓的電阻率為2，這是基于Nabilian煙霧圈的視電阻率和平面瞬態(tài)電磁波層模型方法的表觀深度。

3.4 Surfer 8繪制視電阻率斷面圖

Surfer 8是美國黃金軟件公司制作一款三維處理(輪廓、圖像映射、三維曲面)軟件，Surfer軟件可以簡單創(chuàng)建基本地圖、數據點位圖、歸類數據等地圖。增強了文件的交流和數據的交換；使用了新版本的腳本編輯引擎，可以大大增強自動化功能。

進入Surfer 8界面后，運行由TEM-Ⅲ瞬變電磁測量系統(tǒng)數據處理軟件計算的視電阻率文件(.dat格式)。之后，Surfer 8會自動生成具有相同文件名(.grd格式)。使用Surfer 8打開文件并獲得視電阻率等值線圖，如圖6所示。

3.5 Voxler繪制三維地下采空區(qū)示意圖

作為專業(yè)的3D可視化3D數據軟件，Voxler提供了一種可視化3D數據的新方法。它可以顯示streamline、vector graphic,Contour map、Isosurface、Cut plot、Three dimensional scatter plot、Direct volume rendering等。計算模型包括3D mesh generation、Resampling、image processing等。

a-11；b-12;c-13;d-14圖5 信號衰變點示意圖

圖6 視電阻率等值線剖面圖

由于檢測到電阻率等值線圖僅反映了高程坐標和每個點移動方向的相對距離，在文中，高程坐標是Z值，點移動方向上的距離是Y值，相對X坐標是由44 m的行間距建立的。進而將數據導入到Voxler軟件中，結果如圖7、圖8所示。

圖7 三維采空區(qū)環(huán)境示意圖

圖8 極限模擬位置的選定

3.6 實驗數據的解譯

調查工作的地球物理特性是電氣特性。煤層變?yōu)椴煽諈^(qū)后，導致煤層的原始應力均衡狀態(tài)被破壞，采空區(qū)及其上部的巖土地層的物理力學特性發(fā)生了明顯的變化，當采空區(qū)沒有充水時，由于其中空的原因，它的電阻率明顯會比正常的巖土體高很多，因此上文中電阻率值較高的區(qū)域是采空區(qū)，與礦山提供的采空區(qū)高度、地面高度大致相同。

4 結語

在現研究的基礎上，通過對特拉布拉煤礦的采空區(qū)探測研究，對疑似采空區(qū)域分析和實驗探測時使用瞬變電磁探測技術，并使用重疊回線繪制該區(qū)域探測活動。對得到的視電阻率斷面等值線進行分析，經驗證，所得的采空區(qū)深度、所在位置及采空區(qū)地層厚度與該煤礦的地質特點情況基本相符。