重疊回線瞬變電磁法在采空區勘查中的應用

莊丁源

（1.吉林大學地球探測科學與技術學院，吉林 長春 130000；2.河北省地礦局國土資源勘查中心，河北 石家莊 055650）

在煤礦采空區探測中電法和電磁法勘探方面，易兵、劉四新等利用高密度電法對煤礦采空區進行了探測研究，取得了理想的效果；祁民、張寶林等利用高密度電法預測地下復雜采空區的空間分布特征，經鉆孔驗證，效果良好；王士鵬在水文地質和工程地質中應用高密度電法在尋找地下水，查明采空區，探測巖溶發育帶方面得到了應用。瞬變電磁法由于其對低阻異常反應較好的特點，多應用于煤礦采空區勘探領域，本文通過開展重疊回線裝置瞬變電磁法已知試驗工作，介紹實際采空區勘探中的應用效果。

1 地質概況及地球物理特征

1.1 地質概況

（1）奧陶系（O）

奧陶系下統冶里組（O1y）：由深灰、淺灰色中厚層結晶灰巖和白云巖組成。

奧陶系下統亮甲山組（O1l）：上部為灰黃色，含燧石條帶的白云質灰巖，鈣質白云巖，下部多為深灰色泥質白云巖，夾燧石結核及透鏡體。

奧陶系中統下馬家溝組（O2x）：巖性為灰、黃綠色鈣泥質白云巖、鈣質頁巖，淺灰黃色角礫狀泥灰巖、夾白云巖和深灰色厚層狀白云質灰巖、花斑灰巖。

奧陶系中統上馬家溝組（O2s）：巖性為淺灰、雜色角礫狀泥灰巖、白云質灰巖，深灰色厚層花斑狀泥質白云質灰巖和深灰色厚層狀灰巖。

奧陶系中統峰峰組（O2f）：主要巖性為淺白色、雜色角礫狀泥灰巖、白云質灰巖，深灰色厚層灰巖、純灰巖，花斑狀白云質灰巖、夾角礫狀泥灰巖、含鐵質結核灰巖。

（2）石炭系（C）：為本區域主要含煤地層，總厚度為150m。

中統本溪組（C2b）：中、上部為深灰色、黃褐色砂質頁巖、鋁土頁巖和砂巖組成。本區分布厚度10～110m。

上統太原組（C3t）：為本區主要含煤地層，由黑色頁巖、灰黑色中細粒砂質石英砂巖、灰色鈣質硬砂巖、薄層灰巖、泥巖及煤層組成，厚度30～90m。

（3）二疊系（P）

山西組（P1s）：為深灰、灰色砂質頁巖，淺灰色、白灰色中、細粒砂巖，夾薄層黑色頁巖及薄煤2～6層，其厚度均極薄，無開采價值。

（4）第四系（Q）

地表上覆地層主要為第四系沖洪積黃土狀粉土，厚度45m左右。

1.2 地球物理特征

依據收集到的地質資料分析，結合地質、物探資料，確定本次工作工作區地球物理特征。

2 工作方法與資料處理

2.1 方法原理

本次瞬變電磁施工采用重疊回線裝置測量，設備采用CUGTEM—8型瞬變電磁系統，該系統具有輸出功率大、接收靈敏度高、采集時間長、探測深度大等優點，系統由發射機，接收機，發送回線，接收回線等組成。

（2）工藝缺點。鋼絲繩圍捆沉箱出運的施工程序繁瑣，且大直徑鋼絲繩較為笨重，在圍捆過程中需要人力較多，施工效率低下，且即使在沉箱邊角處使用枕木隔開鋼絲繩，仍然避免不了鋼絲繩受力后對沉箱混凝土的擠壓，造成箱身破損，給修復帶來一定的難度。

圖1為系統組成示意圖。

表1 工作區物性參數統計表

圖1 系統組成示意圖

2.2 資料處理

（1）原始數據經預處理并進行格式轉換后，采用浙江大學最新開發的CugTEm9pro瞬變電磁處理軟件讀入，進行曲線歸一化處理、多項式擬合、濾波、繪制多測道圖等。

（2）視電阻率計算及二維反演。視電阻率計算采用晚期視電阻率計算公式：

式中，t為測道時間，M為發送磁距，q為接收線圈的有效面積，V（t）為感應電壓。實際觀測的是歸一化感應電動勢V（t）/I，因此，上式的實際應用式為：

式中，A為發送回線面積，V（t）/I為觀測值。

2.2 方法有效性試驗

（1）試驗測線布置。工作開始前，在已知區采空區布設1條試驗測線線號S-1，測線長度190m，方向南北向，測點20個，點距10m。試驗測線跨越1處已知采空區，測線所在部位在工作區具有地質代表性。

（3）試驗參數。為保證探測深度，試驗工作開始前，設計采用4套參數分別在試驗測線上進行了實測，具體實驗參數見表2。

（4）試驗成果。對不同參數采集的數據處理后，形成4幅視電阻率等值線斷面圖。圖2為S-1測線不同參數的視電阻率等值線斷面對比圖。對比4幅斷面圖發現，當采用發射電流100A，供電脈寬10ms，采樣率4μS，疊加次數32，3m×3m線框重疊回線裝置時，視電阻率等值線斷面圖對采空區電性特征反映更加明顯，探測深度也可以達到設計要求。

表2 瞬變電磁法有效性試驗參數表

圖2 SY測線不同參數的視電阻率等值線斷面圖

根據上述試驗成果，結合工作區地質、地球物理、地貌特征，最終確定工作區瞬變電磁探測參數見表3。

表3 瞬變電磁參數數據一覽表

3 應用分析

通過方法有效性試驗，證明了重疊回線裝置在該區采空區探測的有效性，該裝置能夠完成本次勘探任務。本次工作在該工作區完成瞬變電磁測量1.92Km2，測點5152個。以L-20測線為例，簡述工作區測量地電斷面特征。

3.1 解釋原則

依據前期試驗資料，綜合分析工作區瞬變電磁探測的低阻區域分布特征、井田地球物理特征及試驗結果，將成果圖上視電阻率值相對較低（小于60Ω·m）、斷面上連續2個測點以上有低阻異常反映同時相鄰斷面（或更多斷面）有低阻異常反映的面積比較大的綠色區域或數個相近的通過低阻區相連的小面積低阻異常所在區域劃分為低阻異常區，一些面積較小、零散分布的低阻區因影響范圍較小則不作為異常區處理。

3.2 成果

L-20測線斷面的電性反映特征，圖中異常區位于斷面右側，在55#～63#測點，其視電阻率值為60～80Ω·m與周邊地層的120～180Ω·m差異明顯，故推測該處為采空區異常引起，該異常垂向位于地面以下50～260m，且其垂向延展距離較長。由于工作區內地層主要以煤層及灰巖為主，該剖面整體分為綠色地租區、白色中阻區，黃色高阻區。收場地條件限制，工作區周邊瞬變電磁場干擾較大，結合地質資料最終確定L-20線異常所處位置為某煤礦采空區范圍。

圖3 1塊段8區在1S20測線斷面的電性反映特征

4 結論與建議

4.1 結論

（1）通過在已知工作區內方法有效性試驗工作，證明了重疊回線裝置瞬變電磁在采空區勘探是有效的。

（2）重疊回線裝置具有較好的便攜性，對于地形環境較差地段具有較好的應用效果。

4.2 建議

（1）本次工作為進行鉆探驗證工作，建議在典型異常區開展鉆探驗證工作。

（2）本次工作部分測點收工作區的建筑物干擾較明顯，建議后期對干擾較強測點進行剔除。