大定源回線裝置瞬變電磁法在淺層煤礦采空區勘查中的應用

李正，龐成寶，高曉豐，譚秀全，竇文童

(1.山東省魯南地質工程勘察院,山東省地勘局第二地質大隊，山東 兗州 272000；2.山東省物化探勘查院，山東 濟南 250013)

0 引言

隨著城市建設的發展，土地資源日益緊張，煤礦采空區土地成為可持續發展的重要資源，地下采空與地上建設間的矛盾也日益尖銳。為了緩解這一矛盾，需對采煤塌陷形成的源頭——“地下采空區”開展調查及穩定性評價工作[1]。在搜集資料和分析研究的基礎上，采取物探、鉆探及巖石力學試驗等工作手段，開展采空區勘查工作，并依據勘查工作成果結合城市規劃功能分區完成采空區適宜性評價工作，為城市規劃區內土地資源的開發利用提出合理化建議。

瞬變電磁法是物探技術中電磁法常用手段之一[2-3]，具有成本低、體積效應小、橫向分辨率高、與探測目標體耦合性佳等顯著特點[4-7]，被認為是探測煤碳采空區位置最佳物探方法之一。自20世紀30年代以來，瞬變電磁法被提出并應用于地質勘探，基本建立了瞬變電磁法野外施工的方法技術和資料處理與解釋的理論。我國在上世紀末開始了瞬變電磁法的相關研究，進行了大量科研工作。近20年，瞬變電磁法進入了高速發展和廣泛應用階段。2007年，王慶乙提出瞬變電磁法的探測深度主要取決于激勵源基頻的大小，基頻越低，周期越大，能探測到的深度越大[8]。2013年，吳信民等提出了瞬變電磁法理論探測深度的概念，具體是指在各種假設條件下，從理論上計算出能夠有效分辨地質異常體的最大深度[9]。2017年，蒙超對大回線瞬變電磁法應用于淺層探測進行了研究，通過正演模擬，說明晚期時間道信號包含淺部地層的地質信息，瞬變電磁法沒有理論勘探盲區，并進行了淺層探測試驗，取得了一定的效果[10]。

本文基于前人的研究，為查清淺層煤礦采空區的展布及規模，使用大定源回線瞬變電磁法在研究區地面進行實際施工測量，分析處理測得的數據后可以較直觀地反映地質情況并做出判斷，為進一步指導鉆孔布設和開展巖石力學研究提供必要的參考信息，實踐取得了較好的效果。

1 工程概況及勘查方法

1.1 工程概況

研究區域位于魯西南平原地區，面積0.072km2(300m×240m)，物探勘查工作的主要任務是查明研究區內煤礦采空區目標工作面上形成的老采空區的分布情況，根據勘查結果，結合鉆孔目的推薦鉆孔位置。

1.1.1 地質概況

研究區內大型斷裂構造不發育，含煤地層賦存較淺，全區含煤地層幾乎都直接隱伏于第四系下。第四系巖性以黏土、黏土質砂為主，層厚120.65～169.64m，平均145.36m。第四系以下的主要煤系地層有侏羅紀淄博群三臺組、石炭-二疊紀月門溝群山西組、太原組、本溪組，其下為奧陶系灰巖。

研究區主要開采煤層為16上煤層。相關地質資料顯示，該煤層厚一般0.55～1.64m，平均1.19m，為薄煤層。有夾矸0～2層，厚度0.02～0.17m，巖性為泥巖、黏土巖、黃鐵礦、炭質砂巖、炭質泥巖，煤層結構較簡單，屬可采穩定煤層。16上煤層位于太原組下部，上距15上煤層31.70～46.76m，平均40.29 m。頂板為石灰巖，局部相變為泥巖、黏土巖，局部有泥巖偽頂，底板一般為黏土巖，局部相變為粉砂巖、泥巖。研究區內未發現巖漿侵入活動。

1.1.2 地球物理特征

研究區附近第四紀巖性主要為碎屑沉積巖，電阻率一般在10～30Ω·m；中生代侏羅系主要巖性為砂巖、泥巖，其電阻率值一般在25～60Ω·m，石炭-二疊系主要巖性為砂巖、泥巖，夾灰巖及煤層，其電阻率值一般在25～150Ω·m；奧陶紀灰巖電阻率最高，一般在200Ω·m以上(表1)。

表1 研究區域巖礦石物性參數

因此，勘探研究區內地層大致可劃分為3個電性層，第1個電性層為第四系低阻地層；第2個電性層為石炭—二疊系中低阻地層；第3個電性層為奧陶系高阻地層。

1.1.3 采空區解譯依據

未進行煤礦開采的位置，地層電阻率剖面基本反映地層分布情況，等值線橫向上連續，變化較平緩，基本呈現層狀，局部起伏，波動較小。

煤礦開采后，形成采空區，并在煤礦采空區上部發育垮落帶、裂隙帶、彎曲帶，為采空區影響帶[11]。地電場在采空區及其影響帶區域形成畸變，表現出與原生煤系地層不同的電性特征，是利用瞬變電磁法進行煤礦采空區探測的地球物理前提[12]。當采空區及其影響帶充水時表現為電阻率降低，當其為不充水的空洞時則表現為電阻率值相對升高。當采空區空間規模較大時，采空區異常表現為閉合的低阻或高阻異常區域；當采空區空間規模相對較小，尤其是薄層開采區域，采空區異常表現為電阻率等值線的上下擾動。

研究區內開采的煤層厚度相對于賦存深度一般較薄，同時底板發育泥巖、黏土巖等低阻地質體，物探資料不一定能分辨出采空區，但可根據采空區形成機理，推斷采空區的大致分布。當然，這是通常意義上的電阻率相對變化。通過物探勘查手段，獲取數據并繪制電阻率擬斷面圖可推測出地下是否存在采空區，并進一步推測采空范圍及其是否存在充水、充填、塌陷等現象[13-14]。

1.2 工作方法簡述

1.2.1 瞬變電磁法

瞬變電磁法屬于時間域電磁感應法，它利用不接地回線或接地線源向地下發送一次脈沖場，在一次脈沖場間歇期間利用回線接收感應二次場，該二次場是由地下良導地質體受激勵引起的渦流所產生的非穩電磁場[15-17]。通過對二次場的測量記錄獲得野外原始數據，經過室內處理后，可以得到地電模型，進而解決相關地質問題。

在本次瞬變電磁法野外工作中，使用儀器為加拿大Geonics公司產PROTEM 67D瞬變電磁儀[16]，采用大定源回線裝置，大定源回線裝置布設大線圈作為發射線框，在發射回線內部，使用接收探頭接收電磁信號。大定源回線裝置受地面物體影響較小，只需布設大線框就可以測量線框內部很多點，能夠在完成地質任務的前提下，提高工作效率。

經過產前實驗分析，野外施工參數為：采樣道數30道，采樣頻率6.25Hz，積分時間30s，采用300m×240m矩形發射框得到的數據較好，并能滿足地質任務的基本要求。

1.2.2 工作布置

根據設計要求，結合研究區現場施工條件，本次采空區瞬變電磁法勘查主要布設測線7條，設計測線方位角90°，即東西向(圖1)。測線距40m，測點距20m，測線長度約300m。采用南方測繪產的RTK銀河1接收機進行測量放點等測地工作。

1—煤層底板等高線；2—斷層；3—勘探孔;4—村莊;5—瞬變電磁法測點及編號;6—研究區范圍

2 數據處理與分析

2.1 瞬變電磁法相關參數計算

瞬變電磁法觀測數據是各測點各個時窗的瞬變感應電壓，需換算成視電阻率、視深度等參數，以便對資料進行解釋[12-13,15,17]。相關研究提出的計算瞬變電磁法視電阻率的方法有許多[18-20]，但是各種計算方法眾說紛紜，沒有統一評判標準，這也是制約瞬變電磁勘探方法發展的原因之一。本次數據處理與計算過程中主要利用了水平導電薄層的瞬變電磁場推導的晚期視電導率計算公式。

晚期視電導率Sτ計算公式為：

(1)

視深度hτ的計算表達式為：

(2)

式中：t—時窗時間，A—發射回線面積，I—發射電流，q—接收線圈的有效面積，μ0—真空中的磁導率，V(t)—感應電壓。V(t)/I—歸一化感應電壓，d(V(t)/I)/dt—歸一化感應電壓對時間的導數。

2.2 數據處理

野外采集的數據處理前，首先對其逐點進行整理或預處理，即檢查數據質量，剔除嚴重干擾的跳點數據，再對各測點數據進行濾波，以濾除或壓制干擾信號，恢復信號的變化規律，突出有效信息，再利用數據處理軟件反演計算得到視電阻率和視深度等參數，在此基礎上，根據有關測量、地質和鉆探等資料再做必要的地形校正和高程校正等處理，最后將所得數據以等值線斷面圖的形式繪制出來，這些圖件即是后期資料分析解釋的基礎材料。

2.3 斷面異常分析

從整體上看，各測線的視電阻率變化規律大致為先低阻，然后隨著深度的增加先降低而又逐漸升高，淺層第四系電阻率相對較低，一般低于70 Ω·m，中部石炭-二疊系為泥巖、砂巖層，電阻率較淺層相對升高，約60～130Ω·m，深部的奧陶系灰巖地層，電阻率更高，一般大于150Ω·m。

圖2為測區820測線瞬變電磁測量處理視電阻率擬斷面圖及解譯成果。測線位于測區南部，電阻率由淺至深大體呈“低—中—高”的變化趨勢。各地層的電阻率橫向上連續較好，地層傾角較小，一般在6°以內。推測第四系底板高程在-100m左右，石炭二疊系與奧陶系灰巖的分界在-250m左右。研究區位于背斜的南翼，地質情況較簡單。在測點8240～8280之間，高程-250～-350m之間，電阻率存在向下的彎曲，推測為奧陶系灰巖裂隙發育所致。測線斷面圖上16上煤高程在-170m左右，未發現明顯的采空區異常。由此，測線820電阻率斷面可作為該研究區的背景電阻率認識識別。

圖3為測區940測線瞬變電磁測量處理視電阻率擬斷面圖及解譯成果。測線位于820線北側120m處，與820線相比，縱向上電阻率擬斷面圖由淺及深大體呈“低—中—高”的形態變化，趨勢上基本相同，地質情況也變化不大,16上煤的煤層位置高程為-170m。橫向上看，測點8220～8420處，高程-170m，電阻率存在上下擾動現象，變化在15 Ω·m左右，在測點8360左右，高程-200m上下，異常向下拉升，電阻率明顯下降，結合已有資料推測為采空區異常反映。

1—第四系(Q)與石炭-二疊系(C-P)地層分界線；2—石炭-二疊系(C-P)與奧陶系(O)地層分界線；3—煤層位置

1—第四系(Q)與石炭-二疊系(C-P)地層分界線；2—石炭-二疊系(C-P)與奧陶系(O)地層分界線；3—煤層位置；4—圈定采空區異常區域

圖4為測區1020測線瞬變電磁測量處理視電阻率擬斷面圖及解譯成果。測線位于820線北側約200m處，與820線相比，縱向上電阻率趨勢上大致相同，地質情況也變化不大，16上煤的煤層位置高程為-165m。橫向上看，煤層位置上8240～8360測點處，電阻率等值線存在向下彎曲的趨勢，測點8300處電阻率相對鄰近測點升高，電阻率擾動大約10Ω·m，異常向下延伸至-250m上下，為異常向下拉伸反映。結合已知的其他資料，推測此處異常為采空區異常反映。

1—第四系(Q)與石炭-二疊系(C-P)地層分界線；2—石炭-二疊系(C-P)與奧陶系(O)地層分界線；3—煤層位置；4—圈定采空區異常區域；5—鉆孔編號及位置

3 成果驗證

圖5為研究區瞬變電磁法解譯成果平面圖。依據各測線的解譯成果，在平面上圈定了推斷解釋的采空區分布范圍。結合煤礦相關開采、核實等資料，除采空區邊界部分有所出入外，推斷解譯成果與11605采煤工作面位于研究區內的部分基本吻合，推斷成果基本可靠。結合相關的地質資料、采煤塌陷地監測資料及鉆孔施工目的等情況，確定了研究區內鉆孔ZK01位置(圖4、圖5)，位于1020測線8360測點附近。由于該鉆孔主要為取得采空區影響帶范圍的計算參數，位置選于采空區邊角或留設煤柱區域內。

由錄井資料可知，144m深度以淺，巖性主要為黏土、粉質黏土、細砂、中砂等，144～191m深度，巖性主要為砂巖、泥巖等，在196.55～197.85m，204.15～205.30m深度為2層煤，中間夾約6m厚泥巖，煤層破碎，未見開采痕跡，為留設煤柱。在推斷解譯圖上，144m深度以淺地層視電阻率小于70Ω·m，推測為第四系覆蓋，電阻率特征基本吻合。144m深度以下，電阻率大于70 Ω·m，推測為石炭-二疊系地層，主要巖性為泥巖、砂巖夾煤層，鉆孔揭露情況與推斷解譯基本吻合。鉆孔ZK01位于留設煤柱位置，煤層未開采，但巖石存在一定的破碎情況，為采空區影響區域。

1—煤礦采掘平面范圍；2—鉆孔位置；3—圈定采空區異常區域；4—瞬變電磁法測點

4 結論

本次瞬變電磁法勘查快速獲得了研究區淺部至中深度地層的電性信息,較好地解決了采空區探測等地質問題，取得了較好的探測結果。

(1)工程實例顯示，在淺部薄煤層開采區域，采空區空間規模相對較小，瞬變電磁法視電阻率異常在斷面圖上多表現為視電阻率等值線的上下擾動。

(2)淺層煤礦采空區勘查實踐表明，瞬變電磁法在解決淺部煤礦采空區位置分布及深度問題上效果明顯，這取決于瞬變電磁儀的高靈敏度特點、合理的技術參數、嚴格規范的野外施工和精細的數據處理等因素。

(3) 瞬變電磁法在諸多方法中，對煤礦采空區的探測具有獨特的優勢，是一種經濟、快速、行之有效的地球物理方法，隨著研究發展, 瞬變電磁技術在煤礦采空區勘查中的應用會更完善、更廣泛。

致謝：感謝審稿專家提出的修改意見，感謝柏學成、張榮隋高級工程師在項目工作中的指導和建議！