秦 飛

(山西省煤炭工業(yè)廳煤炭資源地質(zhì)局， 山西 太原 030045)

1 前言

瞬變電磁法基本原理是利用不接地線圈(當(dāng)然也可用接地導(dǎo)線)供脈沖電流,在地下激發(fā)起二次渦流，在一次場(chǎng)斷開(kāi)后觀測(cè)其渦流形成的二次場(chǎng)(瞬變場(chǎng))及其衰減態(tài)勢(shì),可解釋地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)樗沧儓?chǎng)的參數(shù)強(qiáng)度及延遲時(shí)間是與地下巖體的參數(shù)和電性參數(shù)有關(guān)。良導(dǎo)地質(zhì)體(如含水體)尺寸越大,導(dǎo)電性越好，瞬變場(chǎng)強(qiáng)度越大且熱損耗越小，故衰減越慢,延遲時(shí)間就越長(zhǎng)。據(jù)上述特征就可判斷被探測(cè)的賦水體位置和埋深。

山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)某礦井位于鄉(xiāng)寧縣城30°方向直距20km處臺(tái)頭村一帶，行政區(qū)劃隸屬鄉(xiāng)寧縣臺(tái)頭鎮(zhèn)管轄。其地理坐標(biāo)為東經(jīng)111°01′08″～111°06′20″，北緯36°03′14″～36°05′37″。礦井生產(chǎn)規(guī)模為90萬(wàn)t/a，批采煤層1～10#煤層。井田呈一不規(guī)則多邊形，東西長(zhǎng)約7.80km，南北寬約4.54km，井田面積14.352km2，批采1～10號(hào)煤層，開(kāi)采深度由980～1 300m標(biāo)高。井田范圍由1～25號(hào)坐標(biāo)拐點(diǎn)圈定。

為了勘探部分煤層采空情況，并圈定積水異常區(qū)，采用瞬變電磁法對(duì)礦井進(jìn)行物探，本次物探工作勘查面積為5.3km2，與井田相對(duì)位置如圖1所示。

2 儀器選擇

本次勘查瞬變電磁法儀器使用美國(guó)Zonge工程公司

的GDP- 32Ⅱ多功能電法儀。主要技術(shù)指標(biāo)為：

(1)TEM采樣頻帶范圍：DC～8kHz。

(2)直流(DC)輸入阻抗：10MΩ。

(3)動(dòng)態(tài)范圍：190db。

(4)最小可檢測(cè)電信號(hào)：0.03μV。

(5)相位精度：±0.1mrad(毫孤度)。

(6)疊加次數(shù)：2n任選，n=0，1，…，15。

(7)最大輸入電壓: ±32V。

(8)同步方式：高準(zhǔn)確度的石英鐘。

圖1 勘查區(qū)與井田邊界相對(duì)位置圖

儀器在投入試驗(yàn)及正式生產(chǎn)前按照規(guī)范及出廠說(shuō)明書(shū)進(jìn)行了校驗(yàn)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均合格，儀器測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定，各項(xiàng)性能良好，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，符合本次勘探要求。

3 儀器試驗(yàn)

圖2 SN338接收機(jī)穩(wěn)定性對(duì)比V/I衰減曲線

為了保證物探效果，對(duì)測(cè)量?jī)x器的性能進(jìn)行檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)儀器的穩(wěn)定性及一致性。[1]根據(jù)本勘查區(qū)地質(zhì)及地表情況，試驗(yàn)并確定合適的數(shù)據(jù)采集參數(shù)，確保施工儀器性能及采集數(shù)據(jù)質(zhì)量符合規(guī)范要求且探測(cè)深度能達(dá)到勘查目的任務(wù)所要求的深度。

同時(shí)為保證此次試驗(yàn)效果，并確保各種參數(shù)選擇試驗(yàn)不受地質(zhì)干擾、電磁干擾等其他因素影響，結(jié)合已知鉆孔資料進(jìn)行對(duì)比分析，試驗(yàn)點(diǎn)根據(jù)下述條件進(jìn)行選擇。

(1)地質(zhì)構(gòu)造影響小的地段。

(2)高壓線、廠礦等電磁干擾影響小的地段。

(3)平坦、開(kāi)闊的地段，便于瞬變電磁鋪框測(cè)量[1]。

因此，本次點(diǎn)試驗(yàn)選擇勘查區(qū)北1650/4060號(hào)點(diǎn)，此區(qū)域無(wú)高壓線等電磁干擾，且位于QW02鉆孔附近。試驗(yàn)線選擇1650線3 800～4 400點(diǎn)，此處存在已知采空區(qū)；930、970線2 140～2 420點(diǎn)，此處存在已知采空積水區(qū)，且位于QW06鉆孔附近。

4 瞬變電磁法野外試驗(yàn)過(guò)程分析

4.1 儀器穩(wěn)定性

在同一點(diǎn)位使用相同的儀器，采用同一參數(shù)進(jìn)行重復(fù)觀測(cè)，計(jì)算兩組采樣數(shù)據(jù)的相對(duì)均方誤差以分析儀器的穩(wěn)定性。本次勘查使用的接收儀編號(hào)為SN338、SN417。

(1)SN338儀器穩(wěn)定性試驗(yàn)從圖2可以看出，原測(cè)和重測(cè)單支曲線基本一致。通過(guò)計(jì)算，儀器采樣數(shù)據(jù)總均方相對(duì)誤差為1.54%，儀器穩(wěn)定性滿足野外生產(chǎn)要求。

(2)SN417儀器穩(wěn)定性試驗(yàn)從圖3可以看出，原測(cè)和重測(cè)單支曲線基本一致。通過(guò)計(jì)算，儀器采樣數(shù)據(jù)總均方相對(duì)誤差為1.66%，儀器穩(wěn)定性滿足野外生產(chǎn)要求。

圖3 SN417接收機(jī)穩(wěn)定性對(duì)比V/I衰減曲線

4.2 噪聲電平

背景場(chǎng)采用接收機(jī)空采方式記錄環(huán)境噪音，目的是確保正式數(shù)據(jù)采集時(shí)，最后有效道的數(shù)據(jù)大于背景場(chǎng)值，且與之對(duì)應(yīng)的探測(cè)深度和分辨率達(dá)到要求。本次噪聲試驗(yàn)選擇干擾較小，平坦空曠的地方進(jìn)行試驗(yàn)。從圖4可以看出，本次勘查區(qū)背景噪聲幅值在5μV/A以下，需選擇合理施工參數(shù)保證探測(cè)深度達(dá)到最深目的層時(shí)有效分辨電平大于5μV/A。

圖4 電平噪音V/I曲線圖

4.3 采集參數(shù)試驗(yàn)

具體試驗(yàn)參數(shù)如下：

圖5 不同發(fā)射線框V/I衰減曲線及視電阻率深度反演結(jié)果

發(fā)射線圈：360m×360m、420m×420m；

發(fā)射頻率：8Hz、16Hz、32Hz；

發(fā)射延時(shí)：60μs、 80μs、100μs、120μs、140μs；

電流試驗(yàn)：8A、10A、12A；

疊加次數(shù)：128次、256次。

1)線框試驗(yàn)

瞬變電磁感應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)度與發(fā)射線框面積呈正比，發(fā)射線框面積越大其信號(hào)強(qiáng)度越大。TEM測(cè)深發(fā)射頻率16Hz、供電電流10A、采樣延遲為100μs、疊加次數(shù)256次，進(jìn)行了發(fā)射邊框?yàn)?60m×360m和420m×420m的試驗(yàn)。由圖5可以看出，發(fā)射邊框?yàn)?60m×360m和420m×420m時(shí)，衰減曲線圓滑光順，均能反映電性特征，本次探測(cè)深度最深為390m左右，360m×360m發(fā)射邊框能兼顧淺層與勘查深度的要求，為了保證感應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)度，同時(shí)提高工作效率，故選用360m×360m發(fā)射邊框進(jìn)行工作。

2)頻率試驗(yàn)

瞬變電磁感應(yīng)場(chǎng)采樣時(shí)間與發(fā)射頻率呈反比，試驗(yàn)?zāi)康氖潜ＷC有效采樣時(shí)間/視深度滿足物探要求，目的層處于瞬變電磁探測(cè)的最佳測(cè)量深度控制段。TEM測(cè)深發(fā)射邊框360m×360m、供電電流10A、采樣延遲100μs、疊加次數(shù)256次，進(jìn)行了發(fā)射頻率為8Hz、16Hz、32Hz的試驗(yàn)。由圖6可以看出，發(fā)射頻率為16Hz，反演深度達(dá)到600m，沒(méi)有畸變點(diǎn)；發(fā)射頻率為8Hz二次場(chǎng)衰減曲線畸變點(diǎn)較多；而當(dāng)發(fā)射頻率為32Hz時(shí)，反演深度最大400m，目的層位于最佳測(cè)量深度的尾支，不滿足勘查要求。因此選擇16Hz作為采集發(fā)射頻率。

圖6 不同頻率V/I衰減曲線及視電阻率深度反演結(jié)果

3)發(fā)射延時(shí)

發(fā)射延時(shí)的確定可以去除前期平頭的影響，同時(shí)保證記錄有效信號(hào)。TEM測(cè)深發(fā)射邊框360m×360m、發(fā)射頻率16Hz，疊加次數(shù)256次，供電電流10A，進(jìn)行了發(fā)射延時(shí)為60μs、80μs、100μs、120μs、140μs的試驗(yàn)。

由圖7可以看出當(dāng)發(fā)射延時(shí)為60μs、80μs時(shí)，V/I衰減曲線前期有少量平頭出現(xiàn)。當(dāng)發(fā)射延時(shí)為140μs時(shí)，會(huì)出現(xiàn)有效數(shù)據(jù)溢出現(xiàn)象。一般來(lái)說(shuō)，采樣延時(shí)大，捕捉深部信息多。針對(duì)本區(qū)地質(zhì)任務(wù)，兼顧淺層與深層信息，因此選擇采樣延時(shí)為100μs效果較好。

圖7 不同延時(shí)V/I衰減曲線

4)疊加次數(shù)試驗(yàn)

隨機(jī)電磁干擾采用增加疊加次數(shù)可以有效壓制甚至消除，試驗(yàn)?zāi)康氖谴_定探勘查區(qū)附近隨機(jī)干擾的強(qiáng)弱、頻率的特性，確定最少的壓制隨機(jī)電磁干擾的疊加次數(shù)。TEM測(cè)深發(fā)射邊框360m×360m、發(fā)射頻率16Hz、采樣延遲為100μs、供電電流10A，進(jìn)行了疊加次數(shù)為128次、256次的試驗(yàn)。由圖8可以看出，疊加次數(shù)為256次時(shí)末期道數(shù)據(jù)離差變小，故采用256次疊加。

圖8 不同疊加次數(shù)V/I衰減曲線

5)供電電流試驗(yàn)

一般來(lái)說(shuō)，供電電流大，抗干擾能力和穿透能力強(qiáng)、信噪比高[2]。TEM測(cè)深發(fā)射邊框360m×360m、發(fā)射頻率16Hz，疊加次數(shù)256次，發(fā)射延時(shí)100μs，進(jìn)行了供電電流為8A、10A、12A的試驗(yàn)。如圖9所示，試驗(yàn)結(jié)果分析表明，供電電流為8A、10A、12A時(shí)，曲線衰減均正常，其有用信號(hào)均大于勘查區(qū)的背景噪聲電平信號(hào)，因此為保持長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定供電我們最終確定供電電流為10A。

4.4 高壓線試驗(yàn)

以1650線3 660點(diǎn)為高壓線正下方，垂直于高壓線外每10m一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行高壓線試驗(yàn)。圖10所示分別表示了距高壓線0m、20m、30m、40m、50m、60m單點(diǎn)V/I衰減曲線。

圖9 不同供電電流V/I衰減曲線

通過(guò)對(duì)比分析，確定高壓線影響范圍為60m。

4.5 方法有效性試驗(yàn)

1)采空區(qū)試驗(yàn)

圖11所示為1650線3 800～4 400點(diǎn)視電阻率擬斷面圖，測(cè)線位于勘查區(qū)東部，此處2號(hào)和9+10號(hào)煤層均存在采空區(qū)。圖中橫坐標(biāo)為測(cè)點(diǎn)距，縱坐標(biāo)為標(biāo)高，短虛線表示2號(hào)煤層底板，長(zhǎng)虛線代表9+10號(hào)煤層底板。圖中可以看出9+10號(hào)煤層4 100～4 400m處視電阻率出現(xiàn)凸起形態(tài)(圖11中填充部分)，擬視電阻率值大于86Ω·m，由礦方提供的資料可知，9+10號(hào)煤層在此處為已知采空區(qū)，因此我們推斷9+10號(hào)煤層4 100～4 400m處視電阻率異常為采空區(qū)引起的。由礦方提供的資料可知，2號(hào)煤層3 800～4 400m處均為采空破壞區(qū)，且2號(hào)煤層附近擬視電阻率值大于50Ω·m，因此推斷2號(hào)煤層在3 800～4 400m處為采空區(qū)。

圖10 距高壓線不同距離試驗(yàn)V/I衰減曲線

圖11 1650線3 800～4 400點(diǎn)擬視電阻率斷面圖

2)采空積水區(qū)試驗(yàn)

圖12所示為930線2 140～2 420點(diǎn)視電阻率擬斷面圖，圖中橫坐標(biāo)為測(cè)點(diǎn)距，縱坐標(biāo)為標(biāo)高，短虛線表示2號(hào)煤層底板，長(zhǎng)虛線代表9+10號(hào)煤層底板。

圖12 930線2 140～2 420點(diǎn)擬視電阻率斷面圖

由礦方提供的資料可知，2號(hào)煤層2 140～2 420m處為已知采空區(qū)，且附近QW06鉆孔驗(yàn)證此采空，2 240～2 420m處擬視電阻率值小于40Ω·m，推斷此處為存在積水。9+10號(hào)煤層煤層附近擬視電阻率曲線較為平緩，擬視電阻率值小于80Ω·m，異常不明顯，推斷為實(shí)體煤。

5 結(jié)論

本次瞬變電磁法試驗(yàn)圓滿完成了試驗(yàn)工作量和試驗(yàn)任務(wù)，并達(dá)到了預(yù)期試驗(yàn)?zāi)康?，結(jié)合本次試驗(yàn)、設(shè)計(jì)要求以及以往施工經(jīng)驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

(1)儀器因素：儀器性能穩(wěn)定，接收機(jī)數(shù)據(jù)采集模式正確、可靠，滿足精度要求。

(2)施工參數(shù)：發(fā)射線框360m×360m、發(fā)射頻率16Hz、發(fā)射延遲100μs、疊加次數(shù)256次、供電電流10A。

(3)儀器的一致性：兩臺(tái)接收機(jī)性能穩(wěn)定，一致性好，精度滿足施工要求。

(4)本方法對(duì)采空區(qū)積水反應(yīng)效果良好。

(5)干擾因素分析：本方法受高壓線影響明顯，影響范圍約為60m。