劉 亮 顧廣宇

（江蘇煤炭地質(zhì)局普查隊，江蘇 徐州 221006）

1 概述

老煤礦開采形成的采空區(qū)是礦區(qū)安全生產(chǎn)的重大隱患，嚴重威脅礦區(qū)的安全生產(chǎn)和人民生命財產(chǎn)安全。采空區(qū)冒落、地表塌陷易造成民房下沉裂損甚至倒塌，公路、鐵路、水利等基礎(chǔ)設(shè)施損壞和生態(tài)環(huán)境破壞。采空探測問題在礦山安全生產(chǎn)、人民生命財產(chǎn)安全和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面顯得尤為重要。電法勘探是采空區(qū)探測的傳統(tǒng)方法，探測精度高，其中瞬變電磁法（TEM）作為一種時間域電磁勘探方法在采空區(qū)探測方面行之有效，該方法具有適應(yīng)性強受地形影響小，裝置簡單，工作成本低，效率高等優(yōu)點，適用于復(fù)雜地形情況下的中淺層勘探。

2 采空區(qū)地球物理特征

煤層賦存于成層分布的煤系地層中，地下局部煤層采出后，在巖體內(nèi)形成有一定規(guī)模的空間，周圍的應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞，會產(chǎn)生局部的應(yīng)力集中，當開采面積較小 ， 且煤層頂板為塑性巖性并保存完整時 ， 由于殘留煤柱較多 ，應(yīng)力轉(zhuǎn)移到煤柱上 ， 未引起地層變動 ，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)頂板在上覆巖層壓力作用下、發(fā)生變形，斷裂移位、冒落形成垮落帶 、斷裂帶和彎曲下沉帶（如圖1所示）。 由于各自的地質(zhì)條件不同，采空區(qū)被空氣、地下水、泥沙等介質(zhì)所填充，采空區(qū)內(nèi)介質(zhì)和圍巖相比都存在明顯的物性差異，這是物探方法探測的地球物理前提條件。

煤層采空后，上覆地層中裂隙廣為發(fā)育，地層變得松散失水，甚至坍塌，使得電磁波的能量衰減加大，干擾加強，地層的導(dǎo)電性明顯減弱，形成相對高阻電性特征；當?shù)叵滤仄扑閹r層和裂隙向采空區(qū)匯集并溶解大量的電解質(zhì)時，導(dǎo)電性加強，表現(xiàn)為低阻電性特征。由于地下水的充填及地表水沿裂隙向采空區(qū)滲漏，其電阻率將明顯發(fā)生變化，與圍巖電性形成明顯的差異，瞬變電磁法正是利用這一物理前提來探測地下采空區(qū)的。

3 TEM勘探原理和優(yōu)點

瞬變電磁法是地球物理探測的主要手段之一，通過向地下發(fā)射電磁波激勵地下目標，接收其產(chǎn)生的二次場，確定被測目標的物理參數(shù)。在地表敷設(shè)不接地線框，輸入階躍電流，當回線中電流突然斷開時，在下半空間就要激勵起感應(yīng)渦流以維持斷開電流前已存在的磁場，并且此渦流場隨時間以等效渦流環(huán)的形式向下傳播、向外擴展，利用不接地線圈、或地面中心探頭觀測此二次渦流磁場或電場的變化情況，用以研究淺層至中深層的地電結(jié)構(gòu)（其工作原理見圖2）。

瞬變電磁法與其它物探方法相比具有許多優(yōu)勢和特點：

（1）該方法觀測和研究的是“二次場”即純異常場，不存在一次場的背景干擾。（2）具有穿透高阻覆蓋層的能力，優(yōu)于傳導(dǎo)類電法探測。（3）異常響應(yīng)強，形態(tài)簡單，分層能力強。（4）地形影響小，測量簡單，工作效率高。（5）具有對接地條件要求較低，體積效應(yīng)小。

4 工程實例及應(yīng)用效果分析

4.1 儀器和參數(shù)選擇

勘探區(qū)位于江蘇省徐州市北部微山湖畔某礦區(qū)內(nèi)。施工中使用美國Zonge公司生產(chǎn)的GDP32Ⅱ多功能電法儀，方法為中心回線瞬變電磁法（TEM）測量，儀器的性能指標為工作頻率0.063 -8192 Hz，輸入阻抗10 mΩ/DC，動態(tài)范圍190 dB，時鐘穩(wěn)定度﹤5×10-10/24h，最小檢測信號0.03μV、相位±0.1 mard，最大輸入信號電壓±32V，自動補償電壓±2.25V，增益1/8-65536（自動）。

根據(jù)該區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地形特征綜合考慮確定施工參數(shù)為：發(fā)送邊長：240m×240m ；發(fā)送電流：10A；發(fā)送頻率：8Hz；關(guān)斷時間：0.079ms；疊加次數(shù)64次，每個點采集28道數(shù)據(jù)。根據(jù)本區(qū)地形地質(zhì)情況并考慮地質(zhì)任務(wù)要求，本次瞬變電磁測線布置方向選擇NW15°48′，基本垂直于區(qū)域內(nèi)的斷層走向，本次勘察在測區(qū)內(nèi)布置24條測線，使用40m線距，40m點距布置主測網(wǎng)，在測區(qū)中部加密為40m線距，20m點距的輔助測網(wǎng)。

圖1 煤層采空區(qū)塌陷垂直“三帶”示意圖

圖2 瞬變電磁原理示意圖

圖3 L9線視電阻率斷面圖

4.2 剖面圖圖分析

野外采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過畸變點剔除，軟件預(yù)處理，編輯處理，濾波圓滑，計算反演視電阻率后利用繪圖軟件繪制圖形得24條測線的視電阻率斷面圖。由于各條剖面電性、異常特征基本一致，下面僅選取比較典型的了L9線剖面圖進行分析。

圖3為9線剖面圖。如圖所示該處地層在電性特征上可分為4層，第1層從地面到高程0米，電阻率在0～5Ω·m，電阻率相對較低，電阻率等值線較集中；第2 層從高層0～-150米，電阻率在5～20Ω·m且電阻率等值線有向圖3。

下彎曲趨勢；第3 層從高層-150米到1煤煤層線附近，電阻率在20～40Ω·m，電阻率相對較高且電阻率等值線呈網(wǎng)罩狀分布。第4層在1煤煤層線附近，電阻率在8～16Ω·m，電阻率等值線向下彎曲。以上分層和圖1的煤層采空區(qū)塌陷垂直分層相對應(yīng)，說明瞬變電磁法能很好的反映測區(qū)地層的分層情況，應(yīng)用在探測采空區(qū)塌陷方面效果良好。

如圖3所示該線的50號點附近有一鉆孔，鉆孔編號Ⅲ-2，井口標高為34.19米，1煤標高-151.41米，該點的煤層距離地面185.60米。據(jù)此鉆孔資料，此處煤層較薄未做開采，由此可以確定1煤層電性參數(shù)，其視電阻率在18Ω·m左右，該處為下二迭統(tǒng)下石盒子組1號煤層，該線66點至70點間在1煤煤層線位置處存在一個相對低阻異常區(qū)Ⅰ區(qū)（圖中用紅色橢圓標出），視電阻率等值線呈團塊狀封閉圈且具有“上凸” 電性特征，Ⅰ區(qū)正處在該礦1309采煤工作面上，煤層采厚2.23m，由本地區(qū)以往煤層厚度和采空區(qū)垮落帶高度關(guān)系得該區(qū)垮落帶高度約30m，這和Ⅰ區(qū)煤層線上方異常區(qū)的高度基本一致，另外在該區(qū)上方有明顯的斷裂帶和彎曲下沉帶發(fā)育，采空區(qū)特征明顯，推斷此處為具有冒落塌陷含水特征的低阻異常采空區(qū)。圖上Ⅱ區(qū)為相對高阻異常（圖中用藍色橢圓標出），該異常區(qū)所在位置沒有采煤工作面分布，不存在采空的可能，由于掌握的地質(zhì)資料較少此處的異常很難做出定性的解釋，此處地面上有條輸電線經(jīng)過，推斷此處異常和地面輸電線有一定的關(guān)系。

結(jié)論

通過對以上實例分析研究和其他采空區(qū)項目探測證明，選擇合理的參數(shù)和儀器裝置，瞬變電磁法在采空區(qū)的探測方面應(yīng)用會取得很好的效果。瞬變電磁法在探測煤礦采空區(qū)的應(yīng)用歸納如下幾點：（1）根據(jù)采空區(qū)的地球物理特征，運用瞬變電磁法，通過分析電阻率斷面圖結(jié)合煤層底板等高線可以準確的探測出采空區(qū)的空間分布情況。（2）瞬變電磁法雖然具有抗干擾能力強，受地形因素，體積效應(yīng)影響小、能穿透高阻覆蓋層等特點，但高壓線和地形情況的影響不容忽視，如果不能采取有效的措施消除或降低影響，可能會對采空區(qū)的探測產(chǎn)生較大影響。（3）雖然瞬變電磁的優(yōu)點明顯，但是單一的物探方法往往對地質(zhì)異常體很難定性，必須輔助其它物探方法，對地質(zhì)異常體進行綜合解釋，必要時還需要一定的鉆探工作進行驗證。隨著研究工作的不斷深人，瞬變電磁法應(yīng)用在采空區(qū)探測方面將有十分廣闊的前景。

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