張文武

（山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)大隊，山東 濟(jì)寧 272100）

在煤炭采空區(qū)中，積水會引發(fā)一些水害事故，不僅影響到煤礦的正常生產(chǎn)，還影響了人們的生命安全。所以要能夠及時的對采空區(qū)中的積水進(jìn)行探測，并進(jìn)行去除，保證煤礦安全生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

1 瞬變電磁法的基本原理

瞬變電磁法是利用一些電子設(shè)備向地下發(fā)送一次場信號，然后在一次場的間歇期間利用回線檢測出二次渦流場的方法。瞬變電磁法的基本工作方式是在地面或者井下鋪設(shè)一些具有波形電流的發(fā)射線圈，這樣在線圈的周圍就會產(chǎn)生一些磁場，地下存在的一些導(dǎo)電的巖石在磁場的作用下就會產(chǎn)生感應(yīng)電流。把發(fā)射線圈斷電以后，感應(yīng)產(chǎn)生的電流由于熱損耗的作用就會逐漸的減小。其減少過程一般分為早中晚三個時期。在衰減早期，其電磁場類似于頻率域中的高頻成分，所以衰減的比較快；而衰減的晚期則與早期正好相反，其類似于低頻成分，衰減的比較慢。在對發(fā)射線圈進(jìn)行斷電之后，不同時間段的二次場隨著時間的變化呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，這樣通過測量就能獲取到不同深度下的地電特征。在進(jìn)行檢測二次場的時候，一次場已經(jīng)斷電了，所以在進(jìn)行探測的時候就避免了一次場中耦合噪聲的影響。因此瞬變電磁法的優(yōu)點比較多，比如分辨率高、能產(chǎn)生最佳耦合、受環(huán)境的影響小、體積效應(yīng)小等。

2 采空區(qū)的地球物理特征

在煤礦中，當(dāng)開采完煤層之后，就會在地底下形成一些空間，形成采空區(qū)。隨著重力的不斷作用，采空區(qū)的上層就會發(fā)生坍塌現(xiàn)象，煤層上的覆蓋層就會發(fā)生變化，產(chǎn)生巖移現(xiàn)象。這樣就破壞了原來巖石層的完整，在巖石之間就會產(chǎn)生大量的空隙，這些縫隙使得此處巖石的電阻率就會高于原本完好的巖層的電阻率，這種電阻差距之間有時候是明顯的，有時候是不明顯的。明顯的時候就會呈現(xiàn)出比較高的高阻特性，不明顯的時候就會發(fā)生視電阻等值線的波動。但是由于地殼的不斷運動，這些空隙還會被一些水或者土所填滿，這樣電阻率就比完整的巖層的電阻率要小，呈現(xiàn)出低阻特性來，這樣我們就可以根據(jù)瞬變電磁法探測出采空區(qū)的積水邊界。

3 瞬變電磁法中的成像技術(shù)

從瞬變電磁法的工作原理中可以得知，所接收到的感應(yīng)電動勢衰減曲線能夠很好的說明接收線圈在垂直方向的矢量方向的衰減情況，并且所有的低阻值的巖石在地層中都是連接在一起的。所有在觀察異常區(qū)域的情況時，無法清晰的得知異常區(qū)的變化詳情，這樣也就不能對瞬變數(shù)據(jù)的結(jié)果進(jìn)行分析，這樣也就無法得知采空區(qū)和積水區(qū)的范圍，也就無法使煤礦進(jìn)行順利的安全生產(chǎn)工作。本文將對異常區(qū)范圍的確定做出詳細(xì)的描述，利用的東西是原始數(shù)據(jù)。

雖然使用不同的瞬變電磁裝置會有不同的參數(shù)，但是在進(jìn)行探測的過程中其流程是大同小異的。一般根據(jù)探測出來的瞬變數(shù)據(jù)進(jìn)行采空區(qū)和積水邊界的確定時主要的步驟有：資料的收集、視電阻率的換算和及時深轉(zhuǎn)換、反演二維數(shù)據(jù)、后期處理、最后確定異常區(qū)。

（1）探測前的資料收集。相關(guān)的人員對于探測區(qū)域的地質(zhì)資料進(jìn)行收集，能夠獲得探測區(qū)域的地層分布情況以及可能存在異常的地層的地球物理特性。

（2）視電阻率的換算和及時深轉(zhuǎn)換。通過探測出來的電位衰減時間的相應(yīng)曲線，將其轉(zhuǎn)換為視電阻率的時間曲線，還要對視電阻率進(jìn)行相應(yīng)的時深轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換的同時要能夠根據(jù)相關(guān)的地質(zhì)資料對深度進(jìn)行標(biāo)定。

（3）二維數(shù)據(jù)的反演。相關(guān)人員通過計算機軟件中的反演算法，將探測出來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為能夠進(jìn)行繪制的幾何圖案，將其顯示在電腦上。

（4）后期處理。將數(shù)據(jù)變成圖形之后，還要對形成的二維圖形進(jìn)行著色、切片等操作，這些圖像資料可供瞬變數(shù)據(jù)的后期解釋。接下來就是制作一些相關(guān)的圖件，比如斷面圖、順煤層切片圖等，將這些圖件與鉆孔資料上面的地層進(jìn)行對比，分析兩者之間存在的共同點，來確定待檢測的地層在斷面圖中的具體位置。

（5）采空區(qū)以及積水邊界的圈定。從斷面圖和切片圖中來劃分出各地區(qū)的視電阻率異常的地方，還要參考水文地質(zhì)資料，對這些異常區(qū)的富水性進(jìn)行分析與評價，從而分析出地質(zhì)結(jié)論，這樣就能夠確定煤礦的采空區(qū)以及積水邊界的范圍。

4 瞬變電磁法的實例應(yīng)用

（1）地質(zhì)概況。根據(jù)某煤礦的地表情況以及一些鉆孔資料，能夠得出煤礦中的不同地層，分別有馬家溝組、太原組、山西組、石盒子組等，其中含有煤的地層主要有太原組以及山西組。此煤礦的總體為單斜構(gòu)造，地層的主要走向是NE。

（2）參數(shù)的選擇。本次探測選擇的是來自澳大利亞的TEM-3型瞬變電磁儀，其技術(shù)水平比較的先進(jìn)，相對于其它的一些瞬變電磁儀，有著自己的優(yōu)點，比如能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)控、自動化程度比較高等。這種瞬變電磁儀在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的時候一般由微機進(jìn)行控制，能夠自動的對數(shù)據(jù)做好記錄工作，并能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行回放。在經(jīng)過實際的勘察之后，進(jìn)行探測的工作裝置選擇好回線裝置、發(fā)射的頻率、發(fā)射電壓等。并且確定好觀測時間。

（3）資料的處理。在野外探測中，瞬變電磁法記錄的是發(fā)射框中瞬態(tài)變化的電流在地層中產(chǎn)生的電磁場，而進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的時候，就要根據(jù)這種瞬變磁場來計算地層中的物質(zhì)的視電阻率。使用科學(xué)的方法對探測中的視電阻率進(jìn)行精確地計算，并且要校正好關(guān)斷時間。根據(jù)相關(guān)的實踐表明，全程的視電阻率與早期、晚期的數(shù)值具有比較高的精準(zhǔn)度和分辨率。在實際的探測過程中，如果對于探測結(jié)果的精度要求比較高，那么就要使用全程精確的方式。

（4）資料解釋。瞬變電磁探測的目的就要確定積水邊界，所以要觀察所測數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，并且根據(jù)已經(jīng)知道的資料，進(jìn)行從簡單到復(fù)雜的綜合分析。通常情況下，瞬變電磁資料的處理和解釋都是同步開始的，這兩者之間存在著一種從實際中獲得理論認(rèn)知的提高。對于瞬變電磁資料的解釋，就是根據(jù)某一個點的數(shù)據(jù)和這整條側(cè)線的視電阻率等值線斷面圖，來分析出采空區(qū)的積水邊界。在對采空區(qū)的積水情況進(jìn)行解釋的時候，不僅要能夠根據(jù)斷面圖進(jìn)行分析，還要根據(jù)單點的數(shù)據(jù)和單支衰減曲線進(jìn)行總體的分析。要獲取相關(guān)的鉆孔資料，來確定所探測地層的瞬變電磁采樣道，然后對不同地層的視電阻率平面圖進(jìn)行繪制，兩者進(jìn)行結(jié)合來分析出采空區(qū)積水邊界的大致范圍。然后再根據(jù)相關(guān)的資料，對每個測點進(jìn)行分析解釋，使積水邊界的范圍更加的準(zhǔn)確。

能夠影響電性變化的一個主要原因就是采空區(qū)中的積水，所以要能夠根據(jù)視電阻率的變化來判斷采空區(qū)的積水性。當(dāng)某個地區(qū)的視電阻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于周圍地層的視電阻率，就可以得知此地的積水性比較強。雖然有些采空區(qū)沒有積水，但是其周圍的空隙比較大，還存在著一些比較疏松的構(gòu)造角礫巖，這種地區(qū)的導(dǎo)水性能比較好，這樣也能出現(xiàn)低阻異常的現(xiàn)象。相反的，在采空區(qū)的一些地區(qū)沒有積水，就會表現(xiàn)出高阻異常來。

（5）解釋的結(jié)果。在進(jìn)行瞬變電磁探測的時候，確定了相關(guān)地層中存在著一定范圍的采空區(qū)，并且確定了積水邊界，這樣就能夠保證煤礦安全生產(chǎn)的順利進(jìn)行。在測線視電阻率斷面圖上，橫軸代表著點號，縱軸代表著標(biāo)高，上等值線代表視電阻值率的數(shù)值。我們通過其中兩條比較代表性的視電阻值率剖面進(jìn)行解釋。在第一個視電阻率斷面圖當(dāng)中，我們能夠觀察到不同煤層的大概位置。以縱向的角度來看，視電阻率從低到高呈現(xiàn)出一種高阻到低阻再到高阻的電性特征，這種情況與地層的電性分布情況也比較的符合。在這個地區(qū)的部分區(qū)域呈現(xiàn)出高低不平的情況，視電阻率的變化也比較多，能夠表明在這個地區(qū)內(nèi)部分地層的連續(xù)性比較差。在第二個圖中，積水區(qū)的區(qū)域視電阻值率一般都比較小，而采空區(qū)的視電阻值率一般比較大，并且還不時的有低阻出現(xiàn)，連通性比較好。根據(jù)煤層的不同，對于積水區(qū)和采空區(qū)的劃分范圍也不一樣，都要根據(jù)視電阻率的實際數(shù)值進(jìn)行劃分。在同一區(qū)域的不同地層當(dāng)中，都存在著一些積水區(qū)和采空區(qū)。如果巖層的積水性比較強，那么在視電阻率的曲線圖當(dāng)中在一些特定的線段內(nèi)都會呈現(xiàn)出局部的低阻異常，并且在視電阻率斷面圖上，其等值線是向下凹陷的，使等值線不夠線性，這樣就會形成一個比較封閉的低阻區(qū)域。從橫向的角度來看，能夠觀察出不同號點對應(yīng)的標(biāo)高位置，其視電阻率等值曲線發(fā)生比較大的波動。并且也向下凹陷，呈現(xiàn)出低阻反應(yīng)，那么也就反映出此地區(qū)的積水性比較強。

5 結(jié)語

綜上所述，在運用瞬變電磁法對煤礦采空區(qū)的積水邊界進(jìn)行探測的時候，要根據(jù)實際情況選擇合適的裝置參數(shù)進(jìn)行探測工作，并且利用視電阻率的斷面圖來進(jìn)行分析，從而得出采空區(qū)以及積水邊界的情況。