瞬變電磁法在鍶礦采空區中的應用研究

吳月雷 WU Yue-lei；劉孟舉 LIU Meng-ju；周琦斌 ZHOU Qi-bin；何曉峰 HE Xiao-feng

（重慶市大足天青石礦業有限公司，重慶 402359）

0 引言

資源開采給社會帶來巨大財富的同時也給人們的生產和生活帶來了巨大的安全隱患。關于采空區造成的人員傷亡和財產損失國內外報道甚多，采空區已成為影響現在礦山安全生產的主要危害源之一。這些采空區使礦山開采條件惡化，造成礦層變形破壞，相鄰作業區采場和巷道維護困難；大面積冒落和巖移，引起地表塌陷，危及地面農田及建筑；采空區突然垮塌的高速氣浪和沖擊波造成井下連通作業場所人員傷亡和設備破壞；采空區老窿積水形成突水隱患等等，給礦山生產和安全帶來嚴重影響，并造成環境惡化、礦產資源嚴重浪費[1-3]。

地球物理方法在地下采空區精細探測中發揮著重要作用。當前，用于采空區探測的地球物理方法主要有高密度電阻率法和瞬變電磁法等方法。王麗紅將高密度電阻率法和瞬變電磁法方法用于煤礦采空區應用研究，結合具體工程案例，驗證方法有效性[4]；韓自強采用矩形大定源回線TEM 全區視電阻率法在煤田采空區勘探中取得應用[5]；郭偉立利用瞬變電磁法監測采空區中煤礦含水情況，較好解釋采空區地質問題，取得令人滿意的探測結果[6]；陳衛營利用瞬變電磁法多裝置探測技術在煤礦采空區應用，研究結果表明電性源瞬變電磁法具有探測深度大、施工方便、工作效率高等優點，是一種可用于深部采空區探測的值得推廣的電磁方法之一[7]；常規瞬變電磁法在強干擾環境中應用受限，抗干擾能力差；受關斷時間和線圈互感影響，淺部盲區大，分辨率低。瞬變電磁法數據處理通常采用全區視電阻率計算或者線性迭代反演方法。全區視電阻率計算方法只能用于異常定性判斷，不能反映目標體準確深度信息。線性迭代反演方法需要計算雅可比矩陣，計算速度受限[8]。

高密度電阻率法是通過向地下供直流電，然后利用電極測量兩點之間的電位差進行探測。這種方法需要一定的場地空間，并且需要布置電極，野外工作效率低，具有一定的破壞性也不容易進行施工。目前，對于地下空間200 米以內的探測深度，瞬變電磁法是首選方法之一。瞬變電磁法是通過不接地回線或接地線源向地下發送一次場，在電流關斷間歇期間內接收感應二次場的變化[9-10]。該方法的優點是純二次場觀測，其分辨率高、探測深度深，對低阻異常體敏感。傳統瞬變電磁法主要應用于空曠山區，勘探儀器主要采用國外設備，電流關斷時間很長，造成淺表的異常信息丟失，形成了瞬變電磁的探測盲區。此外，國外儀器采樣率非常低，不能有效采集異常體的信息，所以不適合在窄小的、強干擾的城市調查中進行探測。近年來，吉林大學林君院士、重慶大學付志紅教授、中南大學席振銖教授和中國地質大學（武漢）梁慶九等人在國產化淺層瞬變電磁儀器研制上取得了非常突出的成就。其中，重慶大學付志紅教授及其團隊等人在瞬變電磁發射機高速關斷技術、線圈消互感技術、高速采樣率以及數據處理反演等方面取得了重大進步，為實現地下采空區精細探測提供了強有力的保障[11-12]。

本文結合承擔鍶礦采空區調查項目，采用淺層高分率瞬變電磁系統，對采空區段進行探測，并將探測結果與實際地質資料進行比較，結合現場資料驗證了瞬變電磁法探測結果的準確性。

1 瞬變電磁法原理和數據處理方法

瞬變電磁法（Transient Electromagnetic Method，簡稱TEM）是利用不接地回線或接地電極向地下發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生的二次電磁場的空間和時間分布，來解決有關地質問題的時間域電磁法。目前，該方法已成為淺地表工程地球物理調查的重要方法之一，被廣泛地應用于工程、水文地質調查，環境調查等諸多領域。圖1 表示發射電流關斷后，不同時刻地下等效電流環的分布示意圖。從圖中可以看到，等效電流環像從發射回線中“吹”出來的一系列“煙圈”。因此，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”[8]。

圖1 瞬變電磁場“煙圈效應”

傳統的瞬態電磁數據處理方法是采用煙圈快速成像技術。該方法是一種半定性和定量的粗糙處理方法，具有精度低，對異常目標深度不敏感的缺點。煙圈快速成像理論的計算公式如下。某時刻煙圈的垂直深度dr和垂直傳播速度v 為[13]：

其中ρ 為均勻半空間的電阻率，單位為Ω·m；t 為采樣延時，單位為ms；μ0為真空中的磁導率。

通過計算化簡，可以得到視電阻率ρr和視深度Hr計算公式，如下：

其中，titj為相鄰時間道的采樣時間，并且tj＞ti，ρi和ρj為相鄰時間道的全區視電阻率，tij是ti和tj的算術平方根。

本文采用非線性粒子群優化算法進行反演計算。粒子群優化算法核心思想是：將鳥或魚簡化為粒子，粒子的位置代表最優化問題中的可能解，食物的位置代表最優解，所有粒子在一定的規則下，向著最優解位置運動[14]。

在尋優開始時，粒子群算法首先在搜索區域范圍內隨機初始化m 個粒子，作為迭代初始值。然后粒子根據公式（5）實時更新自己的速度及位置：

式（6）中，j 為搜索空間的維度，c1和c2為學習因子，r1和r2為（0，1）之間均勻分布的兩個隨機數。Xu（2020）在文章中詳細的探討了粒子群優化算法的參數選擇和反演擬合精度，得出該算法是一種高效、準確的全局優化算法[15]。

通過漢克爾變換和余弦變化求解瞬變電磁時間域響應，構造如下目標函數為：

其中d（v，t）表示野外實測數據，X（v，t）表示正演數據，模型輸入為電阻率和層厚參數。

本文采用拖曳式高分辨瞬變電磁系統進行野外采集工作（圖2）。該系統由瞬變電磁主機、收發一體線圈、數據處理與成像軟件組成，采用了自主知識產權的“恒壓鉗位”高速線性關斷和無損消互感技術，結合高密度高動態信號采集，具有極強的淺層和高分辨探測能力，拖曳式觀測模式極大提高了工作效率，整套系統輕便小巧、實用高效，便于野外作業[10]。

2 調查區概況和資料處理

重慶市大足天青石礦業有限公司，為多年開采的集體小礦山整合的新建礦井，生產規模40 萬t/年。本次物探工作南翼測區在215 勘探線附近，礦井南翼邊界與何家灣鍶礦邊界之間區域的無名礦井。礦井口高程438.6m，該礦井為90 年代私人辦鍶礦，開采礦體I，開采標高約+430 至+390m，開采方式地下開采，開拓方式斜井開拓方式，采礦方法為房柱采礦法，由于區內資源枯竭于約2006 年閉坑。總體走向31～38°，傾向南東，傾角較平緩12～18°，開采三疊系下統嘉陵江組二段二加三亞段（T1j2-2+3）的I 號礦體，含礦段頂板巖性為白云巖、鹽溶角礫巖、灰巖和泥巖。礦區地下水類型為松散巖類孔隙水、碳酸巖類巖溶水、砂巖裂隙水，礦井開采礦層位于嘉陵江組二段，該段巖溶裂隙、溶洞和溶蝕現象發育，為礦井主要充水含水層，地面降水經溶裂隙、溶洞進入礦井；現井筒封閉，預測所掘井巷和采空區均有可能積水。

本次瞬變電磁法共完成5 條剖面，測線總長度4500m。資料整理時通過數據解編、壞點剔除、中值平滑濾波及數據網格化等一系列步驟，形成反演斷面圖數據，進一步繪制瞬變電磁法反演斷面圖（圖3）。從圖3 中可以看出，在L1、L2、L3 測線測試范圍內，水平距離100-300m 之間，高程在347-408m 之間，每個剖面都存在封閉低阻異常，推測為采空區域，異常區域視電阻率值極低區域范圍不大，推測采空區富水量不大。在L4、L5 測線未發現明顯封閉低阻異常（圖4 和圖5），推測該區域未發現采空區。

圖4 WT4 瞬變電磁反演成果圖

綜合5 條測線，推測了采空區走向大致為北東方向，往在建礦區外圍延伸，分布高程范圍為347-408m，大約70×120m 范圍。

3 結論

本文將高分辨瞬變電磁系統應用到煤礦采空區探測調查中，對瞬變電磁法采集的數據進行一維反演處理。將得到的反演結果和已知地質資料進行比較分析，驗證了瞬變電磁法探測結果。通過本次工程探測結果表明，高分辨瞬變電磁系統在煤礦采空區調查中具有效率高、分辨率強、抗干擾能力強等優點，能夠準確而直觀地反映出地下采空區分布范圍和空間展布情況。本文的研究工作為地下煤礦采空區和病害體等調查提供了更高效的方法和技術。