陳建華

(1.太原理工大學(xué)，山西　太原　030024；2.大同煤礦集團 忻州窯礦，山西　大同　037000)

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瞬變電磁法在忻州窯礦的應(yīng)用

陳建華1，2

(1.太原理工大學(xué)，山西太原030024；2.大同煤礦集團 忻州窯礦，山西大同037000)

摘要瞬變電磁法是目前較為先進(jìn)的物探方法，比較適合忻州窯礦地質(zhì)勘探工作。瞬變電磁法最關(guān)鍵的一步是確定工作設(shè)備參數(shù)，以往應(yīng)用中是通過理論計算進(jìn)行確定，但是由于地表下圍巖體變化存在較多不確定的因素，單純依靠理論計算不精確。本次測試按照由“已知”到“未知”，再由“未知”到“已知”的思路進(jìn)行，即先用儀器對已知采空積水區(qū)進(jìn)行探測，反推出儀器合理的工作參數(shù)，再用調(diào)試合理的設(shè)備對未知區(qū)域進(jìn)行探測，綜合利用電壓平面等值線圖、INLOOP反演電阻率平面等值線圖、IX1D反演電阻率平面等值線圖3種結(jié)果進(jìn)行資料解釋，反演推斷出積水部位。最后按照“物探先行，鉆探驗證”的原則，采用鉆探的方法進(jìn)行驗證，最終確定井下準(zhǔn)確的積水區(qū)域，科學(xué)指導(dǎo)掘進(jìn)和回采。

關(guān)鍵詞瞬變電磁法；物探；探放水；地測；反演

大同煤礦集團忻州窯礦為解放前舊礦井改建而成，開采歷史悠久，隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，特別是20世紀(jì)80年代中、后期，一些鄉(xiāng)鎮(zhèn)和村辦煤礦在寬松政策的扶持下迅速崛起，周邊小窯亂采亂掘現(xiàn)象時有發(fā)生，造成該礦采空區(qū)采掘現(xiàn)狀不清，積水情況不明，因而必須采用物探的方法對其進(jìn)行探測。瞬變電磁法是目前較為先進(jìn)的物探方法，比較適合忻州窯礦地質(zhì)勘探工作，它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(yīng)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。

本文首先對瞬變電磁法的基本原理進(jìn)行了論述，對實現(xiàn)該原理的設(shè)備、方法、技術(shù)進(jìn)行了介紹，后結(jié)合忻州窯礦的實際情況對測點的布置、設(shè)備工作參數(shù)的選取、以及測得數(shù)據(jù)的后期處理進(jìn)行分析，最后得出了忻州窯礦的采礦區(qū)、積水區(qū)等有關(guān)地質(zhì)信息，為忻州窯礦合理劃分采區(qū)、科學(xué)開采、高效防治水提供可靠的參考依據(jù)。

忻州窯礦11-2#煤層開采工作面上覆3#煤層被地方煤礦開采，采空區(qū)采掘現(xiàn)狀不清、積水情況不清，為了保證煤礦的開采安全，準(zhǔn)確探測生產(chǎn)工作面上覆采空區(qū)是否有積水，為礦井防治水提供科學(xué)、客觀的探放水地質(zhì)資料，采用物探方法探查勘探區(qū)域內(nèi)3#煤層采空及積水情況，為施工地面探放水鉆孔提供較為準(zhǔn)確、可靠的位置。結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)條件以及忻州窯礦周邊各個小窯的采掘歷史，瞬變電磁法是比較經(jīng)濟可行的一種物探方法。

1設(shè)備工作參數(shù)及其最佳工作方案試驗

根據(jù)電法勘探規(guī)范，以及該區(qū)勘探設(shè)計方案的要求，為了更好地完成該次地質(zhì)任務(wù)，在進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集之前，進(jìn)行了試驗。試驗的主要目的是了解勘查區(qū)的地電條件、施工條件、干擾背景以及煤層采空、采空積水區(qū)的地球物理特征等，通過有效試驗，以便選擇最佳工作方法和裝置參數(shù)；試驗遵循由已知到未知、由簡單到復(fù)雜的原則進(jìn)行；試驗線選在勘查區(qū)里的已知采空區(qū)內(nèi)具有代表性的地段進(jìn)行。

1.1試驗的目的

不同的工區(qū)、不同的目的層埋深、不同的地質(zhì)任務(wù)所選用的工作方法及施工參數(shù)不同，合理選擇儀器、工作方法、施工參數(shù)是完成勘探目的任務(wù)的關(guān)鍵，因此，在正式生產(chǎn)之前必須進(jìn)行試驗。

1) 根據(jù)該勘查區(qū)地質(zhì)及地表情況，選擇合適的測量參數(shù)。

2) 根據(jù)該勘查區(qū)已知情況，選擇合適的裝置。

3) 初步了解勘查區(qū)電性規(guī)律及干擾水平情況。

1.2試驗方案

測點線距為40 m，點距為20 m. 設(shè)計3組試驗方案，見圖1.

a) 方案1b) 方案2 c) 方案3

圖1試驗方案圖

方案1：發(fā)射線框邊長為300 m，每個線框測量28個測點，線框移動為140 m.

方案2:發(fā)射線框邊長為400 m，每個線框測量45個測點，線框移動為180 m.

方案3:發(fā)射線框邊長為500 m，每個線框測量66個測點，線框移動為220 m.

1.3試驗所確定的有效工作參數(shù)

通過試驗確定有效的工作參數(shù)如下：

回線(TX)邊長：400 m；疊加次數(shù)：500次；工頻：50 Hz；發(fā)射頻率：25 Hz；發(fā)射電流：10 A；增益：4倍；供電方式：1(雙極性占空比為1∶1方波)；發(fā)射電源：T4發(fā)射機；接收(RX)裝置：V8探頭，4個V8接收探頭一致性較高，可有效滿足勘探任務(wù)要求。

2工程布置及質(zhì)量

勘查區(qū)范圍為上下底分別為140 m、940 m的梯形，面積約0.745 km2，瞬變電磁法測線、測點的布置，以“由西向東、由南向北”的原則統(tǒng)一布署，點距20 m，線距40 m，設(shè)計測線37條，測線長度不等，由南向東北分別為1～37測線。

在瞬變電磁探測基礎(chǔ)上，通過室內(nèi)資料初步處理解釋，在異常區(qū)布置了可控源電磁法工作，進(jìn)一步驗證和確定異常區(qū)的性質(zhì)，并在測區(qū)開展了一定數(shù)量的可控源音頻大地電磁測深(CSAMT)，以研究多方法在探測多層采空方面的能力。CSAMT工作采用了CSAMT法TM模式標(biāo)量測量方法。該方法比較適合一維或者已知構(gòu)造主軸方向的二維地區(qū)勘探。野外采用赤道偶極方式(AB-MN)，即發(fā)射偶極AB與接收偶極MN方向平行。根據(jù)測區(qū)剖面的長度，AB偶極選擇為1 500 m，收發(fā)距為1.5～2.0 km. 發(fā)射方向平行于測線方向，接收電極距20 m，測點的點距20 m.

瞬變電磁法設(shè)計測線37條，測點1 095個。實際完成測線29條，測點1 095個，其中檢查點51個。可控制源電磁法1 095個，實際完成測線37條，測點1 095個，其中檢查點51個。測點布置見圖2，小圓點為測點。

圖2　瞬變電磁法測點布置示意圖

結(jié)合測區(qū)的實際地質(zhì)情況和要求解決的地質(zhì)任務(wù)，可控源音頻大地電磁測深在瞬變電磁法和可控源中間梯度法基礎(chǔ)上進(jìn)行布設(shè)，共設(shè)計布置測線2條，分別位于瞬變電磁設(shè)計28線和31線的中部。產(chǎn)生物理點38個，檢查點6個，共計42個物理點,其中小方塊代表CSAMT測點，見圖3.

圖3　CSAMT測量點布置(小方塊為測點)

3測試結(jié)果分析

在數(shù)據(jù)預(yù)處理后，通過反演計算得到各測點的地層電阻率值以及深度值，利用這些數(shù)據(jù)，采用GoldenSurfer軟件以及物探數(shù)據(jù)三維可視化系統(tǒng)對成果數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，繪制電阻率斷面圖、電阻率平面等值線圖以及等值線三維切片圖、瞬變電磁探測成果圖等圖件。

瞬變電磁資料解釋主要以V/I多測道剖面圖、V/I時間切片圖、inloop反演電阻率斷面圖、inloop反演電阻率深度切片圖、IX1D反演結(jié)果等為依據(jù)，結(jié)合已知的地質(zhì)資料進(jìn)行解釋。

瞬變電磁勘探采集的信號都是電壓信號，采用線框面積或電流等歸一化，采集到的原始信號中包含了地層、干擾等綜合信息，其可以間接地反映地層電性條件變化情況。對于V/I歸一化值最傳統(tǒng)的利用方式就是繪制多測道剖面圖，通過多測道剖面圖上不同測點的采樣窗口中V/I值的變化情況推斷地層變化。當(dāng)測區(qū)為面積勘探時，就可以充分利用多條測線采集的V/I值，形成一個V/I數(shù)據(jù)體。利用V/I數(shù)據(jù)體，并根據(jù)地質(zhì)資料、采樣時間與深度的關(guān)系，提取與目標(biāo)深度對應(yīng)的采樣時間的V/I數(shù)據(jù)，繪制V/I值平面等值線圖。V/I值平面等值線圖比多測道剖面圖更直觀地反映了地層信息。

410盤區(qū)V/I值等值線隨時間切片圖及高電壓異常切片圖見圖4，切片時間分別是t=0.616 6 ms、0.704 6 ms、0.805 1 ms、0.920 1 ms、1.061 ms，大致反映勘探區(qū)的3#煤層埋深的地層信息。

從圖4切片圖上可以看出，在勘探區(qū)的東南部、北部、西部出現(xiàn)了高電壓值區(qū)域，這些區(qū)域都為低電阻率地層的反映。采區(qū)的3#煤層采空積水區(qū)集中在勘探區(qū)的西北部。

瞬變電磁勘探采集的電壓信號計算成電阻率后并進(jìn)行時深轉(zhuǎn)換才能正確反映地層的電性信息，本次瞬變電磁探測采用了INLOOP軟件和1X1D軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在反演計算前采用了有效的濾波手段對干擾進(jìn)行了濾除，數(shù)據(jù)處理后根據(jù)處理結(jié)果繪制了電阻率等值線斷面圖、電阻率隨深度的切片圖。通過從測區(qū)電阻率三維數(shù)據(jù)體中提取不同深度的電阻變化平面圖，可以直觀地反映地層的電性變化情況。采用INLOOP軟件反演，從圖4可以看出低阻異常帶主要集中在西北部。采用IX1D軟件反演，從圖4可以看出低阻異常也主要集中在西北部。

圖4　瞬變電磁探測成果圖(V/I值等值線隨時間切片)

為了提高物探解釋的精度，綜合利用電壓平面等值線圖、INLOOP反演電阻率平面等值線圖、IX1D反演電阻率平面等值線圖3種結(jié)果進(jìn)行資料解釋，結(jié)合已有的幾個鉆孔資料和地層信息，圈定了忻州窯測區(qū)采空積水區(qū)，圖4為利用電壓平面等值線反演出的采空區(qū)積水圖，圖5為利用INLOOP反演出的采空積水圖，圖6為利用IX1D反演出3#煤層的采空區(qū)積水圖，圖中深色部分代表該地區(qū)有積水。

4鉆探驗證

根據(jù)物探測試結(jié)果，2011年10月經(jīng)外委資質(zhì)單位在3#煤層采空積水區(qū)的地面對應(yīng)西北部和南側(cè)局部圈定積水異常區(qū)域，施工了3個地面探放水鉆孔，通孔后均見孔無水，同年11月成功在該地區(qū)開始掘進(jìn)巷道，為了確保掘進(jìn)安全同時設(shè)計了邊探邊掘，由專業(yè)隊組負(fù)責(zé)施工，進(jìn)行先鉆進(jìn)后掘進(jìn)的方法，并始終保留30 m的防隔水煤柱。

2012年3月在掘進(jìn)至700 m處即南側(cè)物探圈定積水異常區(qū)域，成功探測到3#層非法延伸至11#層小窯巷道(見表1)，累計排放積水1 600 m3左右，確保了掘進(jìn)隊組安全通過非法小窯巷道，保證了礦井安全生產(chǎn)。

5結(jié)論

·試驗研究·

作，(E-mail)825587168@qq.com

1) 忻州窯勘探區(qū)3#煤層采空積水區(qū)主要分布在西北部和南側(cè)局部范圍；成果圖中圈定的異常，3種方法都圈定的可靠性高，兩種方法圈定的可靠性中等，只有一種方法圈定可靠性稍差。

2) 建議鉆孔布置在電阻率較低，且異常范圍大、多種方法都驗證的區(qū)域，這種區(qū)域的異?？煽啃愿?。

3) 由于物探方法只是間接勘察手段，其結(jié)果存在多解性。電法勘探屬體積勘探，具有體積效應(yīng)。對于3#煤層的采空積水問題，主要是依據(jù)調(diào)查資料和電法資料推斷得出，可能與實際情況存在一定差異。另外，圈定的采空積水區(qū)面積可能與實際有一定出入，難免存在一定的誤差。

Application of Transient Electromagnetic Method in Xinzhouyao Coal Mine

CHEN Jianhua

AbstractThe most crucial step of transient electromagnetic method is to determine the device parameters. It determined by theoretical calculations in previous applications, but due to many uncertain factors exists in rock change under earth's surface, just relying on theoretical calculation is imprecise. According of the thought that from the known to the unknown, then from the unknown to the known, firstly this test uses the instrument to detect a known water-accumulated area in goaf, and deduces the reasonable working parameters of instrument, then probes the unknown region using the reasonable equipment which has been debugged. Comprehensively utilizes the results of voltage plane contour map, INLOOP inversion plane resistivity contour map and IX1D inversion plane resistivity contour map to interpret the data, and inverse infers the position of water. Finally, according to the principle of geophysical prospecting advanced, drilling verification, verifies by using drilling method, and ultimately determines the exact underground water areas, scientifically guides excavation and mining.

Key wordsTransient electromagnetic method; Geophysical prospecting; Water exploration; Geologic measurement；Inversion

中圖分類號：TD163

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-0652(2015)05-0006-04

作者簡介：陳建華(1980—)，男，山西大同人，2008年畢業(yè)于黑龍江科技大學(xué)，太原理工大學(xué)在讀碩士研究生，工程師，主要從事井下防治水工

收稿日期：2015-04-04