采空區地質勘查中瞬變電磁法的應用分析

劉攀飛，李 庚，劉 梁

（江西省地質礦產勘查開發局九0二地質大隊，江西 新余 338000）

作為引發地質災害的重要因素之一，煤礦采空區會對煤礦的安全造成非常嚴重的潛在性隱患，而且嚴重影響著本地的經濟發展以及社會穩定。基于此，開展采空區探測的相關工作也逐漸發展成為了地質勘探中十分重要的一個任務。瞬變電磁法作為探測采空區探測的最佳方式之一，有必要對其進行深入的研究與分析。

1 瞬變電磁法概述

1.1 瞬變電磁勘探原理

所謂瞬變電磁法，它也屬于一種時間域電磁感應法，其向地下發送一次脈沖場主要是通過不接地回線，或者是接地回線源來逐步實現的，其有關感應以及接受等等環節是通過一次脈沖場間歇期間發揮回線或者是電偶極的效用來完成的。這個二次場主要是由于地下良導地質體受到電磁感應所引起的渦流減少的一種非穩電磁場。通過觀察到的二次場，對實際的衰減特征與處理之處的各種相關數據進行深入與客觀的分析，以此也可以有效的判斷出地下地質體的電性特征、賦存的位置以及形態等等。

在完成地層煤層的開采之后，地下的巖層會逐漸形成一定的空間，并且開采區的頂板也會隨之在覆巖體的重力效用之下，巖層也出現了數量較多的裂隙以及空隙等問題，這樣會導致其實際的導電性嚴重的變差，巖石的電阻率也會隨之不斷地增加，由此表現出了一種十分顯著的高度特征。在采空區的空隙與裂隙逐漸被泥質或者水填充完之后，那么此處的電阻率也會隨之不斷變小，具體主要表現為一定的低阻的相關特征。采空區之內的視電阻率在與其他區域的視電阻率相比之后可以發現，兩者之間的差異顯著，這為瞬變電磁在采空區勘探中提供了良好的地球物理條件，此種特有的電性的異常反映可以逐漸作為劃分采空區的一個非常的重要的依據條件[1]。

1.2 瞬變電磁法發展研究現狀

瞬變電磁法主要指的是伴隨著時域方法而出現的，發展在后但是發展十分迅速的電法勘探分支方式。在上個世紀的30年代左右，瞬變電磁信號被首次使用到了地質勘探的相關活動中去，當時所主要使用的是遠區的工作模式。

（1）國外。在前蘇聯時期的1937年左右的時間段內，就已經有人提出了瞬變電磁測探法。在上世紀的五十年代之前，前蘇聯就已經建立了瞬變電磁法理論與野外施工的方法技術，并且也在60年代就已經成功的發現了奧倫堡地軸之上的大油田。前蘇聯在瞬變電磁法理論研究這一方面始終都是走在世界前列的，并且還有學者在50至60年代的時間段內成功的完成了瞬變電磁法的一維正反演的相關工作。在那之后，瞬變電磁法作為一種相對全新的電法勘探方式，并且也進入到了具體的使用階段。在進入到60年代之后，各種短偏移、晚期以及磁源等瞬變電磁法也開始迅速的發展了起來。

另外，在20世紀的70至80年代之間，眾多的西方國家都在長偏移法瞬變電磁理論這一方面做出了數量相對較多的研究，同時也十分順利與成功的將其應用到了有關地熱的調查以及地殼結構的相關調查中去。但是短偏移法瞬變電磁都處于一種試驗與研究的時期階段，并沒有獲得廣泛與普遍推廣。

（2）國內。我國從上世紀的70年代左右開始深入的研究瞬變電磁法勘探，我國的許多單位也都先后的開展了關于瞬變電磁法的理論以及方法技術研究，發揮的是近區中心回線法與重迭回線法的作用，還有遠區的磁源法以及大回線源法等，這些都獲得了十分巨大的研究成效。從上世紀的90年代直到今天，我國的瞬變電磁法勘探也逐漸的進入到了具體的實用階段。與此同時，我國的諸多的知名探學者同樣也是在理論方面獲得相對重大的進展，像是方文藻、牛之鏈等，并且我國也逐漸生產出了一些功率相對比較小的儀器，主要以原地礦部物化研究所所研制的WD-C2型瞬變電磁儀作為主要的代表。

由上述總結可知，瞬變電磁法勘探的實際發展歷程如下：20世紀的50年代左右是瞬變電磁法理論的初生與萌芽階段，20實際的60年代諸多的研究人員對比較初步的簡單的瞬變電磁響應獲得了基本的認知。進入到20世紀的70年代之后，數值模擬促使諸多的相對比較復雜的算法都已經在計算機上獲得實現，繼而逐步推動了瞬變電磁法的持續發展。把瞬變電磁法應用于實踐，需要充分依照具體實際的相關地質問題，深入地引入正問題以及反問題，基于瞬變電磁法勘探的相關理論來開展更加深入的相關研究。

1.3 瞬變電磁法數據處理與解釋

（1）數據處理。瞬變電磁法觀測的數據是記錄不同測點的各個時窗的瞬變感應電壓，因此需要換算成視電阻率、視深度等相關的參數，方便對資料來進行解釋。

（2）成果解釋。①電性解釋與綜合地質分析相結合：由于受到技術水平與手段的限制，其實際獲得的原始信息以及經過處理探測成果數據資料都存在著相對顯著的局限性與片面性，尤其是電磁法勘探成果還存在著一定的多解性。但是從地質規律的角度來說，此類資料都存在著一定的關聯。在瞬變電磁成果解釋時，可以使用多種方式來總結、集成分析與處理煤礦勘探以及生產過程中所獲得鉆探、巷探以及采掘揭露的諸多地質資料信息，像是數理統計、地質統計以及數學模擬等方式，結合電磁法數據成果，發揮地質理論效用開展綜合地質分析，并且從其中提出一定的地質信息，利用相對特定的數學地質模型，將勘探區范圍之內的構造發育以及煤層厚度變化的地質規律充分總結與研究起來，對瞬變電磁勘探成果開展相對深入的分析以及對比，實現資料解釋的逐步細化以及深化，總結地質規律的電磁勘探的相關結果，促使相關成果的精度以及可靠性獲得顯著提升。②結合水平切面與垂直切面：視電阻率--深度擬斷面圖是基礎，主要從橫、縱兩個方向對地層的電性變化特征進行更深層次的反映，同時給予層位劃分、層位追蹤以及深度確定等等方面的諸多信息，要是將已知鉆孔、斷層、煤層以及其他的特征層的地質信息附加上去，也就是可以構成綜合擬斷面圖。

1.4 瞬變電磁法特點與局限性

由于瞬變電磁法是在沒有一次背景狀況下進行二次場的觀測，與其他的電法勘探方法相比可以發現，其中存在著如下幾個方面的特點：首先，這一方法觀測以及研究的重點內容就是二次場，也就是純異常場，并不會存在一次場的相關背景干擾，和常規電法之間存在差異，能促使異常簡化；其次，有著相對較顯著的穿透高阻覆蓋層的能力，優于傳導類電法探測；再其次，用同點組合裝置的效用開展觀測活動，繼而與探測目標獲得最佳耦合，有著相對較強的異常響應，并且形態非常簡單，對于高阻圍巖中的低阻反映也相對比較敏感，有助于低阻地質目標體的探測。最后，施工簡單，工作效率高，很少會受到地形的限制。

2 瞬變電磁法在采空地質勘查的實際應用分析

本文主要以河南禹州的某煤礦為例，對這一采空地質勘查中瞬變電磁法的應用進行研究與分析。

（1）采空區探測分析。這一煤礦是由多個小煤礦所共同組成的，并且花費的開采的時間周期與跨度也相對比較大，另外，此煤礦的地質資料也是較為稀缺的，因此其可靠性也隨之逐步降低，過去的那些資料早就已經不再滿足當前煤礦安全生產的實際需求了。要保證可以逐步獲得更多更為豐富的相關資料，并且將其作為生產的一種十分重要的依據條件，礦方決定開展有關地面瞬變電磁勘探工作，以查明采空區范圍。

通過專門的資料調查研究客可以發現，勘探區內地層主要是由老到新依次是寒武系上統鳳山組、奧陶系中統馬家溝組、石炭系上統本溪組以及太原組、二疊系下統山西組與下統下石盒子組、二疊系上統上石盒子組、新生界第四系。普通情況下，新生界中存在的地層都是由礫石、砂以及粘土等共同構成的，地層視電阻率也是中高阻；二疊系地層多是以泥巖以及礫石為主，地層視電阻也是中低阻；而奧陶系、石炭系以及寒武系地層則是以灰巖為主要的組成部分，并且其地層視電阻也是一種高阻。在縱向上勘探區地層視電阻率的實際特征呈現主要表現為：高-----低---中---高。在巖層保持完整狀態的時候，其實際電阻率會相對較高，由于受到了煤礦開采的相關影響，巖層出現破碎現象，破碎巖層經過泥質或者水充填后，有關巖石的具體的導電性會隨之逐步增強，地層中的電阻率也隨之進一步的降低，在有關電性特征上，會逐漸形成有關橫向上的低阻異常狀況，在進行煤層采空區的劃分之時，可以通過相同層位的低阻異常區的圈定來確定。

（2）探測方式。本次探測施工所使用的儀器主要是PROTEM67D瞬變電磁勘探系統，而工作裝置使用到的則是大定源裝置，其主要是在回線內進行接收的，并且發射線框利用的也是400m×400m矩形回線，接受線圈的有效面積是200m2，測量道數30門，頻率是25Hz，發射電流16A，積分時間30s，增益設置為23～24，有關勘探區域之內的測點需要盡可能的保證對其進行均勻的布置，其中，保證測點間距20m，測線間距40m。首先發揮TEMIXXLv4軟件的作用，對于那些采集而的原始數據，可以對其進行合理的編輯與一維層狀的反演，并且通過這種方式來逐漸收獲視電阻率以及深度的曲線，在此之后，再注意將各條測線的視電阻率斷面逐漸繪制出來，在這以后，需要對各條測線的視電阻率斷面開展相對深度的分析與探究，標出其中存在的異常區域，同樣需要深入的分析以及對比它和地質資料成果之間的差異，繼而逐漸確定采空區的具體的分布范圍。

（3）探測結果。圖1與圖2分別是1240線與2360線的視電阻率斷面，并且在圖表中，黑色的直線所表示的二號煤層，黑色的虛線所表示的則是二號煤層采空區。單從視電阻率斷面圖看來，位于淺部的視電阻率主要表現的是中高阻，推斷是新生界地層的有關電性的相關反映，中上部的視電阻率從整體的表現來看是相對比較低的，并且也是煤系新生界地層的有關電性的反映，下部視電阻率主要表現的是高阻，同時代表的也是灰巖地層的電性反映。圖1與圖2中都有一個低阻的凹陷區，視電阻率也相對較低，推測圖1異常區是二號煤采動之后所逐漸形成的采空區的實際反映。圖2中的280～460測點之間，在二號煤層附近逐漸形成了低阻封閉區域，其視電阻率值與周邊相比要相對較低，推測該異常可能是二號煤采空積水區的實際反映。

圖1 1240線視電阻率斷面

圖2 2360線視電阻率斷面

二號煤層視電阻率順層切片如圖3所示，如圖中黑色橢圓所示，圖中大約有6個影響范圍相對比較大的低阻異常區，通過推測可以得知，它也是采空的一種相關的反映，這一狀況與礦方具體調查的采空區位置大部分吻合。另外，依照低阻異常區的視電阻率，可以合理的推測1、2、3、4、5號低阻異常區之內是存著相對較多的積水的。經過本次勘察活動可知，二號煤層采空區6處，同時也客觀的圈定了其實際的位置以及整體范圍，繼而達到勘探的最終目的。

圖3 二號煤層視電阻率順層切片

3 結語

采空區是礦井生產過程中的必然產物，逐步實現對其分布特征以及賦存狀況的深入探究與分析，可以有效的幫助實現采空區后續的相關治理。對于礦井管理人員來說，需要在探測過程中應較積極地引入現代化的探測手段，在盡可能保證工作效率的同時，不斷提升探測的實際精準度，從根本上為礦井安全生產給予重要的推力。