劉 兵

(同煤集團(tuán)晉華宮礦地質(zhì)科，山西 大同 037016)

利用三維有限元數(shù)值模擬結(jié)果和具體案例，分析了瞬變電磁(TEM)方法檢測和監(jiān)測充水空隙的可行性。案例分析主要是分析和監(jiān)測正在建設(shè)的輸電站現(xiàn)場周邊環(huán)境，以及其中存在的富水區(qū)開采空缺。圍繞建筑物占地面積進(jìn)行了三次中環(huán)式電聲測深。低電阻率異常區(qū)域已重復(fù)定位，調(diào)查結(jié)果表明，空隙面積隨時間的增加而增加，表明現(xiàn)場地面處于不穩(wěn)定和危險狀態(tài)。這些調(diào)查提供了更詳細(xì)的地質(zhì)資料，以進(jìn)一步安排和重新設(shè)計瞬變電磁法在煤礦富水區(qū)探測中的應(yīng)用。

瞬變電磁法；煤礦；富水區(qū)探測

中國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費(fèi)國，隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，需要大量的能源供應(yīng)。但是，煤礦開采同時帶來了一些嚴(yán)重的問題，如，水資源的破壞和環(huán)境惡化。災(zāi)難性的表面崩潰是采礦活動的常見結(jié)果。此外，由開采空洞引起的變形和破壞可能直接導(dǎo)致地面裂縫和滑坡。因此，快速定位和測量開采區(qū)域非常重要。在物理上，當(dāng)煤層被挖掘時，會出現(xiàn)一些不同尺度的開采區(qū)域，這會導(dǎo)致應(yīng)力不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致應(yīng)力集中。在上覆巖石的作用下，會發(fā)生變形、開裂和脫位，導(dǎo)致形成洞穴及斷裂帶和彎曲變形帶。排出的空隙可以充滿空氣或水。當(dāng)水分流入地下水或地表水通過裂縫滲漏到挖掘區(qū)域時，可能會出現(xiàn)隨后沉降引起的表面損傷。煤炭資源過度開采容易造成煤礦重大地質(zhì)災(zāi)害。有必要通過有效的地球物理方法快速調(diào)查孔隙的位置和分布[1]。

1 煤礦富水區(qū)探測現(xiàn)狀

已經(jīng)采用許多方法來檢測開采區(qū)域和充水空隙的面積。重力和DC地電方法可用于檢測地下結(jié)構(gòu)。然而，在地下洞穴調(diào)查中，這兩種方法無法明確區(qū)分多樣化的地下洞穴。通?？梢允褂玫孛娲┩咐走_(dá)(GPR)來檢測淺埋目標(biāo)。地震法在富水區(qū)檢測過程中的準(zhǔn)確性并不高。由于TEM對填充空隙的低電阻率敏感，并且可以在復(fù)雜的工作條件下簡便的進(jìn)行，該方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于煤礦富水區(qū)探測中，是近年來作為檢測充水空隙的最有效技術(shù)之一[2-3]。

一般情況下，重要輸電站位置由地方政府選定，煤礦位于建筑物周圍，采礦區(qū)域隨著開采地區(qū)的變化而變化。為了調(diào)查和監(jiān)測該地區(qū)開采空隙的狀況，我國于2010年1月進(jìn)行了3次中心循環(huán)TEM測深。埋藏在空隙中的TEM探測已被后期的鉆井記錄儀解釋和測試。解釋結(jié)果表明，隨著時間的推移，空隙面積增大。后來的表面沉沒和裂紋的出現(xiàn)顯示出現(xiàn)場的地面處于不穩(wěn)定狀態(tài)。這一檢測結(jié)果為地方政府提供了更詳細(xì)的地質(zhì)資料。

2 瞬變電磁法的作用原理

需要兩個基本的電磁原理來推導(dǎo)TEM測量使用的物理學(xué)：法拉第的歸納定律和蘭茨定律。法拉第定律規(guī)定在地下產(chǎn)生幾乎相同的電流以保持由原始電流(渦流)產(chǎn)生的磁場。由于歐姆損耗，感應(yīng)表面電流消散，這會導(dǎo)致磁場的變化，從而引起后續(xù)的渦流。最終的結(jié)果是，當(dāng)電流密度變化時，地下電流的向下和向外擴(kuò)散表現(xiàn)為擴(kuò)張的煙環(huán)。

這些電流通過法拉第定律產(chǎn)生磁場。在表面上，測量磁場磁通量隨時間的變化。電流在地下擴(kuò)散的方式與地面的電導(dǎo)率分布有關(guān)。

從TEM和現(xiàn)場偵察監(jiān)測的結(jié)果可以看出，開采的空隙隨著時間的推移而擴(kuò)大，造成安全隱患。建筑物周圍的表面沉陷和坍塌證明了，高分辨率和精確度的TEM方法是一種用來定位充水空隙的有用技術(shù)。通過選擇合理的測量參數(shù)，可以通過TEM從近地層和深層快速檢測地電信息。

TEM/TDEM系統(tǒng)由發(fā)射儀、發(fā)射線圈或發(fā)射線、接收器線圈或天線以及接收器組成。根據(jù)地下電阻率、電流感應(yīng)、接收靈敏度和發(fā)射機(jī)、接收機(jī)原理，TEM/TDEM測量允許地球物理勘探從表面幾米到數(shù)百米的深度。

3 瞬變電磁法在煤礦富水區(qū)探測中的應(yīng)用

由于巖石導(dǎo)電性與巖石性質(zhì)密切相關(guān)，TEM是繪制巖石或土壤變化的有效方法，例如，限制地下水流動的黏土層，地下水中的導(dǎo)電滲濾液和土堤中的滲流。

TEM需要專門的發(fā)射器來驅(qū)動時變電流到發(fā)射器環(huán)路中，通常是放置在表面上的未接地的電線環(huán)路。發(fā)射機(jī)環(huán)路產(chǎn)生傳播到地下的EM波。當(dāng)EM能量遇到不同的地下物質(zhì)時，它會產(chǎn)生二次EM場的渦流。二次EM場由接收器環(huán)路或磁性天線在表面拾取，并且當(dāng)感應(yīng)能量擴(kuò)散到地球時被記錄。擴(kuò)散速率表示地下材料的電阻率。

TEM技術(shù)用于繪制地質(zhì)結(jié)構(gòu)，以尋找地?zé)嵩?，地下水和總沉積物。環(huán)境和工程用途范圍從描述鹽水入侵和污染物遷移到確定永久凍土和深度到基巖。TEM/TDEM方法具有超過直流電阻率技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)為：TEM不需要長電極陣列，因此對土壤的橫向變化較不敏感。而直流電阻率需要較長的電極擴(kuò)散，其長度通常為探測深度的3倍～5倍。TEM方法開始于將時域方波信號傳輸?shù)酱蟮牟唤拥鼗芈分小Ｄ滁c(diǎn)上，環(huán)路電流盡可能快地中斷，從而導(dǎo)致發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的磁場的快速變化。

4 施工方式與數(shù)據(jù)處理

4.1 施工方式

本次對山東龍口某礦的富水區(qū)進(jìn)行瞬變電磁法探測，主要是為了探測開采工作面煤層頂板含水構(gòu)造發(fā)育情況和發(fā)育空間位置。選擇了澳大利亞Monash Geo Scope公司生產(chǎn)的瞬變電磁探測儀，該儀器具有輕便、自動化程度高、抗干擾等特點(diǎn)。借助微機(jī)操作來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，并能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的自動記錄和存儲，隨后，可以通過USB接口來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理和回放。瞬變電磁探測儀的接收線和發(fā)射線框選擇多匝2 m×2 m矩形回線，疊加次數(shù)為64，采樣時窗為1～34，時間選用了標(biāo)準(zhǔn)時間序列。根據(jù)本次探測的地質(zhì)任務(wù)將測點(diǎn)間距設(shè)計為10 m，對于斷層位置需要將測點(diǎn)間距設(shè)置為5 m。測點(diǎn)布置與探測方式如圖1所示。

圖1 探測方式示意圖

4.2 數(shù)據(jù)處理

瞬變電磁測量的數(shù)據(jù)屬于各個時窗(測道)的瞬時感應(yīng)電壓，通過晚期場公式可以將其換算成視電阻率，從而得到視深度參數(shù)。通常情況下，可以借助視電阻率來解釋瞬變電磁測深的相關(guān)數(shù)據(jù)資料。

視電阻率計算公式為式(1)：

(1)

式中:ρ為視電阻率,Ω·m；t為時窗時間，ms；μo為真空磁導(dǎo)率；m為發(fā)射磁矩，A·m2；V(t)為感應(yīng)電壓，μV；q為接收線圈有效面積，m2。

4.3 探測結(jié)果分析

第121頁圖2是本次瞬變電磁法測量的巷道橫向580m～680m范圍內(nèi)的視電阻率擬斷面圖。從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，視電阻率橫向變化均勻，縱向上差異較大，主要是由于斷層構(gòu)造影響。40m以下的深度范圍內(nèi)部分視電阻率值橫向發(fā)生了劇烈的變化，從而說明同一巖層橫向富水性差異較大。同時，該區(qū)段600m～625m范圍內(nèi)出現(xiàn)視電阻率值小于2Ω·m的區(qū)域，則說明視電阻率值較低，由于該異常區(qū)存在斷層尖滅現(xiàn)象，因此可以判斷為較強(qiáng)富水異常區(qū)。后通過打鉆驗證在該區(qū)域有大量出水，進(jìn)而驗證了瞬變電磁探測的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)語

瞬變電磁法方法已被用于礦產(chǎn)勘探半個多世紀(jì)，目前已被廣泛應(yīng)用于勘探、工程和環(huán)境調(diào)查領(lǐng)域，調(diào)查深度可以從10 m～1 000 m不等。本文主要對瞬變電磁的作用原理、特點(diǎn)等進(jìn)行了總結(jié)，并提出了其在富水區(qū)探測中的具體應(yīng)用。

圖2 巷道橫向580 m～680 m頂板視電阻等值線斷面

[1] 周韜,韓自豪.瞬變電磁法在煤礦水害防治中的應(yīng)用[J].中國煤田地質(zhì),2014,16(2):44-46.

[2] 劉樹才,劉志新.瞬變電磁法在煤礦采區(qū)水文勘探中的應(yīng)用[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2015,34(4):414-417.

[3] 張開元，韓自豪，周韜．瞬變電磁法在探測煤礦采空區(qū)中的應(yīng)用[J]．工程地球物理學(xué)報，2017(4):341-344．