瞬变电磁法在煤矿采空区探测中的应用

瞬变电磁法在煤矿采空区探测中的应用
作者：刘亮顾广宇
来源：《中国新技术新产品》2013年第20期
摘要：采空区的存在对煤矿区的生产、人民财产安全和工程建设造成极大的安全隐患，通过地球物理方法有效地探测采空区的位置、范围、深度，成为解决上述问题的关键。

由于瞬变电磁法对于采空区积水探测效果极佳，探测深度也较大，因此本文从采空区地球物理特征入手，分析瞬变电磁法探测采空区的基本原理，结合工程实例说明瞬变电磁法可有效地实现对采空区的探测，为采空区的综合治理提供可靠的地质资料。

关键词：采空区；瞬变电磁法；综合治理
中图分类号：TD853 文献标识码：A
1 概述
老煤矿开采形成的采空区是矿区安全生产的重大隐患，严重威胁矿区的安全生产和人民生命财产安全。

采空区冒落、地表塌陷易造成民房下沉裂损甚至倒塌，公路、铁路、水利等基础设施损坏和生态环境破坏。

采空探测问题在矿山安全生产、人民生命财产安全和基础设施建设方面显得尤为重要。

电法勘探是采空区探测的传统方法，探测精度高，其中瞬变电磁法（TEM）作为一种时间域电磁勘探方法在采空区探测方面行之有效，该方法具有适应性强受地形影响小，装置简单，工作成本低，效率高等优点，适用于复杂地形情况下的中浅层勘探。

2 采空区地球物理特征
煤层赋存于成层分布的煤系地层中，地下局部煤层采出后，在岩体内形成有一定规模的空间，周围的应力平衡状态遭到破坏，会产生局部的应力集中，当开采面积较小，且煤层顶板为塑性岩性并保存完整时，由于残留煤柱较多，应力转移到煤柱上，未引起地层变动，采空区以充水或不充水的空洞形式保存下来；但多数采空区顶板在上覆岩层压力作用下、发生变形，断裂移位、冒落形成垮落带、断裂带和弯曲下沉带（如图1所示）。

由于各自的地质条件不同，采空区被空气、地下水、泥沙等介质所填充，采空区内介质和围岩相比都存在明显的物性差异，这是物探方法探测的地球物理前提条件。

煤层采空后，上覆地层中裂隙广为发育，地层变得松散失水，甚至坍塌，使得电磁波的能量衰减加大，干扰加强，地层的导电性明显减弱，形成相对高阻电性特征；当地下水沿破碎岩层和裂隙向采空区汇集并溶解大量的电解质时，导电性加强，表现为低阻电性特征。

由于地下水的充填及地表水沿裂隙向采空区渗漏，其电阻率将明显发生变化，与围岩电性形成明显的差异，瞬变电磁法正是利用这一物理前提来探测地下采空区的。

3 TEM勘探原理和优点
瞬变电磁法是地球物理探测的主要手段之一，通过向地下发射电磁波激励地下目标，接收其产生的二次场，确定被测目标的物理参数。

在地表敷设不接地线框，输入阶跃电流，当回线中电流突然断开时，在下半空间就要激励起感应涡流以维持断开电流前已存在的磁场，并且此涡流场随时间以等效涡流环的形式向下传播、向外扩展，利用不接地线圈、或地面中心探头观测此二次涡流磁场或电场的变化情况，用以研究浅层至中深层的地电结构（其工作原理见图2）。

瞬变电磁法与其它物探方法相比具有许多优势和特点：
（1）该方法观测和研究的是“二次场”即纯异常场，不存在一次场的背景干扰。

（2）具有穿透高阻覆盖层的能力，优于传导类电法探测。

（3）异常响应强，形态简单，分层能力强。

（4）地形影响小，测量简单，工作效率高。

（5）具有对接地条件要求较低，体积效应小。

4 工程实例及应用效果分析
4.1仪器和参数选择
勘探区位于江苏省徐州市北部微山湖畔某矿区内。

施工中使用美国Zonge公司生产的GDP32Ⅱ多功能电法仪，方法为中心回线瞬变电磁法（TEM）测量，仪器的性能指标为工作频率0.063 -8192 Hz，输入阻抗10 mΩ/DC，动态范围190 dB，时钟稳定度﹤5×10-10/24h，最小检测信号0.03μV、相位±0.1 mard，最大输入信号电压±32V，自动补偿电压±2.25V，增益1/8-65536（自动）。

根据该区的地质结构、地形特征综合考虑确定施工参数为：发送边长：240m×240m ；发送电流：10A；发送频率：8Hz；关断时间：0.079ms；叠加次数64次，每个点采集28道数据。

根据本区地形地质情况并考虑地质任务要求，本次瞬变电磁测线布置方向选择
NW15°48′，基本垂直于区域内的断层走向，本次勘察在测区内布置24条测线，使用40m线距，40m点距布置主测网，在测区中部加密为40m线距，20m点距的辅助测网。

4.2 剖面图图分析
野外采集的数据经过畸变点剔除，软件预处理，编辑处理，滤波圆滑，计算反演视电阻率后利用绘图软件绘制图形得24条测线的视电阻率断面图。

由于各条剖面电性、异常特征基本一致，下面仅选取比较典型的了L9线剖面图进行分析。

图3为9线剖面图。

如图所示该处地层在电性特征上可分为4层，第1层从地面到高程0米，电阻率在0～5Ω·m，电阻率相对较低，电阻率等值线较集中；第2 层从高层0～-150米，电阻率在5～20Ω·m且电阻率等值线有向图3。

下弯曲趋势；第3 层从高层-150米到1煤煤层线附近，电阻率在20～40Ω·m，电阻率相对较高且电阻率等值线呈网罩状分布。

第4层在1煤煤层线附近，电阻率在8～16Ω·m，电阻率
等值线向下弯曲。

以上分层和图1的煤层采空区塌陷垂直分层相对应，说明瞬变电磁法能很好的反映测区地层的分层情况，应用在探测采空区塌陷方面效果良好。

如图3所示该线的50号点附近有一钻孔，钻孔编号Ⅲ-2，井口标高为34.19米，1煤标高-151.41米，该点的煤层距离地面185.60米。

据此钻孔资料，此处煤层较薄未做开采，由此可以确定1煤层电性参数，其视电阻率在18Ω·m左右，该处为下二迭统下石盒子组1号煤层，该线66点至70点间在1煤煤层线位置处存在一个相对低阻异常区Ⅰ区（图中用红色椭圆标出），视电阻率等值线呈团块状封闭圈且具有“上凸” 电性特征，Ⅰ区正处在该矿1309采煤工作面上，煤层采厚2.23m，由本地区以往煤层厚度和采空区垮落带高度关系得该区垮落带高度约30m，这和Ⅰ区煤层线上方异常区的高度基本一致，另外在该区上方有明显的断裂带和弯曲下沉带发育，采空区特征明显，推断此处为具有冒落塌陷含水特征的低阻异常采空区。

图上Ⅱ区为相对高阻异常（图中用蓝色椭圆标出），该异常区所在位置没有采煤工作面分布，不存在采空的可能，由于掌握的地质资料较少此处的异常很难做出定性的解释，此处地面上有条输电线经过，推断此处异常和地面输电线有一定的关系。

结论
通过对以上实例分析研究和其他采空区项目探测证明，选择合理的参数和仪器装置，瞬变电磁法在采空区的探测方面应用会取得很好的效果。

瞬变电磁法在探测煤矿采空区的应用归纳如下几点：（1）根据采空区的地球物理特征，运用瞬变电磁法，通过分析电阻率断面图结合煤层底板等高线可以准确的探测出采空区的空间分布情况。

（2）瞬变电磁法虽然具有抗干扰能力强，受地形因素，体积效应影响小、能穿透高阻覆盖层等特点，但高压线和地形情况的影响不容忽视，如果不能采取有效的措施消除或降低影响，可能会对采空区的探测产生较大影响。

（3）虽然瞬变电磁的优点明显，但是单一的物探方法往往对地质异常体很难定性，必须辅助其它物探方法，对地质异常体进行综合解释，必要时还需要一定的钻探工作进行验证。

随着研究工作的不断深人，瞬变电磁法应用在采空区探测方面将有十分广阔的前景。

参考文献
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