呂金牛，王福生（1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024；2.山西榆次北山煤業(yè)有限公司，山西晉中 030600）

瞬變電磁法在雙層煤礦采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用

呂金牛1，2，王福生1，2
（1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024；2.山西榆次北山煤業(yè)有限公司，山西晉中 030600）

針對(duì)雙層煤礦采空區(qū)所特有的地質(zhì)特征，應(yīng)用納米瞬變電磁法探測(cè)淺埋深煤層采空區(qū)，大定源瞬變電磁法探測(cè)較深埋深煤層采空區(qū)，從而達(dá)到同時(shí)探測(cè)雙層煤礦采空區(qū)的目的。以實(shí)際工程為例，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)線確定工作區(qū)煤礦采空區(qū)視電阻率值后，結(jié)合實(shí)測(cè)資料與地質(zhì)情況準(zhǔn)確圈定了工作區(qū)不同埋深的7號(hào)、8號(hào)煤層采空區(qū)的位置與范圍，充分說(shuō)明了瞬變電磁法（TEM）在不同埋深煤層煤礦采空區(qū)的探測(cè)方面具有很強(qiáng)的優(yōu)越性。

瞬變電磁法；探測(cè)；雙層煤礦采空區(qū);視電阻率

近年來(lái)因礦產(chǎn)開(kāi)采而引發(fā)的各種地質(zhì)災(zāi)害屢見(jiàn)報(bào)端，其危害程度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們的預(yù)想，尤其是煤礦采空區(qū)，長(zhǎng)期的煤礦開(kāi)采使開(kāi)采地區(qū)地表出現(xiàn)裂縫或塌陷，致大量農(nóng)田無(wú)法耕種；靠近山區(qū)的煤礦開(kāi)采極易引發(fā)山體滑坡，毀壞國(guó)家公路鐵路，給國(guó)家和人民的生產(chǎn)生活帶來(lái)極大的不變和巨大的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。尤其是有多層煤礦采空區(qū)的情況下，造成的破壞更大，探測(cè)也更為不易。在目前探測(cè)煤礦地下采空區(qū)的多種技術(shù)手段中，瞬變電磁法的應(yīng)用已較為成熟。相比高密度直流電法[1]、同位素氡氣測(cè)量[2]、地震勘探[3]等在探測(cè)煤礦采空區(qū)中應(yīng)用較多的物探方法，依據(jù)地下煤礦采空區(qū)在不同情況下的電性特征，瞬變電磁法不僅可以有效圈定采空區(qū)的位置，還可以確定其埋藏深度以及對(duì)其是否充水做出準(zhǔn)確判斷，因此在煤礦地下采空區(qū)的探測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用[4]。

瞬變電磁法屬于時(shí)間域電磁感應(yīng)法，它是利用不接地回線向地下發(fā)送一次脈沖磁場(chǎng)，在一次磁場(chǎng)間歇期間利用同一回線或另一回線接收感應(yīng)二次磁場(chǎng)，該二次磁場(chǎng)是由地下良導(dǎo)地質(zhì)體受一次場(chǎng)激勵(lì)引起的渦流所產(chǎn)生的非穩(wěn)磁場(chǎng)。在埋深不同的多層煤礦采空區(qū)中，可以通過(guò)調(diào)整發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng)的關(guān)斷時(shí)間，分別利用大定源瞬變電磁法和納米瞬變電磁法來(lái)達(dá)到探測(cè)深埋深煤層和淺埋深煤層的煤礦采空區(qū)的目的。

1　瞬變電磁法基本原理

瞬變電磁法又可稱為時(shí)間域電磁測(cè)深法，簡(jiǎn)稱TEM，屬于電磁感應(yīng)類探測(cè)方法。其核心思想就是：在均勻半空間條件下，地下介質(zhì)體在變化的電磁場(chǎng)激勵(lì)下而產(chǎn)生變化的渦流場(chǎng)，渦流效應(yīng)在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)消失，而是在其周圍繼續(xù)產(chǎn)生隨時(shí)間不斷衰減的二次電磁場(chǎng)。具體工作就是利用一個(gè)不接地的回線作為發(fā)射線圈，向地下發(fā)送階躍式變化的電磁波作為激發(fā)場(chǎng)（通常稱為“一次場(chǎng)”），然后在地表接收區(qū)域利用接收探頭觀測(cè)其產(chǎn)生的電磁場(chǎng)（通常稱為“二次場(chǎng)”）在時(shí)間和空間上的分布并儲(chǔ)存，做出TEM法工作原理示意圖，見(jiàn)圖1。

圖1　TEM法工作原理示意圖

納米瞬變電磁法（NanoTEM）的探測(cè)原理同瞬變電磁法相同，只是通關(guān)減小發(fā)射一次脈沖電磁場(chǎng)的關(guān)斷時(shí)間從而縮小采樣間隔，提高采樣效率，達(dá)到探測(cè)埋藏深度較淺、體積較小的地下異常體的目的。相對(duì)于對(duì)一次場(chǎng)，二次場(chǎng)脈沖信號(hào)可表示為：

式中：μ0為磁導(dǎo)率，μ；M為發(fā)送線圈磁矩，m；q為接收線圈等效面積，m2；ρ為地層電阻率，Ω·m；t為斷電后的采樣時(shí)間,μs。

從式（1）可以看出，二次場(chǎng)脈沖信號(hào)的大小與地層電阻率ρ的3/4次方以及采樣時(shí)間t的5/4次方成反比。由此可以看出，由一次場(chǎng)激勵(lì)所產(chǎn)生的渦流電磁場(chǎng)與地下地質(zhì)異常體的物理性質(zhì)和空間賦存狀態(tài)相關(guān)，且在瞬變電磁法中，可以利用二次場(chǎng)信號(hào)到達(dá)地表的時(shí)間早、晚來(lái)分別反映地下淺部和深部的地質(zhì)信息[5]，因此有效區(qū)分早期信號(hào)中來(lái)自地下異常體的電磁感應(yīng)信號(hào)或者縮短早期信號(hào)返回地表的時(shí)間，就可以大大提高傳統(tǒng)瞬變電磁法對(duì)于淺埋深地質(zhì)異常體的探測(cè)能力。

研究表明，在近地表電阻率值為100 Ω·m，使用200 m×200 m發(fā)射線圈時(shí)瞬變電磁法的最大探測(cè)深度可達(dá)331.8 m,但在此條件下其最小探測(cè)深度為33.16 m，也就是說(shuō)瞬變電磁法無(wú)法取得從地表到地下33.16 m處的有效地質(zhì)信息。在近地表電阻率值為100 Ω·m的條件下，即使使用50 m×50 m的發(fā)射線圈其最小探測(cè)深度也只有31.6 m[6]，因此在同時(shí)探測(cè)埋深不同的多層煤礦采空區(qū)時(shí)，淺埋深煤層的煤礦采空區(qū)對(duì)常規(guī)瞬變電磁法的影響微乎其微，但常規(guī)瞬變電磁法對(duì)淺埋深煤層煤礦采空區(qū)也束手無(wú)策。

直到美國(guó)Zonge公司開(kāi)發(fā)出GDP-32Ⅱ,并在其中設(shè)置了專門(mén)的采樣模式后，具有快速取樣和快速關(guān)斷特點(diǎn)的納米瞬變電磁法（Nano TEM）才逐漸進(jìn)入人們的視野。由于它的采樣間隔（關(guān)斷時(shí)間）為1.2 μs或1.6 μs，最小可達(dá)1 μs，假如地層淺部平均電阻率為50 Ω·m～60 Ω·m，關(guān)斷時(shí)間以1.2 μs計(jì)算，那么納米瞬變電磁法的最小采集深度可以達(dá)到7 m左右，大大減小了常規(guī)瞬變電磁法的勘探盲區(qū)范圍[7]，為納米瞬變電磁法的推廣應(yīng)用創(chuàng)造了良好條件。

為了有效說(shuō)明納米瞬變電磁法快速關(guān)斷的采樣特點(diǎn)，美國(guó)ZONGE公司分別作了各個(gè)回線尺寸下的NanoTEM關(guān)斷時(shí)間實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1　納米瞬變電磁法近似關(guān)斷時(shí)間表

憑借其快速關(guān)斷發(fā)射延時(shí)以提高取樣率的特點(diǎn),NanoTEM有效的實(shí)現(xiàn)了淺埋深地質(zhì)異常體的的詳細(xì)勘探[8]。

2　煤礦地下采空區(qū)的電性特征

一般情況下，煤系地層視電阻率值以采空區(qū)(空洞)為最高，其次是石灰?guī)r、煤層、泥巖及充水巖溶裂隙巖層。電阻率值大小依次為：采空區(qū)(空洞)＞灰?guī)r＞煤層＞砂巖＞泥巖＞含水裂隙巖層[9]。以上所述僅是巖層在常規(guī)條件下的視電阻率值,當(dāng)巖層存在各種松散的裂隙、孔隙或者含水時(shí)，將會(huì)改變?cè)瓉?lái)的物理性質(zhì)特征，其電阻率值將會(huì)急劇下降。這種變化程度與松散裂隙的發(fā)育程度、孔隙中的含水多少成正相關(guān)關(guān)系[10]。煤層被開(kāi)采以后,在原煤層頂?shù)装鍘r層間形成一定的空間，破壞了地層的完整性和連續(xù)性，在沒(méi)有充水的情況下，該處的視電阻率值明顯高于周邊原始地層，呈現(xiàn)明顯的局部高阻特性。當(dāng)采空區(qū)中有積水充填時(shí),由于水體的良導(dǎo)特性，會(huì)使其電阻率急劇下降，明顯低于圍巖,呈低阻反映[11]。煤礦采空區(qū)所特有的這些物理性質(zhì)為瞬變電磁法探測(cè)煤礦采空區(qū)提供了良好的地球物理勘探基礎(chǔ)。

3　工程應(yīng)用實(shí)例

3.1項(xiàng)目介紹

本次工程主要是利用大定源瞬變電磁法和納米瞬變電磁法法查明太原某煤礦地下7、8號(hào)煤層雙層采空區(qū)的分布情況。7號(hào)煤層采空區(qū)埋深約14 m，其底板等高線在1 117 m左右；8號(hào)煤層采空區(qū)埋深越40 m，底板等高線在1 094 m左右。

從地層揭露情況來(lái)看，場(chǎng)地地基土主要由雜填土、局部碎石土及基巖組成，松散層為第四系堆積物，基巖為石炭系上統(tǒng)太原組地層。根據(jù)《地質(zhì)礦產(chǎn)勘查測(cè)量規(guī)范》(GB/T 18341-2001)以及《地面瞬變電磁法技術(shù)規(guī)程》(DZ/T 0187-1997)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況，本次探測(cè)項(xiàng)目采用5 m×5 m測(cè)網(wǎng)密度，測(cè)線近南北向布置共設(shè)計(jì)NanoTEM測(cè)線數(shù)15條，TEM測(cè)線數(shù)17條，NanoTEM測(cè)點(diǎn)數(shù)191個(gè)，TEM測(cè)點(diǎn)數(shù)225個(gè)。

3.2試驗(yàn)測(cè)線結(jié)果分析

3.2.1納米瞬變電磁法試驗(yàn)測(cè)線結(jié)果分析

在對(duì)試驗(yàn)測(cè)線分別選用2A、3A的發(fā)射電流、淺層觀測(cè)時(shí)窗和標(biāo)準(zhǔn)觀測(cè)時(shí)窗、20 m×20 m和30 m× 30 m的發(fā)射線框做過(guò)對(duì)比試驗(yàn)后，以保證勘探深度為前提，保證在觀測(cè)時(shí)窗內(nèi)記錄較多的淺層地質(zhì)信息為原則，且為了保證能夠采集到較優(yōu)良的數(shù)據(jù)，本次納米瞬變電磁法勘探的野外施工參數(shù)確定選用3A的發(fā)射電流、標(biāo)準(zhǔn)觀測(cè)時(shí)窗和20 m×20 m的發(fā)射線框進(jìn)行野外施工。

S1線、S2線近南北向布置。從視電阻率擬斷面圖（圖2、圖3）上不難看出，在水平標(biāo)高1 117 m處，S1線25 m~80 m段視電阻率值整體上不大于120 Ω·m，此處鉆孔見(jiàn)7號(hào)煤層；S2線視電阻率值整體不低于120 Ω·m，此處鉆孔揭露為7號(hào)煤層采空區(qū)。對(duì)比已知資料分析得出7號(hào)煤層采空區(qū)的視電阻率不低于120 Ω·m。

圖2　S1線視電阻率擬斷面圖

圖3　S2線視電阻率擬斷面圖

3.2.2大定源瞬變電磁法試驗(yàn)測(cè)線結(jié)果分析

在對(duì)試驗(yàn)測(cè)線分別選用7A、8A的發(fā)射電流、16 Hz和32 Hz的發(fā)射頻率、200 m×200 m和200 m× 300 m的發(fā)射線框做過(guò)對(duì)比試驗(yàn)后，以保證勘探深度為前提，保證在一定的發(fā)射頻率下可以記錄較多的深層地質(zhì)信息為原則，且為了保證能夠采集到較優(yōu)良的數(shù)據(jù)，本次大定源瞬變電磁法勘探的野外施工參數(shù)確定選用8 A的發(fā)射電流、32 Hz的發(fā)射頻率和200 m×200 m的發(fā)射線框進(jìn)行野外施工。

S3線、S4線近南北向布置。從視電阻率擬斷面圖上不難看出（圖4、圖5），在水平標(biāo)高1 094 m處，S3線在30 m~35 m之間視電阻率不大于70 Ω·m，此處鉆孔見(jiàn)8號(hào)煤層；S4線視電阻率值整體不低于70 Ω·m，此處鉆孔揭露為8號(hào)煤層采空區(qū)。對(duì)比已知資料分析得出8號(hào)煤層采空區(qū)的視電阻率不低于70 Ω·m。

3.3觀測(cè)系統(tǒng)及主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)操作規(guī)范和試驗(yàn)區(qū)特有的水文地質(zhì)條件確定可選參數(shù)后，在野外實(shí)地操作驗(yàn)證，按設(shè)計(jì)分別采集不同參數(shù)下的觀測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)后期處理，在既能保證有效勘探深度又能保證有用信號(hào)質(zhì)量的基本原則下，經(jīng)過(guò)科學(xué)對(duì)比，反復(fù)論證后確定出現(xiàn)場(chǎng)操作的最佳施工參數(shù)，并制定出特殊條件下（如強(qiáng)干擾區(qū)）的備選施工參數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)線的分析結(jié)果，本次利用瞬變電磁法勘探的主要技術(shù)參數(shù)和備選施工參數(shù)可大致確定如下：測(cè)線間距為5 m；測(cè)點(diǎn)間距為5 m~20 m不等；接收時(shí)間按采樣間隔全部提取、任意組合；疊加次數(shù)>256次；觀測(cè)時(shí)間為T(mén)EM 20 ms，NanoTEM 8 ms；最大頻點(diǎn)間距由野外試驗(yàn)最終確定；前置增益為26（可變范圍20~26）。

圖4　S3線視電阻率擬斷面圖

圖5　S4線視電阻率擬斷面圖

3.4視電阻率擬斷面圖分析

3.4.1納米瞬變電磁法視電阻率擬斷面圖分析

K線近似南北向布置，共9個(gè)測(cè)點(diǎn)，總長(zhǎng)度80 m。視電阻率擬斷面圖上（圖6），沿1 117 m水平標(biāo)高，0~10 m，50 m~80 m視電阻率值不大于120 Ω·m，結(jié)合試驗(yàn)線結(jié)論，推斷為正常區(qū)域；10 m~50 m視電阻率值不低于120 Ω·m，推斷為7號(hào)煤層采空區(qū)反應(yīng)。

圖6　K線視電阻率擬斷面圖

3.4.2大定源瞬變電磁法視電阻率擬斷面圖分析

M線近似南北向布置，共9個(gè)測(cè)點(diǎn)，總長(zhǎng)度80 m。視電阻率擬斷面圖上（圖7），沿1 094 m水平標(biāo)高，25 m~40 m，60 m~80 m視電阻率值低于70 Ω·m，結(jié)合試驗(yàn)線結(jié)論，推斷為正常區(qū)域；0~25 m，40 m~60 m視電阻率值大于70 Ω·m，推斷為8號(hào)煤層采空區(qū)反應(yīng)。

圖7　M線視電阻率擬斷面圖

3.5視電阻率平面圖探測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)線結(jié)論，瞬變電磁法及納米瞬變電磁法根據(jù)實(shí)驗(yàn)線的采集數(shù)據(jù)確定7、8號(hào)采空區(qū)均為相對(duì)高阻異常，納米瞬變電磁法圈定7號(hào)采空區(qū)異常的視電阻率值不低120 Ω·m。大定源瞬變電磁法確定圈定8號(hào)采空區(qū)視電阻率值不低于70 Ω·m。

在7、8號(hào)煤層視電阻率異常平面圖上，未經(jīng)過(guò)人工擾動(dòng)的情況下，原始地層在視電阻率（ρs）擬斷面圖上的電性變化呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，具體表現(xiàn)為視電阻率值變化平穩(wěn)，等值線呈似層狀平緩分布。相反，當(dāng)?shù)叵麓嬖诓煽眨ǚe水）區(qū)時(shí)，則視電阻率值明顯增大（減?。戎稻€發(fā)生較大扭曲、變形或呈密集條帶狀分布，在彩色視電阻率（ρs）擬斷面圖上表現(xiàn)的更加直觀。

3.5.1瞬變電磁法視電阻率平面圖探測(cè)結(jié)果

圖8　TEM 8號(hào)煤層視電阻率異常平面圖

8號(hào)煤層視電阻率異常平面圖，見(jiàn)圖8，該平面圖為測(cè)區(qū)內(nèi)8號(hào)煤層的視電阻率異常平面圖，從圖上不難看出，在R測(cè)線到M測(cè)線區(qū)段，視電阻率等值線呈圈閉狀分布，與測(cè)區(qū)上部呈似層狀平緩分布的等值線形成鮮明對(duì)比，且整體上不低于70 Ω·m，以試驗(yàn)測(cè)線結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合地質(zhì)及鉆孔資料以不低于70 Ω·m圈定了8號(hào)煤層采空區(qū)范圍，圖中以黑虛線畫(huà)出。

圖9　NanoTEM 7號(hào)煤層視電阻率異常平面圖

3.5.2納米瞬變電磁法視電阻率平面圖探測(cè)結(jié)果

7號(hào)煤層視電阻率異常平面圖，見(jiàn)圖9，該平面圖為測(cè)區(qū)內(nèi)7號(hào)煤層的視電阻率異常平面圖，從圖上不難看出，在整個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)，視電阻率等值線在整體上都呈圈閉狀分布，以試驗(yàn)測(cè)線結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合地質(zhì)及鉆孔資料以不低于120 Ω·m圈定了7號(hào)煤層采空區(qū)范圍，圖中以橘黃色線畫(huà)出。

4　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)地下7號(hào)淺埋深煤層以及8號(hào)較深埋深煤層采空區(qū)的的實(shí)地探測(cè)，準(zhǔn)確圈定了采空區(qū)的位置和具體范圍，充分證明了瞬變電磁法（TEM）在不同埋深煤層雙層煤礦采空區(qū)的探測(cè)方面具有很強(qiáng)的優(yōu)越性。

[1]劉海生.高密度電法在探測(cè)煤礦地下采空區(qū)中的應(yīng)用研究[D].太原:太原理工大學(xué),2006.

[2]楊華，劉鴻福.測(cè)氡在煤礦采空區(qū)的應(yīng)用[J].山西煤炭，2003(2):38-40.

[3]宗志剛.地震勘探方法在探測(cè)煤礦采空區(qū)中的應(yīng)用研究[D].北京:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），2006.

[4]王善勛，楊文鋒，張衛(wèi)敏，等.瞬變電磁法在煤礦采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用研究[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2012(4):400-405.

[5]戚庭野，劉鴻福.瞬變電磁法在溶洞探測(cè)中的應(yīng)用研究[J].西部探礦工程，2012(5):124-126.

[6]薛國(guó)強(qiáng).論瞬變電磁法的探測(cè)深度[J].石油地球物理勘探，2004，10（5）：575-577.

[7]李建新，涂勇剛.瞬變電磁消除勘探盲區(qū)的技術(shù)方法及應(yīng)用效果[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2014(3):361-365.

[8]石桂，劉星，劉文祥.Nano TEM在尋找煤隆采空區(qū)中的應(yīng)用[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2007，15（6）：273-274.

[9]成劍文，劉鴻福，劉艷華.等.瞬變電磁法在劃定煤礦采空區(qū)中的應(yīng)用[J].科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2007，25（9）:140-142.

[10]楊建軍，申燕，劉鴻福.測(cè)氡法和瞬變電磁法在探測(cè)煤礦采空區(qū)的應(yīng)用[J].物探與化探，2008(6):661-664.

[11]王志祥.煤礦地下采空區(qū)的電性特征研究[J].科技信息，2011(21):498.

（編輯：樊敏）

Application of Transient Electromagnetic Method in Exploration of Mined-out Area of Double-decked Coal Mine

LV Jinniu1，2，WANG Fusheng1，2
(1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China; 2.Beishan Coal Co.,Ltd.,Yuci 030600,China)

Based on the geological features of the mined-out area of double-decked coal mine,nano transient electromagnetic method(TEM)was used to explore the mined-out area of shallow buried coal seam and large fixed loop TEM was used to explore that of deep buried coal seam in order to explore the double-deck at the same time.A real engineering project as an example,apparent resistivity of the mined-out area was determined by testing line with experiment.Combined with testing data and geological condition,the locations and ranges of No.7 and No.8 mined-out area with different buried depth were delineated.The results show that TEM has strong advantages in the exploration of the mined-out area in the coal seams with different buried depth.

transient electromagnetic method;exploration;mined-out area of double-decked coal mine;apparent resistivity

P631.6

A

1672-5050（2016）02-0014-05

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.02.005

2015-10-28

呂金牛（1967-），男，山西晉中人，在讀工程碩士，工程師，從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)管理工作。