瞬變電磁法在露天礦采空區探測中的作用研究

王學知

（甘肅鐵道綜合工程勘察院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

瞬變電磁法是一種具有時間域特征的電磁感應法，其在應用階段就是工作人員結合實際的磁場情況，將探測的具體目標和不同圍巖介質有機結合起來，并妥善處理電阻率值存在的差異性。經過大量的實踐和探索中發現，在探測露天礦采空區實踐中發現，填充介質和圍巖電性之間形成的差異對電阻率屬性起到決定性作用，在完全干燥或少許充水的工況下，空氣作為唯一的填充介質，和其他類型的圍巖介質相比較，其呈現出高電阻率特性；但是在水分含量較高時，鑒于水流整體的電阻率處于較低水平，此時和常規礦層圍巖相比較，采空區的電阻率整體偏低、采空區自身具備的如上屬性為瞬變電磁法應用過程創造了良好條件。

1 項目概況

某礦企為進行升級改造，綜合應用瞬變電磁與電場巖性探測等地球物理法綜合勘察、探測礦區。共計探明工況采空區的物理測線39條，測量點位3020個，瞬變電磁探測點3020個。希望能通過勘探過程找到采礦區域的分布位置，進而為后期治理工作開展提供真實、全面的數據依據，也能為相似礦區探測項目推進提供可靠的經驗參照。

本礦區沒有地表水體，發育階段形成了大小不等的溝谷，日常時候經常處于干枯狀態，沒有水分滯留，只是在雨季出現間歇性流水，并且會聚集到東碾河再向西流進汾河。晉北井田中布設了5個水文孔(ZK002 、ZK605、補2#、補8#、、補11#)，經過抽水試驗后，發現奧灰巖溶內水層的富水能力處于較高水平，水位標高是1257-1268m，井田中西部大多數可采礦層位居奧灰水水位以下，利用屬帶壓完成開采任務。石炭系碎屑巖夾碳酸鹽類巖沒有發育，富水性相對較差，風化對淺部狀態形成較大影響，，裂隙及巖溶均表現出較發育，富水性相對較好。解讀補11#水文孔抽水試驗階段形成的資料，太原組水位標高1375.50m，單位涌水 0.0015L/（s·m），富水能力相對較差[2]。

二疊系之下的統山西組、下石盒子組泥巖厚度值相對較大，層位的整體穩定性處于較高水平，被定義成礦系地層與上覆含水巖組之間形成的主要隔水層。在正常工況下，本溪組對奧陶系巖溶水與上部含水層兩者水力的連接過程起到一定阻隔作用，隔水性優良，開采礦層和奧灰頂板均屬于軟硬相間巖性整合后形成的構建，當其構造沒有被破壞時具備良好的隔水功能。

2 野外實測

2.1 設備儀器及工作參數

本課題選用了大功率瞬變電磁儀（TEM-6型），采集野外數據時應用了規格是5×5m單匝方形傳送回線、接收應用中心探頭（T50-等效面積100㎡）設備執行，供電瞬時脈沖電流能夠達到1500A，確保了勘探深度及深部信息信噪比的合理性。

參照實際的地質條件以及既往形成的工程經驗，為實現本區域內勘探目標，主要參數最后的設定情況如下：

2.2 野外施工方法

本礦區內應用單匝中心回線進行施工測量，小線框應用大電流去傳送脈沖，中心地面探頭負責接收信號。正式測量前確定適宜的野外施工方法。解讀現場試驗過程中形成的信息，參照實際的地質條件以及既往形成的工程經驗，為實現本區域內勘探目標，設定供電電流、供電次數、采樣道、供電脈寬分別是770A、8次、45道、4ms，配合使用單匝5×5m單匝中心回線作為發射框。發送線框長3m，將重疊回線設施內置在發射線框，采用塑料管固定發射線框與接收線圈，施工測量時將發射線框安放在測量固定標志點，嚴格依照設計、規范要求按需施作。

2.3 試驗與技術方法

嚴格依照相關技術規程開展野外施工活動。為確保瞬變電磁法勘探、采集野外數據的質量，要選出適宜的積分時間和增益，嚴格遵照瞬變電磁勘探接收過程中應規避布置在強干擾源、磁場及金屬干擾物分布區的規則，選用實用性較強的施工方法。全面了解被勘探區內的地電與施工時間條件、擾亂背景及相應的地球物理特性等，科學判斷實驗工作的效力，便于有針對性的調整施工作業方法與設備調整，使其均能抵達最優狀態。試驗點選定在已知鉆孔周邊有代表性的區段內。配合使用重疊回線工作設施，發射框的線框大小5×5m，供電電流選用1 200A，供電頻次8次。

2.4 布置測網、作業量達成及質量

2.4.1 布設測網

參照既有礦區聲場階段形成的材料、工程場地地形條件及物探設計要求，在規劃的作業范疇中攻擊布置設25條勘探線，具體是沿著西東走向布置，線距、瞬變點距分別是40m、20m，在設定I、II區內布置的局部測線對應的瞬變點距值時，鑒于其作用以老窯巷道狀態為主，故而可以適度加密，間距3m，預計布置瞬變物理點2755個，其中有1497個加密點。

2.4.2 規劃及落實的作業量

設計瞬變物理點2755個（內含加密點1497個），現實工完成3020個，期內含有1435個加密點。野外施工過程，結合現實狀況可以對作業區和探測范疇適度變更，在II區東北向拓展150m×715m范疇中增設334個瞬變電磁點；III區西北角170m×530m范疇中撤去105個瞬變電磁點，而后又新增26個瞬變點。現實外野測量中共計布置了物理測線39條，測量點位3020個。

瞬變電磁物理點中甲、乙級點分別有2962個、58個，占比分別是98.08%、1.92%，，合格率達到100.00% 。選用的2個試驗點均達標，設計了83個檢測點，現實完成的檢測點數105個，檢測點均方相對偏差時6.79%。不管是檢測點分布還是其施工測量階段，均符合現行的礦區地質勘探規范與設計質量要求。

2.5 處理與解釋資料

本文應用EMRS瞬變電磁法處理流程（Ver2.5），結合實際的礦區建設情況對需要進行探測處理的生產材料進行解釋及處理，詳細的數據處置與資料解釋程序如圖1所示。

圖1 勘探數據處置與資料解釋程序圖

歷經以上處理過程后，勾畫出39個多道斷面圖與視點阻率的斷面圖，大約5個有差別的視點阻率切面圖形。站在客觀層面上分析，各個圖件均呈現出不同測點的巖性改變，進而取得了預期成效。本文現在對第1測線為實例進行分析，見圖2。讀圖2以后，經過周密的分析和論證可以得出，圈定的8、9號與16、17號點高阻異常呈現顯著，和毗鄰點相比較沒有出現高阻異常反應或者呈現模糊，為十分典型的礦層采空不積水呈現特征，進而判斷以上四個位點是礦層采空方位。

圖2 1測線多道剖面圖

3 采空區探測成果

探測5#礦層采空區，利用瞬變電磁法推導探測區范疇中采空和積水兩者之間的相關性，設定的水平面上可能同時存在著采空與積水區。參照以上5#礦層底板等高線布置情況，解讀最大可能等同的位置，設定那些符合現實狀況的解釋結論。

被測區東南部呈現零散的高阻、低阻情況；存在地面存有積水與裂隙水因素的影響，南部地下空間內存有很多巷道干擾。據此推測該區域東部、南部分別是采空區、巷采區。探測區域中局部位置存在小面積積水，水量偏少。測區西部，檢測區域呈現出北側存有高阻，中部由低阻，存在著地表積水于裂隙水的干擾。推測本區域北、南部分位置是采空區，沒有積水滯留。區域內中部表現低阻是由于地面積水、裂隙水引起的。綜合分析井下采掘工藝與消除干擾因素，形成了最后的礦區上5#礦層采空區探測解譯結果（圖3）。

圖3 5#礦層采空區探測解譯結果圖

本次探測區域中5#礦層采空區整體面積0. 780km2，探測區面積為1.34km2，采空區面積在礦井總面積中所占比例約57.8%。地層傾角相對偏大，積水區是低洼不完全充水，依照既往工程建設實踐經驗水柱高度取50㎝。在經驗基礎上取礦回采對應值是0.31，預測總積水量是10888㎡。

4 結語

在采空區上方開展建設中，施工方要全面了解采空區的狀況，政府治理該特殊區域時也需對其有整體了解。但是自歷史等因素的作用下，很多露天礦采空區沒有對應的圖紙，很難整體了解其真實情況，故而做好該區域的探測情況具有很大必要性。筆者希望能和同行分享實踐經驗，共同完善采空區的探測工作。