煤礦采空區瞬變電磁法物探應用實例

王志昊

(中煤邯鄲設計工程有限責任公司，河北 邯鄲 056031)

0 引言

隨著城鎮化建設的加快，城市逐漸擴張到原有地質條件較差的采空區上方，對現有地質條件評價工作提出了更高的要求。煤礦經過開采后資源枯竭，在封礦之后，地下采空區經過多年的空置垮塌后充入水或者空氣等過程[1]，形成了不同于原有采礦地質資料的新變化。物探方法是現階段有效的經濟的反映地下采空區實際情況的手段之一[2]，使用物探方法來配合地質勘察鉆探，既節約成本又提高時效。多種物探方法的同時應用，可以有效控制地球物理反演的多解性，解釋結果可以相互對比佐證。

目前，采空區物探方法應用較多的有地震映像法、瞬變電磁法、高密度電法等[3]。采空后巖石的變形、垮塌、破碎使得巖石失去了之前的完整和連續，導致巖體波速和密度同完整圍巖相比存在很大的差異。此時，利用地震映像法效果較好，在地震時間剖面會表現出反射波(組)中斷，反射波頻率降低以及波形不規則、紊亂甚至產生畸變等特點[4-6]，同時，該情況在電法上顯示為較高的電阻率。當碎裂的巖石縫隙經過長時間的水的滲透，其充水后的巖石電阻率較小的特征較為明顯。此時，瞬變電磁法和高密度電法則應用效果較好。根據前期初步踏勘和資料顯示，本次采空區評價的區域地下水豐富，再加上地震方法投入成本較大，而現有高密度電法儀器的探測深度在150 m以內，因此本次評價采用瞬變電磁法，可實現最深達1 300 m范圍內的勘探。

1 工程背景

1.1 采空區概況

采空區位于河北邯鄲峰峰礦區北部新區，總面積約34.6萬m2。根據資料搜集，場地為峰峰集團原一礦、泉頭礦(原名泉頭礦，后合并入二礦，后稱泉頭礦)井田交界位置，為煤礦采空區，采煤深度約為地面以下200～500 m，區內主要開采的是2號、4號煤層[7]，采空區具體位置如圖1所示。

圖1 峰峰某采空區位置圖

1.2 地質構造

構造形態：區內斷裂構造密集，以NNE及NE走向破碎帶最發育，NWW向次之，NW向僅以小斷裂形式出現。不同走向的破碎帶相互切錯，將煤系分割成若干小型地壘、地塹及階梯狀單斜斷塊組合等構造形態。

破碎帶特點：①破碎帶性質以正破碎帶占絕對優勢，煤田勘探揭露的數百條破碎帶中，僅發現羊東井田和梧東井田各有一條小型逆破碎帶；②破碎帶具有多期活動性，多數為壓扭性正破碎帶；③破碎帶平面組合多為“S”形，反映扭動走滑特點。

2 瞬變電磁法應用

2.1 基本原理

提到瞬變電磁法就不得不提激發、感應、二次場這幾個關鍵詞。激發，就是在地面或者某處通過不接地的回線向地下發射一次脈沖磁場。感應，是指地下目標體通過一次脈沖磁場的作用產生變化而做出的回應。二次場，就是指回應的結果，目標體產生的二次感應渦流場。在一次脈沖磁場間歇期間，在地面利用線圈來觀測地下目標體中引起的二次場，這個過程就是瞬變電磁法的基本工作方法[8-10]。由于一次場是隨時間變化的，它從零到強再到無，并在地下目標體中產生感應電流，一次場歸零后，目標體產生的感應電流也由于損耗而隨時間衰減。通過對目標體產生的二次場的觀測，就可以判斷出地下目標體的物理性質的不同，主要關注的物理量就是電阻率。瞬變電磁所觀測的原始數據，是各測點的各個測道的瞬時感應電壓，通過計算，轉換成視電阻率、視深度等參數。繪制成瞬變電磁多測道斷面圖、瞬變電磁等視電阻率擬斷面圖來確定地下采空區邊界位置及其深度。

2.2 測線的布置

儀器及參數：瞬變電磁法使用的儀器為武漢地大華睿地學技術有限公司生產的CUGTEM-8型資源勘查型瞬變電磁儀，通過對目的層深度的計算和現場試驗，選擇激發線圈和接收線圈邊長為5 m，正方形布置。其他參數依次為：激發線圈匝數2匝，接收線圈匝數3匝，電纜8芯，探頭等效面積600 m2。供電電流檔選擇100 A，供電脈寬10 ms，采集信號疊加次數15次。

測線測點：同時通過以往收集資料和物探方法解釋結果，布置鉆孔加以驗證，在場地四周約800 m范圍內布置瞬變電磁測網。測網大小為20 m(點距)×20 m(線距)，共布置瞬變電磁測線36條，自西向東編號為1～1.5～2～2.5～…～18～18.5～19，瞬變電磁測點1 517點，測網位置如圖2所示(瞬變電磁測線為近南北向藍色實線，圖中只顯示了整數線1，2，3…18，19)。

圖2 測線及鉆孔布置圖(深色線為瞬變電磁法測網，淺色線為可控源大地音頻法測線，黑點為驗證鉆孔，黑框為測區范圍)

2.3 資料處理

視電阻率斷面圖：數據采集后，通過專業的處理軟件采用瞬變電磁電流歸一化法計算得出每一條測線上每個點隨深度變化的視電阻率。按線成圖后得到視電阻率斷面圖。每條斷面圖通過顏色的深淺變化表達視電阻率的高低，由低到高，相同的視電阻率用實線相連，形成圈閉異常。

切面圖：得到斷面圖后，可以進一步處理得到切面圖。將每個斷面圖中的視電阻率數據匯合后，按照深度重新排列。其中，需要對斷開的數據用Surfer軟件進行平滑處理，進而提取到某一特定深度的切面圖[11-12]。如果地表變化劇烈，可以加入地形校正。本區域地形變化不大，不需要進行地形校正。

3 數據分析

3.1 視電阻率斷面圖

本次瞬變電磁工作，共獲得視電阻率斷面圖32張，選取部分具有代表性的圖進行具體解釋分析。

測線1：測線1瞬變電磁視電阻率斷面圖如圖3所示。從圖中可以看出，該測線位置在-100～-300 m深度范圍內存在6個視電阻率曲線異常區域(圖中用虛線圈出)，推測1～3異?？赡転椴煽諈^異常，均為低阻異常區域含水性強。推測4、6異?？赡転椴煽諈^異常，為高阻異常區域含水性弱。根據地質鉆探資料顯示，推測異常6為2號煤引起的采空區，異常4為4號煤引起的采空區。

圖3 測線1瞬變電磁視電阻率斷面圖

測線2：測線2瞬變電磁視電阻率斷面圖如圖4所示。從圖中可以看出，該測線位置在-100～-300 m深度范圍內存在5個視電阻率曲線異常區域(圖中用虛線圈出)，推測1、2異?？赡転椴煽諈^異常，均為低阻異常區域含水性強。推測3異常為破碎帶異常。推測4、5異?？赡転椴煽諈^異常，為高阻異常區域含水性較弱。由于異常5的面積較大，根據地質鉆探資料顯示，推測異常5為2號煤、4號煤共同引起的采空區。

圖4 測線2瞬變電磁視電阻率斷面圖

測線3：測線3瞬變電磁視電阻率斷面圖如圖5所示。從圖中可以看出，該測線位置在-100～-300 m深度范圍內存在7個視電阻率曲線異常區域(圖中用虛線圈出)，推測1～3異?？赡転椴煽諈^異常，均為低阻異常區域含水性強。推測5異?？赡転椴煽諈^異常，為高阻異常區域含水性弱。由于異常5的面積較大，根據地質鉆探資料顯示，推測異常5為2號煤、4號煤共同引起的采空區。

圖5 測線3瞬變電磁視電阻率斷面圖

測線4：測線4瞬變電磁視電阻率斷面圖如圖6所示。從圖中可以看出，該測線位置在-100～-300 m深度范圍內存在6個視電阻率曲線異常區域(圖中用虛線圈出)，推測1、3異?？赡転椴煽諈^異常，均為低阻異常區域含水性強。推測4、5、6異常可能為采空區異常，為高阻異常區域含水性弱。根據地質鉆探資料顯示，推測異常5為2號煤引起的采空區，異常6為4號煤引起的采空區。

圖6 測線4瞬變電磁視電阻率斷面圖

3.2 視電阻率切面圖及鉆探驗證

西側-200 m電阻率切面圖：通過結合已知地質資料，在分析煤層控制深度的基礎上，結合瞬變電磁視電阻率斷面圖，本次探測在西側區域取得1張，-200 m(地面為0 m)視電阻率切面圖，如圖7所示?？梢钥闯鑫鱾人沧冸姶艤y區范圍內共存在6個視電阻率異常區域(虛線內，編號為G1、G2、G3、D1、D2、D3)，推測可能為采空區異常，其中D1、D2、D3異常區域含水性較強，G1、G2、G3異常區域含水性較弱。參考收集到的以往資料，在G1區域通過鉆探加以驗證，在-200 m深處有礦道垮塌殘留，煤渣和采礦用支撐木殘留，干燥，密實，水含量很低，因此在視電阻率圖上顯示為高電阻異常。

圖7 -200 m電阻率切面圖

東側-150 m電阻率切面圖：在東側區域取得1張-150 m(地面為0 m)視電阻率切面圖，如圖8所示，可看出，東側瞬變電磁測區范圍內共存在4個視電阻率異常區域(虛線內，編號為D1、D2、D3、D4)，推測可能為采空區異常和破碎帶異常，均為含水性較強區域。參考以往資料，在D1區域通過鉆探加以驗證，在-150 m深處取樣明顯碎裂不整，且其上部巖性和下部巖性明顯不同，可判斷為破碎帶且含水，因此在視電阻率圖上顯示為低電阻異常。

圖8 -150 m電阻率切面圖

4 結語

煤礦采空區是夾雜地質變化較為復雜的區域，除了常見的采空因素影響，地質構造變化也為采空區的準確評價帶來了一定的困難。通過本次勘察，煤礦礦道垮塌后可以產生兩種視電阻率異常，一是巷道內充水，則產生視電阻率低阻異常區；二是垮塌時間較長的巷道，由于壓實作用，水含量降低，而原有煤和采礦殘留物，如木渣等，都是高阻體，因此也會產生視電阻率高阻異常；二者均應通過鉆探加以驗證。視電阻率切面圖不僅準確反映了異常區的位置和深度，而且展現了它的影響范圍，是較好并且直觀的呈現手段。