曹 靜，吳燦燦

(宿州學院資源與土木工程學院，安徽 宿州 234000)

地面瞬變電磁法對采空區(qū)賦水情況的應用研究

曹 靜，吳燦燦

(宿州學院資源與土木工程學院，安徽 宿州 234000)

為了研究地面瞬變電磁法探測煤礦采空區(qū)的響應特征及探測效果的可行性，根據測區(qū)的地球物理特征以及工程要求，運用TerraTEM瞬變電磁儀在山東甘霖煤礦礦界內探測采空區(qū)范圍及采空積水性方面進行了應用。根據地面瞬變電磁法對低阻體響應十分敏感的特性，并結合試驗選取的工作參數，較準確地查明了采空區(qū)的位置及賦水性情況。實踐證明，地面瞬變電磁法在施工過程中能夠有效避免井下空間限制及周圍金屬支架等的干擾，對于低阻體位置的圈定及定性解釋，地面瞬變電磁法可作為一種有效的探測手段。

地面瞬變電磁；采空區(qū)；賦水性

0 引言

煤礦生產過程中，嚴重制約其安全生產的災害之一便是突水事故[1]，突水已造成國家經濟損失、工人生命安全受到威脅等不可挽回的災難[2]。因此，查明煤礦開采過程中采空區(qū)的位置及其賦水情況，成為輔助礦井安全生產的依據。

探測采空區(qū)范圍及采空積水性，地球物理方法可以采用地震、直流電法、瞬變電磁、重力、可控源音頻大地電磁法等方法，但對于富水性，有效的方法還是電法類，也就是直流電法、瞬變電磁、可控源音頻大地電磁法等。根據前人經驗，瞬變電磁法是圈定采空區(qū)范圍、定性解釋其賦水性最佳的物探方法之一[3]。楊鏡明等[4]利用高密度電法和瞬變電磁法探測到煤礦采空區(qū)和未采區(qū)之間的電性差異明顯；陳衛(wèi)營等[5]利用TEM多裝置對采空區(qū)周圍地層穩(wěn)定性進行調查；覃慶炎[6]建立煤礦積水采空區(qū)理論模型，通過分析瞬變電磁響應曲線來研究煤礦積水采空區(qū)的響應特征；柳夏等[7]在山西七嶺煤礦邊界老窯采空區(qū)利用瞬變電磁法探測其積水情況，為準確劃分位置提供了依據。對于瞬變電磁法的異常解釋，大量學者做了相關工作，為解決深度解釋不準的問題，范濤等[8]將瞬變電磁法擬MT深度反演方法進行精細解釋煤礦巖層富水性，Maxwell A M[9]利用MT視電阻率數據和相位之間的關系，對瞬變電磁進行了轉換相位研究。

瞬變電磁法具有對含水體非常敏感、受地形影響小、探測深度中等、施工效率高等優(yōu)點，被廣泛用于水文地質調查[10]、礦產普查[11]、地質災害調查[12]、道路建設[13]等領域。

1 方法原理

瞬變電磁法(簡稱TEM法)是利用發(fā)射回線或接地電極向地下發(fā)送脈沖式一次電磁場，而用接收線圈或接地電極觀測由該脈沖電磁場感應產生的二次渦旋電磁場的空間和時間分布規(guī)律，來解決有關地質問題的時間域電磁勘探方法[14]。

高精度、高靈敏性、高可靠性的地球物理儀器是保障探測效果的前提，為了更好地完成勘探任務，施工過程中選用了澳大利亞聯邦工業(yè)研究院生產的TerraTEM瞬變電磁儀。

不同的測區(qū)、不同的目的層埋深、不同的地質任務所選用的工作方法及施工參數不同，合理選擇儀器工作方法、施工參數是完成勘探目的任務的關鍵[15]。為此進行了探測區(qū)的試驗工作。在野外數據采集工作正式開始之前，根據試驗結果，最后選擇性能參數見表1。

表1 裝置參數

2 工程應用

2.1 測區(qū)工程概況

地球物理勘探范圍位于甘霖煤礦界內，井田總體構造形態(tài)為一寬緩的單斜構造，產狀較平緩，一般5°～15°，沿走向、傾向均有舒緩的波狀起伏。目標區(qū)位于我國東部，勘探區(qū)域地表較為平坦，表層大部分為黃土覆蓋，基巖幾乎沒有出露，由北向南地勢整體表現為先增高再不變的趨勢。整個勘探目標區(qū)域被農作物及樹林覆蓋，東部和北部有小范圍的水溝存在。

2.2 數據采集

測線、測點的布置是根據已有資料、瞬變電磁勘探要求、儀器設備能力等因素綜合考慮。1)要求測線長度應包括一定范圍的正常背景場，盡可能與已知區(qū)域相銜接，有利于資料的后續(xù)處理解釋；2)測線的方位盡量保證能與推測異常體保持垂直，測線延伸到能追蹤到的正常地層；3)測線、測點距離由探測目標體的深度、最小異常的尺度、測區(qū)干擾程度決定。勘探區(qū)內瞬變電磁法以測線距為40 m、測點距為20 m的方格網布置。

采用同一回線工作裝置。測線、測點按方格網布置，線距60 m，點距20 m。在測區(qū)共布置瞬變電磁測點270個，測線總長度5 400 m(如圖1所示)。

圖1 瞬變電磁施工測線

2.3 數據處理與解釋

資料預處理包括關斷時間toff的影響及其校正。預處理的第2個內容為曲線的圓滑。由于各類干擾的影響，往往使實測V/I曲線尾枝出現波動，為此必須對實測曲線進行圓滑。通常可采用五點圓滑公式進行，但當尾枝波動過大時，常常效果不佳。本次采用自編的人機對話程序對曲線進行圓滑。對實測資料處理和解釋，按照原始數據編輯進行(如圖2所示)。

圖2 原始數據編輯流程圖

在數據預處理后，通過反演計算得到各測點的地層電阻率值以及深度值，利用這些數據，采用GoldenSurfer軟件以及物探數據三維可視化系統(tǒng)對成果數據進行整理，繪制電阻率斷面圖瞬變電磁探測成果圖等圖件(圖3～5)。

根據前人經驗，將低于20 Ω·m的區(qū)域解釋為低阻異常區(qū)[16]。通過圖3(a)可以看到在淺層上出現相對低阻區(qū)域，但是和周圍巖石的電阻率值相差不大，推測為近期雨量較大造成部分地勢低洼區(qū)的積水結果。圖3(b)為測線2的視電阻率斷面圖，從斷面圖可以看出來明顯的低阻異常區(qū)域，推測埋深為200 m及以下存在采空區(qū)，并且賦水性較好。而從測點號為12及以后，電阻率值變化均勻，電阻率橫向變化不大，成層性較好，推斷此后煤層未采。

圖4為測區(qū)內布置的7條測線對應的視電阻率斷面圖，從各測線斷面圖可以看出來各層的成層性分布以及垂向上的變化。從斷面圖可以看出測線L3埋深小于180 m以內的淺層地區(qū)電阻率水平方向變化不大，垂向上電阻率漸變，符合基本的曲線變化情況，近地表出現低阻區(qū)(測點號為17)，該處地表地勢較低，推測為近期連續(xù)降雨積存所致、煤層沒有開采。埋深到了中深部出現了明顯的低阻異常，推測為采空區(qū)并且富水性較好。

(a)測線L1視電阻率斷面圖

(b)測線L2視電阻率斷面圖圖3 視電阻率斷面圖

圖4 三維瞬變電磁視電阻率斷面圖

從測線L4的斷面圖可以看出來淺層出現不規(guī)則的低阻區(qū)域，推測上部煤層已采，出現了采空區(qū)且富水性較測線1、2、3差。同時在地表低洼處(第8個測點)由于雨水的積存出現低阻情況。

測線5的視電阻率斷面圖可以反映出水平層狀的平緩變化。測線6、7在埋深150 m左右(測點號為3)出現了低阻異常區(qū)，推測為采空區(qū)富水性較好區(qū)域。測線8、9近地表出現低阻區(qū)，推測為雨水積存的原因。

圖5為測線3～9隨機選取的第4個測點下方的電測深曲線，垂向變化整體表現為“H”型，測線下方沒有出現相對值特低的低阻區(qū)域，推測該區(qū)煤層尚未開采。同時，也能看到，有些測點的曲線出現雜亂、無規(guī)律性，因為高壓線的原因，造成后期數據處理誤差偏大，這也是瞬變電磁法在野外施工過程中比較難處理的問題。

圖5 電測深曲線

3 結語

瞬變電磁法是一種快速探測異常體的勘探方法，根據瞬變電磁法的特點，選擇合理的工作參數，將其應用到地面探測煤礦采空區(qū)及其賦水情況，經濟、有效，特別是針對低阻異常體，反應十分明顯。對于瞬變電磁的多解性問題，可以結合地質、水文資料，能夠提高物探資料的可靠性。同時，人文干擾、工業(yè)頻率影響、時深轉換準確性等情況，對物探資料的解釋造成困難，導致解釋結果出現偏差。

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The Applied Research on Assignment to Water Bearing Property in Mined-out Area by Ground Transient Electromagnetic Method

CAO Jing，et al.

(SchoolofResourcesandCivilEngineering，SuZhouUniversity，SuzhouAnhui234000，China)

In order to study the response characteristics of ground transient electromagnetic method to detect mined-out area and the feasibility of the detection effect，according to the geophysical characteristics in the measured area and construction requirements，this paper uses TerraTEM transient electromagnetic instrument to detect the scope of mined-out and water bearing property in the mined-out area in Ganlin coal of Shandong coal mine industry.Based on the characteristics of the ground transient electromagnetic method which is quite sensitive to the response of the low resistivity body，and combined with the working parameters selected in the experiment，the location of the mined-out area and the water bearing capacity are identified more accurately.The experiment has proved that the ground transient electromagnetic method can effectively avoid the interference from underground space constraints，surrounding metal stents，and other factors in the construction process.As for the delineation and qualitative interpretation of low resistivity body position，ground transient electromagnetic method can be used as an effective means of detection.

ground transient electromagnetic；mined-out area；water bearing property

2017-04-14

宿州區(qū)域發(fā)展協(xié)同創(chuàng)新中心全國開放課題(2014SZXTKF08) 宿州學院科研平臺開放課題資助(2014YKF07) 宿州學院一般科研項目(2014yyb08)

曹靜(1987-)，女(漢)，山東濟寧，碩士 主要研究應用地球物理。

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.02.024

P631

A

1009-8984(2017)02-0100-04