牟 義 ，張永超 ，邱 浩 ，游 超 ，李 杰 ，徐東晶

（1.煤炭科學技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；3.山東科技大學 地球科學與工程學院，山東 青島 266590）

大定源回線和中心回線等大回線發(fā)射裝置作為主要的地面瞬變電磁法探測裝置，研究、應(yīng)用均較為成熟，井下瞬變電磁法由于井下空間的限制，采用重疊回線或偶極回線等小回線發(fā)射裝置作為主要的井下探測裝置，在掘進迎頭超前探測和回采工作面區(qū)域探測研究、應(yīng)用較為廣泛，成為井下探測采空區(qū)、含水體的主要物探手段。但由于地面地形等一些特殊條件的限制，部分區(qū)域大回線地面瞬變電磁法現(xiàn)場布置受到限制，因此，部分學者將井下小回線瞬變電磁法引入到地面上，進行了初步研究。徐正玉等[1]采用非線性粒子群優(yōu)化算法進行反演計算，驗證小回線瞬變電磁法方法有效性和準確性，并以重慶大學校園防空洞和某城中村地表塌陷地質(zhì)災(zāi)害勘查為例，開展小回線瞬變電磁法實驗研究，取得較好的效果；連晨光等[2]分別計算了瞬變電磁法線圈邊長為 1～5 m時相應(yīng)的自感、互感值及其相對誤差，并分析了各種計算公式的適用性，給出了合適的小回線電感計算公式；韋乖強等[3]通過小線框瞬變電磁法在貴州某礦開展的探測實踐及對比分析研究，證實小線框瞬變電磁法在地形復(fù)雜、構(gòu)造發(fā)育、噪聲干擾嚴重的地區(qū)開展勘查工作具有絕對優(yōu)勢；齊朝華等[4]以內(nèi)蒙古某煤礦水文勘探為例，分別進行大定源回線裝置和重疊回線裝置試驗，對比2 個裝置對含水異常的響應(yīng)特征，多匝小線框重疊回線裝置相比大定源回線裝置占地面積小，體積效應(yīng)小，異常特征更明顯。通過以上研究可以看出，專家們從理論計算、反演算法、現(xiàn)場試驗對比等方面初步開展了小回線瞬變電磁法在地面開展的可行性，但從數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗綜合分析可行性及采空區(qū)探測應(yīng)用方面均研究較少。為此，在前人研究基礎(chǔ)上，開展數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗，綜合研究分析小回線瞬變電磁法可行性，并進行現(xiàn)場應(yīng)用。

1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于千樹塔井田，地表全部被新生界松散沉積物覆蓋，主要有第四系全新統(tǒng)風積沙、現(xiàn)代沖洪積層、中更新統(tǒng)離石組，新近系上新統(tǒng)靜樂組等，鉆孔揭露的地層還有：侏羅系中統(tǒng)直羅組、延安組，下統(tǒng)富縣組。井田內(nèi)侏羅系中統(tǒng)延安組（J2y）的3、4、6、9 號煤層為區(qū)內(nèi)可采煤層，3 號煤層本次研究的主要目的層，該煤層在井田內(nèi)除東南部自燃外，全區(qū)可采，煤層厚度變化在9.75～11.21 m 之間，平均10.61 m，由東南向西北增大，變化規(guī)律明顯。3 號煤層埋深147.43～271.25 m，一般200～260 m，底板標高變化在1 082～1 120 m 之間。煤層結(jié)構(gòu)簡單，無夾矸。煤層直接頂板以泥巖為主，粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖次之，少量粉砂巖、中粒長石砂巖；底板以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖次之。煤層與其頂?shù)装寰鶠槊黠@接觸。井田東南部由于3 號煤層自燃，其頂板燒變巖垮塌，造成巖石破碎，節(jié)理、裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)松散，形成火燒巖區(qū)孔洞裂隙水，成為地下水的良好通道和水源。原小煤窯開采3號煤，形成了分布不清的小窯采空區(qū)，形成的垮落帶及導(dǎo)水斷裂帶，可能溝通冒裂帶內(nèi)的不同基巖含水層使地下水直接進入礦坑，也會對地表陜京二線管線造成安全隱患。為了查清采空區(qū)分布情況，為后續(xù)治理提供依據(jù)，需要采用瞬變電磁法進行地面物探。而由于地形起伏較大，存在斷崖，落差較大，原有的瞬變電磁法大定源回線和中心回線等大發(fā)射線圈無法布置，而小發(fā)射線圈在井下探測中經(jīng)常用到，因此，本次將井下小回線用于地面復(fù)雜地形區(qū)域進行試驗，確定試驗參數(shù)，對3 號煤采空區(qū)進行探測。

2 瞬變電磁法小回線可行性數(shù)值模擬

本次進行一維層狀介質(zhì)瞬變電磁正演，適用于相關(guān)的理論研究、工程設(shè)計等領(lǐng)域。軟件首先采用漢克爾變換求得層狀介質(zhì)的電偶源頻率域響應(yīng)，然后采用余弦變換得到電偶源的時間域響應(yīng)，最后采用高斯—勒讓德積分將電偶源耦合為回線源，最終得到層狀介質(zhì)的定源（中心）回線瞬變電磁響應(yīng)[5-6]。軟件支持并行計算，同時能實現(xiàn)斜階躍關(guān)斷效應(yīng)的計算，具有計算速度快、結(jié)果精度高等特點。根據(jù)試驗區(qū)的地層和電性特征建立數(shù)值模型，模型對應(yīng)地層從上往下簡化為6 層，數(shù)值模型參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值模型參數(shù)Table 1 Numerical model parameters

主要針對發(fā)射線圈尺寸、采空區(qū)電阻率、采高和關(guān)斷時間等參數(shù)進行數(shù)值模擬，主要數(shù)值模擬方案如下：①發(fā)射線圈尺寸：固定采空區(qū)電阻率10 Ω·m、采高10 m、關(guān)斷時間1×10-5s，發(fā)射線圈尺寸分別為2 m×2 m、3 m×3 m、5 m×5 m、10 m×10 m、50 m×50 m、100 m×100 m、200 m×200 m、500 m×500 m 等8 個值；②采空區(qū)電阻率：固定發(fā)射線圈尺寸3 m×3 m、采高10 m、關(guān)斷時間1×10-5s，采空區(qū)電阻率分別為2、5、10、20、50、100、200、500 Ω·m 等8 個值；③采高：固定發(fā)射線圈尺寸3 m×3 m、采空區(qū)電阻率10 Ω·m、關(guān)斷時間1×10-5s，采高分別為1、2、3、5、7、10、15、20 m 等8 個值；④關(guān)斷時間：固定發(fā)射線圈尺寸3 m×3 m、采空區(qū)電阻率10 Ω·m、采高10 m，關(guān)斷時間分別為1×10-7、1×10-6、1×10-5、1×10-4、1×10-3、1×10-2、1×10-1、1×10-0s 等8 個值[7-8]。

發(fā)射線圈尺寸、采空區(qū)電阻率、采高和關(guān)斷時間等參數(shù)數(shù)值模擬的歸一化電壓衰減曲線分別如圖1～圖4。

圖1 不同發(fā)射線框尺寸衰減曲線Fig.1 Attenuation curves of different emission wireframe sizes

1）發(fā)射線圈。由圖1 可以看出，隨著發(fā)射線圈尺寸的增大，整體歸一化電壓不斷增大，早期場受一次場影響時間也越來越長，晚期場受干擾影響越來越小，曲線越來越平滑，可以看出2 m×2 m 線框尺寸衰減時間＜0.1 s，3 m×3 m、5 m×5 m、10 m×10 m 衰減時間介于0.1～1 s，其他尺寸衰減時間＞1 s，因此，衰減時間＞0.1 s 的線框尺寸均滿足探測要求，考慮到現(xiàn)場地形影響，因此，線框尺寸選取3 m×3 m。

2）采空區(qū)電阻率。由圖2 可以看出，選用3 m×3 m 發(fā)射線圈，針對埋深超過200 m 的不同電阻率采空區(qū)均有明顯的電性差異，隨著采空區(qū)電阻率的增大，整體歸一化電壓逐漸降低，特別是對低阻采空區(qū)響應(yīng)特征更明顯，說明線框尺寸為3 m×3 m 的小回線可以有效探測目標層位深度。

圖2 不同采空區(qū)視電阻率衰減曲線Fig.2 Apparent resistivity decay curves of different goafs

3）采高。由圖3 可以看出，選用3 m×3 m 小發(fā)射線圈，對不同采高的采空區(qū)也有明顯電性特征區(qū)別，隨著采高的不斷增大，歸一化電壓也不斷增大，說明3 m×3 m 小發(fā)射線圈可以分辨大于1 m 的采空區(qū)，采高越大，分辨特征越明顯。

圖3 不同采高衰減曲線Fig.3 Attenuation curves of different mining heights

4）關(guān)斷時間。由圖4 可以看出，針對3 m×3 m 小發(fā)射線圈，不同關(guān)斷時間觀測到二次場歸一化電壓也不一樣，關(guān)斷時間越短，觀測到的整體歸一化電壓值也越大，關(guān)斷時間＜1×10-5s，歸一化電壓值增大趨勢變緩，基本穩(wěn)定，說明3 m×3 m 小發(fā)射線圈選取小于1×10-5s 的關(guān)斷時間，可以觀測到穩(wěn)定的二次場衰減曲線。

圖4 不同關(guān)斷時間衰減曲線Fig.4 Attenuation curves of different off-time

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合儀器裝備性能，選用3 m×3 m 小發(fā)射線圈可以有效探測超過200 m深度、采高超過1 m 的采空區(qū)，針對充水采空區(qū)導(dǎo)致電阻率降低的采空區(qū)有更明顯的效果，設(shè)置關(guān)斷時間＜1×10-5s 時，在有效觀測時間0.001～0.01 s 區(qū)間均出現(xiàn)明顯的采空區(qū)反應(yīng)。因此，通過數(shù)值模擬，可以確定小回線用于地面探測是可行的。

3 瞬變電磁法參數(shù)優(yōu)化試驗

試驗線選擇在已知采空區(qū)地段，位于測區(qū)西北部，跨過13302 工作面，測線長度400 m，點號1～27，完成物理點27 個。由西向東布設(shè)，1 號～12 號點為已知采空區(qū)地段，21 號點為QH1鉆孔。試驗點選擇在試驗線21 號點，進行參數(shù)試驗。試驗線及試驗點位置如圖5。

圖5 測區(qū)及試驗線布置圖Fig.5 Relative position diagram of test line

3.1 發(fā)射框尺寸

發(fā)射線框邊長會直接影響勘探深度，在相同頻率下，線框邊長越大，探測深度越深[9-10]。為了滿足深度要求，選用了2 m×2 m、3 m×3 m、5 m×5 m 3 種發(fā)射線框進行試驗，以達到最理想的試驗效果。2 m×2 m、3 m×3 m、5 m×5 m 發(fā)射線框試驗圖分別如圖6～圖8。

圖6 2 m×2 m 發(fā)射線框試驗圖Fig.6 2 m×2 m launch wireframe test diagram

圖7 3 m×3 m 發(fā)射線框試驗Fig.7 3 m×3 m launch wireframe test

圖8 5 m×5 m 發(fā)射線框試驗Fig.8 5 m×5 m launch wireframe test

由圖6～圖8 可見：在相同參數(shù)，發(fā)射頻率8 Hz、電流8 A 情況下，2 m×2 m 探測深度能達到220 m，3 m×3 m 探測深度能達到330 m，5 m×5 m 探測深度能達到560 m；2 m×2 m 探測深度較淺，5 m×5 m 探測深度較深，結(jié)合地質(zhì)資料，目的層埋深240 m 左右，即3 m×3 m 線框可滿足本次工作需求。

3.2 發(fā)射頻率

從理論上講在外部其他條件恒定的情況下，隨發(fā)射頻率的逐漸降低探測深度逐漸增加，在相同時間段內(nèi)包含的采樣點數(shù)越少，同時由于頻率越低其采樣時間越長，因此會包含更多的外部隨機干擾，尤其是在各頻率尾部有效信號值微弱時，會受到外部的強烈干擾而導(dǎo)致尾部道無效[11-12]。

發(fā)射頻率可以反映發(fā)射信號與地質(zhì)體的耦合程度，一般頻率高與埋深較淺的地質(zhì)體耦合程度較好，頻率低則與較深地質(zhì)體耦合程度好。選用4、8、16 Hz 3 種頻率進行了試驗。不同發(fā)射頻率衰減曲線如圖9。

圖9 不同發(fā)射頻率衰減曲線Fig.9 Attenuation curves of different transmit frequencies

由圖9 可見，4 Hz 在接近104μs 以后出現(xiàn)隨機干擾，有效衰減時間過短，證明其頻率不適合本測區(qū)的電性反應(yīng)條件。8 Hz 和16 Hz 在104μs以后尾部信號出現(xiàn)較小波動干擾，證明有效信號的總體衰減趨勢特征已經(jīng)被完整采集。但16 Hz較8 Hz 衰減曲線可利用有用信號更多，衰減曲線更為圓滑。因此，本次發(fā)射頻率選擇為16 Hz。

3.3 發(fā)射電流

在其他參數(shù)相同時，較大電流可以獲得較深的地質(zhì)體反映信號，較小的電流則獲得較淺地質(zhì)體的反映信號。同時發(fā)射電流的選擇一要考慮所發(fā)射的電流能夠持續(xù)長時間的穩(wěn)定，保證設(shè)備正常；二要考慮場區(qū)內(nèi)的干擾因素，所發(fā)射的電流要有足夠的抗干擾能力，能保證取得良好的原始數(shù)據(jù)[13]。結(jié)合本區(qū)目的層埋藏深度較深的情況，發(fā)射電流分別選用5、8、10 A 3 種電流進行試驗。不同發(fā)射電流衰減曲線如圖10。

圖10 不同發(fā)射電流衰減曲線Fig.10 Attenuation curves of different emission currents

發(fā)射電流為5 A 時，尾部信號強度低，有效衰減時間變短，曲線不圓滑。8、10 A 有效衰減時間較長，采集信號較強，衰減曲線比較圓滑，根據(jù)本項目的地質(zhì)任務(wù)特點以及設(shè)備良性運作，最終選擇8 A 左右發(fā)射電流來完成本測區(qū)地質(zhì)任務(wù)。

3.4 疊加次數(shù)

試驗選在同一點，參數(shù)相同情況下分別采用疊加次數(shù)5 次、10 次、15 次進行試驗，不同疊加次數(shù)衰減曲線如圖11。

圖11 不同疊加次數(shù)衰減曲線Fig.11 Attenuation curves of different stacking times

由圖11 可見：疊加次數(shù)越多曲線越圓滑，兼顧采集效率，本次工作疊加次數(shù)采用15 次，即可滿足本次試驗要求。

3.5 方法有效性

地層已知性試驗是地球物理勘查的一個重要依據(jù)，它是在得知地質(zhì)資料的前提下在物探范圍或者附近尋找一地勢平坦，存在異常的地段進行試驗[14-15]。試驗選擇在由礦方提供的已知采空區(qū)地段，位于測區(qū)西北部，跨過13302 工作面。試驗的目的是對比探測方法有效性，校正反演程序中的參數(shù)，使反演結(jié)果更接近實際本區(qū)地層電性特征。本次已知性試驗采用優(yōu)化試驗選取的參數(shù)，選取發(fā)射線框邊長3 m×3 m，疊加次數(shù)15 次；發(fā)射頻率16 Hz，發(fā)射電流≥8 A（發(fā)射機控制），其它參數(shù)由儀器內(nèi)部設(shè)置自動調(diào)節(jié)變化。試驗線瞬變電磁視電阻率擬斷面等值線圖如圖12。

圖12 試驗線瞬變電磁擬斷面等值線圖Fig.12 Transient electromagnetic pseudo-section contour diagram of the test line

由圖12 可以看出：電性反映特征明顯，層位清晰，各地層視電阻率由淺至深呈低阻～中阻～高阻的反映，符合區(qū)域地層的電性參數(shù)反映特征。其中，3 號煤層在1～12 號點附近電性發(fā)生變化，呈現(xiàn)相對高阻異常，與已知采空區(qū)吻合較好。3 號煤層在15～19 號點附近電性發(fā)生變化，呈現(xiàn)相對高阻異常，推測為采空區(qū)塌陷拉動引起。

通過本次已知性試驗充分確定小回線地面探測是行之有效的，驗證了數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗的成果，并確定了最佳施工參數(shù)：發(fā)射線框邊長3 m×3 m，疊加次數(shù)15 次；發(fā)射頻率16 Hz，發(fā)射電流≥8 A（發(fā)射機控制）。

4 瞬變電磁法探測成果

4.1 剖面成果

本次瞬變電磁法勘探，點距均為20 m，各測線剖面視電阻率等值線圖中橫坐標為測點號，縱坐標為標高，圖中紅色～綠色～藍色的過渡表示視電阻率值由高～中～低的變化[16]。圖中黑色線為3 號煤層位置。測區(qū)地層自下而上有侏羅系、新近系和第四系。瞬變電磁資料視電阻率表現(xiàn)為：上部的低阻區(qū)域為第四系地層的電性反映，中部中阻區(qū)域為新近系地層電性特征，下部中高阻區(qū)域反映了侏羅系地層的電性特征。結(jié)合測區(qū)范圍內(nèi)地質(zhì)資料和調(diào)查情況，選擇典型剖面進行解釋。380X線瞬變電磁法勘探剖面視電阻率等值線圖如圖13。

圖13 典型剖面視電阻率等值線圖Fig.13 Typical profile of apparent resistivity contour diagram

圖13 中上部為低阻反應(yīng)，視電阻率值在60～80 Ω·m 之間，分析為第四系松散覆蓋層的電性反應(yīng)；中部電性為中阻，分析為新近系靜樂組電性反應(yīng)；下部為中高阻反應(yīng)，視電阻率值一般大于160 Ω·m，分析為侏羅系綜合電性反應(yīng)。從橫向上看，3 號煤層在1～3、7～18 號點附近呈現(xiàn)相對高阻反應(yīng)，結(jié)合已知資料，推斷為煤層采空區(qū)異常引起。

4.2 平面成果

首先依據(jù)各測線瞬變電磁測量剖面視電阻率等值線圖對測區(qū)內(nèi)可能存在的異常區(qū)進行分析；其次結(jié)合3 號煤層做視電阻率順層切片對圈定的范圍進行分析解釋，初步確定采空異常區(qū)范圍；最后通過對采掘情況、以往地質(zhì)勘探資料、煤層埋深等進行分析對比，同時參考剖面視電阻等值線圖及試驗結(jié)論得出的內(nèi)容確定了對高阻異常區(qū)的劃分為：3 號煤層電阻率≥200 Ω·m 為采空異常區(qū)。

依據(jù)上述分析方法和異常劃分原則，對不同層位的視電阻率順層切片異常進行了圈定，3 號煤層視電阻率順層切片圖如圖14。

圖14 3 號煤層視電阻率順層切片圖Fig.14 Apparent resistivity of 3# coal seam along the seam

圖14 中紅色～黃色～綠色～藍色的過渡表示視電阻率值由高～中～低的變化，粉色虛線區(qū)域為高阻異常區(qū)。3 號煤層劃分出相對高阻異常區(qū)5 個，編號為A1～A5。

本次工作在地面調(diào)查以及收集已有資料和調(diào)查訪問的基礎(chǔ)上，采用地面瞬變電磁法勘探手段查明測區(qū)范圍內(nèi)3 號煤層采空異常區(qū)域，完成了本次勘探任務(wù)。3 號煤層共圈定解釋了5 個異常區(qū)，編號為A1～A5，各異常區(qū)性質(zhì)、面積詳見表2。

表2 3 號煤層異常區(qū)推斷成果表Table 2 Inference results of abnormal area of 3# coal seam

5 結(jié) 語

1）通過設(shè)置不同發(fā)射線圈尺寸、采空區(qū)電阻率、采高和關(guān)斷時間等模型或觀測參數(shù)，建立數(shù)值模型開展數(shù)值模擬，模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用3 m×3 m 小回線發(fā)射線圈可以有效探測深度200 m、采高超過1 m 的采空區(qū)，并且充水采空區(qū)探測效果更好，電性特征變化更明顯；在關(guān)斷時間小于1×10-5s 時，在有效觀測時間0.001～0.01 s 區(qū)間均出現(xiàn)明顯的采空區(qū)異常反應(yīng)，通過數(shù)值模擬，可以確定小回線瞬變電磁法用于地面探測是可行的。

2）通過對發(fā)射框尺寸、發(fā)射頻率、發(fā)射電流及疊加次數(shù)等進行現(xiàn)場試驗，優(yōu)化試驗參數(shù)，分析得出采用小回線發(fā)射線圈邊長3 m×3 m、疊加次數(shù)15 次、發(fā)射頻率16 Hz、發(fā)射電流≥8 A 等參數(shù)，可以達到最佳探測效果，也驗證了小回線瞬變電磁法地面探測是可行的。

3）將數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗參數(shù)應(yīng)用到現(xiàn)場觀測中，通過分析現(xiàn)場應(yīng)用剖面和平面成果圖，確定3 號煤層電阻率≥200 Ω·m 為采空異常區(qū)，在3號煤層共圈定解釋了5 個異常區(qū)，推斷為采空區(qū)或燒變巖空隙，充分說明了小回線瞬變電磁法探測的可靠性，為油氣管線下方采空區(qū)治理提供了準確的勘探資料。