復(fù)雜地形小回線瞬變電磁法探測采空區(qū)試驗(yàn)研究

牟 義 ，張永超 ，邱 浩 ，游 超 ，李 杰 ，徐東晶

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；3.山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590）

大定源回線和中心回線等大回線發(fā)射裝置作為主要的地面瞬變電磁法探測裝置，研究、應(yīng)用均較為成熟，井下瞬變電磁法由于井下空間的限制，采用重疊回線或偶極回線等小回線發(fā)射裝置作為主要的井下探測裝置，在掘進(jìn)迎頭超前探測和回采工作面區(qū)域探測研究、應(yīng)用較為廣泛，成為井下探測采空區(qū)、含水體的主要物探手段。但由于地面地形等一些特殊條件的限制，部分區(qū)域大回線地面瞬變電磁法現(xiàn)場布置受到限制，因此，部分學(xué)者將井下小回線瞬變電磁法引入到地面上，進(jìn)行了初步研究。徐正玉等[1]采用非線性粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行反演計(jì)算，驗(yàn)證小回線瞬變電磁法方法有效性和準(zhǔn)確性，并以重慶大學(xué)校園防空洞和某城中村地表塌陷地質(zhì)災(zāi)害勘查為例，開展小回線瞬變電磁法實(shí)驗(yàn)研究，取得較好的效果；連晨光等[2]分別計(jì)算了瞬變電磁法線圈邊長為 1～5 m時(shí)相應(yīng)的自感、互感值及其相對誤差，并分析了各種計(jì)算公式的適用性，給出了合適的小回線電感計(jì)算公式；韋乖強(qiáng)等[3]通過小線框瞬變電磁法在貴州某礦開展的探測實(shí)踐及對比分析研究，證實(shí)小線框瞬變電磁法在地形復(fù)雜、構(gòu)造發(fā)育、噪聲干擾嚴(yán)重的地區(qū)開展勘查工作具有絕對優(yōu)勢；齊朝華等[4]以內(nèi)蒙古某煤礦水文勘探為例，分別進(jìn)行大定源回線裝置和重疊回線裝置試驗(yàn)，對比2 個(gè)裝置對含水異常的響應(yīng)特征，多匝小線框重疊回線裝置相比大定源回線裝置占地面積小，體積效應(yīng)小，異常特征更明顯。通過以上研究可以看出，專家們從理論計(jì)算、反演算法、現(xiàn)場試驗(yàn)對比等方面初步開展了小回線瞬變電磁法在地面開展的可行性，但從數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗(yàn)綜合分析可行性及采空區(qū)探測應(yīng)用方面均研究較少。為此，在前人研究基礎(chǔ)上，開展數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗(yàn)，綜合研究分析小回線瞬變電磁法可行性，并進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于千樹塔井田，地表全部被新生界松散沉積物覆蓋，主要有第四系全新統(tǒng)風(fēng)積沙、現(xiàn)代沖洪積層、中更新統(tǒng)離石組，新近系上新統(tǒng)靜樂組等，鉆孔揭露的地層還有：侏羅系中統(tǒng)直羅組、延安組，下統(tǒng)富縣組。井田內(nèi)侏羅系中統(tǒng)延安組（J2y）的3、4、6、9 號(hào)煤層為區(qū)內(nèi)可采煤層，3 號(hào)煤層本次研究的主要目的層，該煤層在井田內(nèi)除東南部自燃外，全區(qū)可采，煤層厚度變化在9.75～11.21 m 之間，平均10.61 m，由東南向西北增大，變化規(guī)律明顯。3 號(hào)煤層埋深147.43～271.25 m，一般200～260 m，底板標(biāo)高變化在1 082～1 120 m 之間。煤層結(jié)構(gòu)簡單，無夾矸。煤層直接頂板以泥巖為主，粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖次之，少量粉砂巖、中粒長石砂巖；底板以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖次之。煤層與其頂?shù)装寰鶠槊黠@接觸。井田東南部由于3 號(hào)煤層自燃，其頂板燒變巖垮塌，造成巖石破碎，節(jié)理、裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)松散，形成火燒巖區(qū)孔洞裂隙水，成為地下水的良好通道和水源。原小煤窯開采3號(hào)煤，形成了分布不清的小窯采空區(qū)，形成的垮落帶及導(dǎo)水?dāng)嗔褞В赡軠贤傲褞?nèi)的不同基巖含水層使地下水直接進(jìn)入礦坑，也會(huì)對地表陜京二線管線造成安全隱患。為了查清采空區(qū)分布情況，為后續(xù)治理提供依據(jù)，需要采用瞬變電磁法進(jìn)行地面物探。而由于地形起伏較大，存在斷崖，落差較大，原有的瞬變電磁法大定源回線和中心回線等大發(fā)射線圈無法布置，而小發(fā)射線圈在井下探測中經(jīng)常用到，因此，本次將井下小回線用于地面復(fù)雜地形區(qū)域進(jìn)行試驗(yàn)，確定試驗(yàn)參數(shù)，對3 號(hào)煤采空區(qū)進(jìn)行探測。

2 瞬變電磁法小回線可行性數(shù)值模擬

本次進(jìn)行一維層狀介質(zhì)瞬變電磁正演，適用于相關(guān)的理論研究、工程設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。軟件首先采用漢克爾變換求得層狀介質(zhì)的電偶源頻率域響應(yīng)，然后采用余弦變換得到電偶源的時(shí)間域響應(yīng)，最后采用高斯—勒讓德積分將電偶源耦合為回線源，最終得到層狀介質(zhì)的定源（中心）回線瞬變電磁響應(yīng)[5-6]。軟件支持并行計(jì)算，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)斜階躍關(guān)斷效應(yīng)的計(jì)算，具有計(jì)算速度快、結(jié)果精度高等特點(diǎn)。根據(jù)試驗(yàn)區(qū)的地層和電性特征建立數(shù)值模型，模型對應(yīng)地層從上往下簡化為6 層，數(shù)值模型參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值模型參數(shù)Table 1 Numerical model parameters

主要針對發(fā)射線圈尺寸、采空區(qū)電阻率、采高和關(guān)斷時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，主要數(shù)值模擬方案如下：①發(fā)射線圈尺寸：固定采空區(qū)電阻率10 Ω·m、采高10 m、關(guān)斷時(shí)間1×10-5s，發(fā)射線圈尺寸分別為2 m×2 m、3 m×3 m、5 m×5 m、10 m×10 m、50 m×50 m、100 m×100 m、200 m×200 m、500 m×500 m 等8 個(gè)值；②采空區(qū)電阻率：固定發(fā)射線圈尺寸3 m×3 m、采高10 m、關(guān)斷時(shí)間1×10-5s，采空區(qū)電阻率分別為2、5、10、20、50、100、200、500 Ω·m 等8 個(gè)值；③采高：固定發(fā)射線圈尺寸3 m×3 m、采空區(qū)電阻率10 Ω·m、關(guān)斷時(shí)間1×10-5s，采高分別為1、2、3、5、7、10、15、20 m 等8 個(gè)值；④關(guān)斷時(shí)間：固定發(fā)射線圈尺寸3 m×3 m、采空區(qū)電阻率10 Ω·m、采高10 m，關(guān)斷時(shí)間分別為1×10-7、1×10-6、1×10-5、1×10-4、1×10-3、1×10-2、1×10-1、1×10-0s 等8 個(gè)值[7-8]。

發(fā)射線圈尺寸、采空區(qū)電阻率、采高和關(guān)斷時(shí)間等參數(shù)數(shù)值模擬的歸一化電壓衰減曲線分別如圖1～圖4。

圖1 不同發(fā)射線框尺寸衰減曲線Fig.1 Attenuation curves of different emission wireframe sizes

1）發(fā)射線圈。由圖1 可以看出，隨著發(fā)射線圈尺寸的增大，整體歸一化電壓不斷增大，早期場受一次場影響時(shí)間也越來越長，晚期場受干擾影響越來越小，曲線越來越平滑，可以看出2 m×2 m 線框尺寸衰減時(shí)間＜0.1 s，3 m×3 m、5 m×5 m、10 m×10 m 衰減時(shí)間介于0.1～1 s，其他尺寸衰減時(shí)間＞1 s，因此，衰減時(shí)間＞0.1 s 的線框尺寸均滿足探測要求，考慮到現(xiàn)場地形影響，因此，線框尺寸選取3 m×3 m。

2）采空區(qū)電阻率。由圖2 可以看出，選用3 m×3 m 發(fā)射線圈，針對埋深超過200 m 的不同電阻率采空區(qū)均有明顯的電性差異，隨著采空區(qū)電阻率的增大，整體歸一化電壓逐漸降低，特別是對低阻采空區(qū)響應(yīng)特征更明顯，說明線框尺寸為3 m×3 m 的小回線可以有效探測目標(biāo)層位深度。

圖2 不同采空區(qū)視電阻率衰減曲線Fig.2 Apparent resistivity decay curves of different goafs

3）采高。由圖3 可以看出，選用3 m×3 m 小發(fā)射線圈，對不同采高的采空區(qū)也有明顯電性特征區(qū)別，隨著采高的不斷增大，歸一化電壓也不斷增大，說明3 m×3 m 小發(fā)射線圈可以分辨大于1 m 的采空區(qū)，采高越大，分辨特征越明顯。

圖3 不同采高衰減曲線Fig.3 Attenuation curves of different mining heights

4）關(guān)斷時(shí)間。由圖4 可以看出，針對3 m×3 m 小發(fā)射線圈，不同關(guān)斷時(shí)間觀測到二次場歸一化電壓也不一樣，關(guān)斷時(shí)間越短，觀測到的整體歸一化電壓值也越大，關(guān)斷時(shí)間＜1×10-5s，歸一化電壓值增大趨勢變緩，基本穩(wěn)定，說明3 m×3 m 小發(fā)射線圈選取小于1×10-5s 的關(guān)斷時(shí)間，可以觀測到穩(wěn)定的二次場衰減曲線。

圖4 不同關(guān)斷時(shí)間衰減曲線Fig.4 Attenuation curves of different off-time

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合儀器裝備性能，選用3 m×3 m 小發(fā)射線圈可以有效探測超過200 m深度、采高超過1 m 的采空區(qū)，針對充水采空區(qū)導(dǎo)致電阻率降低的采空區(qū)有更明顯的效果，設(shè)置關(guān)斷時(shí)間＜1×10-5s 時(shí)，在有效觀測時(shí)間0.001～0.01 s 區(qū)間均出現(xiàn)明顯的采空區(qū)反應(yīng)。因此，通過數(shù)值模擬，可以確定小回線用于地面探測是可行的。

3 瞬變電磁法參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

試驗(yàn)線選擇在已知采空區(qū)地段，位于測區(qū)西北部，跨過13302 工作面，測線長度400 m，點(diǎn)號(hào)1～27，完成物理點(diǎn)27 個(gè)。由西向東布設(shè)，1 號(hào)～12 號(hào)點(diǎn)為已知采空區(qū)地段，21 號(hào)點(diǎn)為QH1鉆孔。試驗(yàn)點(diǎn)選擇在試驗(yàn)線21 號(hào)點(diǎn)，進(jìn)行參數(shù)試驗(yàn)。試驗(yàn)線及試驗(yàn)點(diǎn)位置如圖5。

圖5 測區(qū)及試驗(yàn)線布置圖Fig.5 Relative position diagram of test line

3.1 發(fā)射框尺寸

發(fā)射線框邊長會(huì)直接影響勘探深度，在相同頻率下，線框邊長越大，探測深度越深[9-10]。為了滿足深度要求，選用了2 m×2 m、3 m×3 m、5 m×5 m 3 種發(fā)射線框進(jìn)行試驗(yàn)，以達(dá)到最理想的試驗(yàn)效果。2 m×2 m、3 m×3 m、5 m×5 m 發(fā)射線框試驗(yàn)圖分別如圖6～圖8。

圖6 2 m×2 m 發(fā)射線框試驗(yàn)圖Fig.6 2 m×2 m launch wireframe test diagram

圖7 3 m×3 m 發(fā)射線框試驗(yàn)Fig.7 3 m×3 m launch wireframe test

圖8 5 m×5 m 發(fā)射線框試驗(yàn)Fig.8 5 m×5 m launch wireframe test

由圖6～圖8 可見：在相同參數(shù)，發(fā)射頻率8 Hz、電流8 A 情況下，2 m×2 m 探測深度能達(dá)到220 m，3 m×3 m 探測深度能達(dá)到330 m，5 m×5 m 探測深度能達(dá)到560 m；2 m×2 m 探測深度較淺，5 m×5 m 探測深度較深，結(jié)合地質(zhì)資料，目的層埋深240 m 左右，即3 m×3 m 線框可滿足本次工作需求。

3.2 發(fā)射頻率

從理論上講在外部其他條件恒定的情況下，隨發(fā)射頻率的逐漸降低探測深度逐漸增加，在相同時(shí)間段內(nèi)包含的采樣點(diǎn)數(shù)越少，同時(shí)由于頻率越低其采樣時(shí)間越長，因此會(huì)包含更多的外部隨機(jī)干擾，尤其是在各頻率尾部有效信號(hào)值微弱時(shí)，會(huì)受到外部的強(qiáng)烈干擾而導(dǎo)致尾部道無效[11-12]。

發(fā)射頻率可以反映發(fā)射信號(hào)與地質(zhì)體的耦合程度，一般頻率高與埋深較淺的地質(zhì)體耦合程度較好，頻率低則與較深地質(zhì)體耦合程度好。選用4、8、16 Hz 3 種頻率進(jìn)行了試驗(yàn)。不同發(fā)射頻率衰減曲線如圖9。

圖9 不同發(fā)射頻率衰減曲線Fig.9 Attenuation curves of different transmit frequencies

由圖9 可見，4 Hz 在接近104μs 以后出現(xiàn)隨機(jī)干擾，有效衰減時(shí)間過短，證明其頻率不適合本測區(qū)的電性反應(yīng)條件。8 Hz 和16 Hz 在104μs以后尾部信號(hào)出現(xiàn)較小波動(dòng)干擾，證明有效信號(hào)的總體衰減趨勢特征已經(jīng)被完整采集。但16 Hz較8 Hz 衰減曲線可利用有用信號(hào)更多，衰減曲線更為圓滑。因此，本次發(fā)射頻率選擇為16 Hz。

3.3 發(fā)射電流

在其他參數(shù)相同時(shí)，較大電流可以獲得較深的地質(zhì)體反映信號(hào)，較小的電流則獲得較淺地質(zhì)體的反映信號(hào)。同時(shí)發(fā)射電流的選擇一要考慮所發(fā)射的電流能夠持續(xù)長時(shí)間的穩(wěn)定，保證設(shè)備正常；二要考慮場區(qū)內(nèi)的干擾因素，所發(fā)射的電流要有足夠的抗干擾能力，能保證取得良好的原始數(shù)據(jù)[13]。結(jié)合本區(qū)目的層埋藏深度較深的情況，發(fā)射電流分別選用5、8、10 A 3 種電流進(jìn)行試驗(yàn)。不同發(fā)射電流衰減曲線如圖10。

圖10 不同發(fā)射電流衰減曲線Fig.10 Attenuation curves of different emission currents

發(fā)射電流為5 A 時(shí)，尾部信號(hào)強(qiáng)度低，有效衰減時(shí)間變短，曲線不圓滑。8、10 A 有效衰減時(shí)間較長，采集信號(hào)較強(qiáng)，衰減曲線比較圓滑，根據(jù)本項(xiàng)目的地質(zhì)任務(wù)特點(diǎn)以及設(shè)備良性運(yùn)作，最終選擇8 A 左右發(fā)射電流來完成本測區(qū)地質(zhì)任務(wù)。

3.4 疊加次數(shù)

試驗(yàn)選在同一點(diǎn)，參數(shù)相同情況下分別采用疊加次數(shù)5 次、10 次、15 次進(jìn)行試驗(yàn)，不同疊加次數(shù)衰減曲線如圖11。

圖11 不同疊加次數(shù)衰減曲線Fig.11 Attenuation curves of different stacking times

由圖11 可見：疊加次數(shù)越多曲線越圓滑，兼顧采集效率，本次工作疊加次數(shù)采用15 次，即可滿足本次試驗(yàn)要求。

3.5 方法有效性

地層已知性試驗(yàn)是地球物理勘查的一個(gè)重要依據(jù)，它是在得知地質(zhì)資料的前提下在物探范圍或者附近尋找一地勢平坦，存在異常的地段進(jìn)行試驗(yàn)[14-15]。試驗(yàn)選擇在由礦方提供的已知采空區(qū)地段，位于測區(qū)西北部，跨過13302 工作面。試驗(yàn)的目的是對比探測方法有效性，校正反演程序中的參數(shù)，使反演結(jié)果更接近實(shí)際本區(qū)地層電性特征。本次已知性試驗(yàn)采用優(yōu)化試驗(yàn)選取的參數(shù)，選取發(fā)射線框邊長3 m×3 m，疊加次數(shù)15 次；發(fā)射頻率16 Hz，發(fā)射電流≥8 A（發(fā)射機(jī)控制），其它參數(shù)由儀器內(nèi)部設(shè)置自動(dòng)調(diào)節(jié)變化。試驗(yàn)線瞬變電磁視電阻率擬斷面等值線圖如圖12。

圖12 試驗(yàn)線瞬變電磁擬斷面等值線圖Fig.12 Transient electromagnetic pseudo-section contour diagram of the test line

由圖12 可以看出：電性反映特征明顯，層位清晰，各地層視電阻率由淺至深呈低阻～中阻～高阻的反映，符合區(qū)域地層的電性參數(shù)反映特征。其中，3 號(hào)煤層在1～12 號(hào)點(diǎn)附近電性發(fā)生變化，呈現(xiàn)相對高阻異常，與已知采空區(qū)吻合較好。3 號(hào)煤層在15～19 號(hào)點(diǎn)附近電性發(fā)生變化，呈現(xiàn)相對高阻異常，推測為采空區(qū)塌陷拉動(dòng)引起。

通過本次已知性試驗(yàn)充分確定小回線地面探測是行之有效的，驗(yàn)證了數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)的成果，并確定了最佳施工參數(shù)：發(fā)射線框邊長3 m×3 m，疊加次數(shù)15 次；發(fā)射頻率16 Hz，發(fā)射電流≥8 A（發(fā)射機(jī)控制）。

4 瞬變電磁法探測成果

4.1 剖面成果

本次瞬變電磁法勘探，點(diǎn)距均為20 m，各測線剖面視電阻率等值線圖中橫坐標(biāo)為測點(diǎn)號(hào)，縱坐標(biāo)為標(biāo)高，圖中紅色～綠色～藍(lán)色的過渡表示視電阻率值由高～中～低的變化[16]。圖中黑色線為3 號(hào)煤層位置。測區(qū)地層自下而上有侏羅系、新近系和第四系。瞬變電磁資料視電阻率表現(xiàn)為：上部的低阻區(qū)域?yàn)榈谒南档貙拥碾娦苑从常胁恐凶鑵^(qū)域?yàn)樾陆档貙与娦蕴卣鳎虏恐懈咦鑵^(qū)域反映了侏羅系地層的電性特征。結(jié)合測區(qū)范圍內(nèi)地質(zhì)資料和調(diào)查情況，選擇典型剖面進(jìn)行解釋。380X線瞬變電磁法勘探剖面視電阻率等值線圖如圖13。

圖13 典型剖面視電阻率等值線圖Fig.13 Typical profile of apparent resistivity contour diagram

圖13 中上部為低阻反應(yīng)，視電阻率值在60～80 Ω·m 之間，分析為第四系松散覆蓋層的電性反應(yīng)；中部電性為中阻，分析為新近系靜樂組電性反應(yīng)；下部為中高阻反應(yīng)，視電阻率值一般大于160 Ω·m，分析為侏羅系綜合電性反應(yīng)。從橫向上看，3 號(hào)煤層在1～3、7～18 號(hào)點(diǎn)附近呈現(xiàn)相對高阻反應(yīng)，結(jié)合已知資料，推斷為煤層采空區(qū)異常引起。

4.2 平面成果

首先依據(jù)各測線瞬變電磁測量剖面視電阻率等值線圖對測區(qū)內(nèi)可能存在的異常區(qū)進(jìn)行分析；其次結(jié)合3 號(hào)煤層做視電阻率順層切片對圈定的范圍進(jìn)行分析解釋，初步確定采空異常區(qū)范圍；最后通過對采掘情況、以往地質(zhì)勘探資料、煤層埋深等進(jìn)行分析對比，同時(shí)參考剖面視電阻等值線圖及試驗(yàn)結(jié)論得出的內(nèi)容確定了對高阻異常區(qū)的劃分為：3 號(hào)煤層電阻率≥200 Ω·m 為采空異常區(qū)。

依據(jù)上述分析方法和異常劃分原則，對不同層位的視電阻率順層切片異常進(jìn)行了圈定，3 號(hào)煤層視電阻率順層切片圖如圖14。

圖14 3 號(hào)煤層視電阻率順層切片圖Fig.14 Apparent resistivity of 3# coal seam along the seam

圖14 中紅色～黃色～綠色～藍(lán)色的過渡表示視電阻率值由高～中～低的變化，粉色虛線區(qū)域?yàn)楦咦璁惓^(qū)。3 號(hào)煤層劃分出相對高阻異常區(qū)5 個(gè)，編號(hào)為A1～A5。

本次工作在地面調(diào)查以及收集已有資料和調(diào)查訪問的基礎(chǔ)上，采用地面瞬變電磁法勘探手段查明測區(qū)范圍內(nèi)3 號(hào)煤層采空異常區(qū)域，完成了本次勘探任務(wù)。3 號(hào)煤層共圈定解釋了5 個(gè)異常區(qū)，編號(hào)為A1～A5，各異常區(qū)性質(zhì)、面積詳見表2。

表2 3 號(hào)煤層異常區(qū)推斷成果表Table 2 Inference results of abnormal area of 3# coal seam

5 結(jié) 語

1）通過設(shè)置不同發(fā)射線圈尺寸、采空區(qū)電阻率、采高和關(guān)斷時(shí)間等模型或觀測參數(shù)，建立數(shù)值模型開展數(shù)值模擬，模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用3 m×3 m 小回線發(fā)射線圈可以有效探測深度200 m、采高超過1 m 的采空區(qū)，并且充水采空區(qū)探測效果更好，電性特征變化更明顯；在關(guān)斷時(shí)間小于1×10-5s 時(shí)，在有效觀測時(shí)間0.001～0.01 s 區(qū)間均出現(xiàn)明顯的采空區(qū)異常反應(yīng)，通過數(shù)值模擬，可以確定小回線瞬變電磁法用于地面探測是可行的。

2）通過對發(fā)射框尺寸、發(fā)射頻率、發(fā)射電流及疊加次數(shù)等進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，優(yōu)化試驗(yàn)參數(shù)，分析得出采用小回線發(fā)射線圈邊長3 m×3 m、疊加次數(shù)15 次、發(fā)射頻率16 Hz、發(fā)射電流≥8 A 等參數(shù)，可以達(dá)到最佳探測效果，也驗(yàn)證了小回線瞬變電磁法地面探測是可行的。

3）將數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)參數(shù)應(yīng)用到現(xiàn)場觀測中，通過分析現(xiàn)場應(yīng)用剖面和平面成果圖，確定3 號(hào)煤層電阻率≥200 Ω·m 為采空異常區(qū)，在3號(hào)煤層共圈定解釋了5 個(gè)異常區(qū)，推斷為采空區(qū)或燒變巖空隙，充分說明了小回線瞬變電磁法探測的可靠性，為油氣管線下方采空區(qū)治理提供了準(zhǔn)確的勘探資料。