瞬變電磁法在煤礦采空區(qū)中的應用

余小軍

（山西省煤炭地質(zhì)114 勘查院，山西 長治 046011）

一、瞬變電磁法原理

瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Method，簡稱TEM)是利用不接地回線或電極向地下發(fā)送脈沖式一次電磁場，用線圈或接地電極觀測由該脈沖電磁場感應的地下渦流產(chǎn)生的二次電磁場的空間和時間分布，來解決有關(guān)地質(zhì)問題的時間域電磁法。

瞬變電磁法的激勵場源主要有兩種，一種是回線形式(或載流線圈)的磁源，另一種是接地電極形式的電流源。下面以均勻大地的瞬變電磁響應為例，來討論回線形式磁偶源激發(fā)的瞬變電磁場，從而闡述瞬變電磁法測深的基本理論。

在導電率為σ、導磁率為μ 的均勻各向同性大地表面敷設面積為S 的矩形發(fā)射回線在回線中供以階躍脈沖電流。

在電流斷開之前(t＜0時)，發(fā)射電流在回線周圍的大地和空間中建立起一個穩(wěn)定的磁場。

在t=0 時刻，將電流突然斷開，由該電流產(chǎn)生的磁場也立即消失。一次磁場的這一劇烈變化通過空氣和地下導電介質(zhì)傳至回線周圍的大地中，并在大地中激發(fā)出感應電流以維持發(fā)射電流斷開之前存在的磁場、使空間的磁場不會即刻消失。

由于介質(zhì)的歐姆損耗，這一感應電流將迅速衰減，由它產(chǎn)生的磁場也隨之迅速衰減，這種迅速衰減的磁場又在其周圍的地下介質(zhì)中感應出新的強度更弱的渦流。這一過程繼續(xù)下去，直至大地的歐姆損耗將磁場能量消耗完畢為止。這便是大地中的瞬變電磁過程，伴隨這一過程存在的電磁場便是大地的瞬變電磁場。

任一時刻地下渦旋電流在地表產(chǎn)生的磁場可以等效為一個水平環(huán)狀線電流的磁場。在發(fā)射電流剛關(guān)斷時，該環(huán)狀線電流緊接發(fā)射回線，與發(fā)射回線具有相同的形狀。隨著時間推移，該電流環(huán)向下、向外擴散，并逐漸變形為圓電流環(huán)。因此，人們將地下渦旋電流向下、向外擴散的過程形象地稱為“煙圈效應”。

“煙圈”的半徑r、深度d 的表達式分別為：式中：a 為發(fā)射線圈半徑，。

從(1-1)到(1-3)式可以看出、地下感應渦流向下、向外擴散的速度與大地導電率有關(guān)。導電性越好，擴散速度越慢，這意味著在導電性較好的大地上，能在更長的延時后觀測到大地瞬變電磁場。

從“煙圈效應”的觀點看，早期瞬變電磁場是由近地表的感應電流產(chǎn)生的，反映淺部電性分布；晚期瞬變電磁場主要是由深部的感應電流產(chǎn)生的，反映深部的電性分布。因此，觀測和研究大地瞬變電磁場隨時間的變化規(guī)律，可以探測大地電位的垂向變化，這便是瞬變電磁測深的原理。

二、應用實例

（一）礦區(qū)地質(zhì)概況

測區(qū)位于呂梁山脈臨汾地區(qū)中央丘陵地區(qū)，基巖出露好，僅山凹處有小面積黃土覆蓋，地表切割強烈，井田地勢總體西部高，東部低，出露地層有：上統(tǒng)太原組(C3t)，二疊系下統(tǒng)山西組（P1s）、下石盒子組（P1x），上統(tǒng)上石盒子組（P2s）。鉆孔對奧陶系、石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)有揭露，溝谷及部分山梁和山坡地帶有第四系（Q）松散沉積物分布。井田含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組（C3t）和二疊系下統(tǒng)山西組（P1s）。

井田內(nèi)有多處老窯和小窯，特別是2 號煤層，埋藏淺，基本被老、小窯采空，現(xiàn)均關(guān)閉或自然坍塌，井筒、井口均已無法查清。9 號煤層和10+11 號煤層都存在多處采空區(qū)，經(jīng)向礦方調(diào)查，目前采空區(qū)尚有無積水，情況不明。而且從采空區(qū)和破壞區(qū)的位置來看，對今后開采井田向斜軸地段的煤層有著威脅。

（二）技術(shù)方法

本次勘查測區(qū)測線、測點的布置遵循南北向布測，點距20 米，線距20 米，異常區(qū)域適當加密。設計測線53 條。野外采集使用的是加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的V8 電法工作站，發(fā)射機型號為T4，接收機型號為V8-6R，接收探頭為1×1m 的100 匝硬架圓框線圈。本次試驗確定裝置為大定源法，發(fā)射線框邊長240X240m，發(fā)射電流12A，發(fā)射頻率25Hz。

（三）采空區(qū)的地球物理特征

煤層賦存于成層分布的煤系地層中，煤層被開采后形成采空區(qū)，破壞了原有的應力平衡狀態(tài)。當開采面積較小時，且煤層頂板為塑型巖石并保存完整，由于殘留煤柱較多，壓力轉(zhuǎn)移到煤柱上，未引起地層變形、塌陷，采空區(qū)以充水或不充水的空洞形式保存下來；但多數(shù)采空區(qū)在重力和地層應力作用下，頂板垮落，形成冒落帶、裂隙帶和彎曲帶。這些地質(zhì)因素的變化，使得采空區(qū)及其上部地層的地球物理特征發(fā)生了顯著變化，主要表現(xiàn)為：煤層采空區(qū)冒落帶與完整地層相比，巖性變得疏松、密實度降低，即單位體積內(nèi)介質(zhì)密度降低，同時使得傳播于其中的導電性降低，在電性上表現(xiàn)為高阻異常；煤層采空區(qū)裂隙帶與完整地層相比，巖性沒有發(fā)生明顯的變化，但由于裂隙帶內(nèi)巖石的裂隙發(fā)育，同時使得傳播于其中的導電性變差，巖石電阻率明顯變大。

通常情況下，冒落帶的高度一般在十幾米左右，其內(nèi)部充填的松散物的視電阻率明顯高于周圍介質(zhì)，裂隙帶的高度一般在幾十米，主要是由于采空區(qū)塌陷造成巖石出現(xiàn)裂隙，巖石的電阻率明顯變大，而當采空區(qū)充水較多時，由于水的存在，導電性變強，采空區(qū)的電阻率明顯變小。由此可見，采空積水區(qū)的視電阻率明顯區(qū)別于采空區(qū)和未采區(qū)的視電阻率，是本次瞬變電磁法探測采空積水區(qū)的物理前提。

（四）瞬變電磁勘查成果解釋

在視電阻率擬斷面圖2-1，可以看出從淺到深其視電阻率整體基本呈現(xiàn)由低～高阻的電性特征，等值線呈近水平層狀分布，并隨著地層的起伏而表現(xiàn)出高低變化，符合地層的電性分布特征。標高930m 在180-280 點號和410-450 點號處出現(xiàn)畸變，向下凹陷，并且呈低阻反映；標高1030m 在410-450 點號處出現(xiàn)畸變，向下凹陷，并且呈低阻反映。同時，在多測道電壓剖面圖上，早、中期測道在180-280 點號和410-450 點號處出現(xiàn)“高電壓異常”；結(jié)合調(diào)查的煤礦采空資料綜合分析認為，標高1030m 在410-450 點號處出現(xiàn)的異常為2 號煤層采空積水區(qū)反映；標高930m 在180-280 點號出現(xiàn)異常為為9#+10#+11#煤層富水區(qū)反映，在410-450 點號處出現(xiàn)異常可能受2 號煤層采空積水影響所致，也可能該處為裂隙發(fā)育區(qū)。該斷面圖的其它地段電性變化較穩(wěn)定，說明該段地層完整性較好。

圖2-1 測區(qū)520 測線視電阻率擬斷面圖和測區(qū)520 測線多測道電壓剖面

圖2-2 為9#+10#+11#煤視電阻率順煤層切片等值線圖，從圖上可以看出，與測道等電壓平面圖比較，低阻異常區(qū)較少，主要的低阻異常區(qū)在100-280 測線的100～180 號點、140-320 測線的200～360 號點、520-720 測線的0～180 號點、480-640測線的200～380 號點、740-1010 測線的80～200 號點720-880 測線的280～400 號點。

圖2-2 9#+10#+11#煤視電阻率順煤層切片等值線圖

結(jié)合該礦地質(zhì)情況分析，2 號煤層的直接頂板為泥巖和中砂巖，直接含水層為K8 中砂巖，富水性較好；9#+10#+11#號煤層的直接頂板為泥巖及其砂巖，直接含水層為K2 灰?guī)r，富水性一般，都是采空區(qū)積水的主要水源。此外頂板破碎帶也有可能是采空區(qū)積水的來源，由于老空區(qū)開采時間較長，故采空區(qū)內(nèi)會出現(xiàn)不同程度的積水，在順煤層視電阻率等值線圖上表現(xiàn)的視電阻率值相對較小。需要強調(diào)的是有些區(qū)域盡管視電阻率較低，但有可能不是采空積水區(qū)，而可能為裂隙水，或者煤層頂板水，嚴格來講應該定義為富水區(qū)域。

（五）地質(zhì)成果

結(jié)合已知地質(zhì)、水文地質(zhì)資料，對本次瞬變電磁勘探資料進行了綜合處理分析與解釋，獲得的主要地質(zhì)成果如下：根據(jù)瞬變電磁法勘探結(jié)果，推斷解釋2#煤層物探異常區(qū)3 處；推斷解釋9#+10#+11#煤層物探異常區(qū)7 處；為驗證推斷采空積水區(qū)的可靠性，根據(jù)瞬變電磁的異常布置兩個鉆孔，并得到了驗證，說明本次瞬變電磁法的推斷具有較高的準確性。

三、結(jié)論

瞬變電磁勘探方法，是基于目標體與圍巖的電性差異來測量。其電性差異引起的異常大小(高阻或低阻)是勘探的關(guān)鍵和基礎。通過本次勘探，說明瞬變電磁法是探測煤礦采空區(qū)的有效手段。