馮春孝，婁佰信

（河南省地球物理空間信息研究院，河南鄭州 450009）

1 概況

2021 年7 月份以來，鄭州地區(qū)頻繁出現(xiàn)降雨等極端天氣，雙鑫煤礦井下涌水量及水文地質(zhì)條件已發(fā)生明顯變化，為探明勘探范圍內(nèi)二1 煤層老窯采空積水區(qū)分布情況，確保復(fù)工復(fù)產(chǎn)礦井安全，在勘探區(qū)內(nèi)開展物探工作。

常用于低阻體勘探的電磁法主要有廣域電磁法測(cè)深（WFEM）、大地電磁測(cè)深（MT）、音頻大地電磁測(cè)深（AMT）、可控源音頻大地電磁測(cè)深（CSAMT）、瞬變電磁測(cè)深（TEM）、高密度電阻率法等勘探方法，其中WFEM、MT、AMT 及CSAMT主要用于尋找大深度地質(zhì)異常體，雙鑫煤礦老窯采空區(qū)約150 m 以淺，埋深相對(duì)較淺，不適合選用上述方法；TEM 和高密度電阻率法對(duì)埋深較淺低阻異常體都具有較好的勘探效果，但高密度電阻率法受施工場(chǎng)地條件影響較大，且其勘探深度與布設(shè)的電極長(zhǎng)度有很大關(guān)系，勘探區(qū)內(nèi)有多處村莊，布設(shè)不便，因此不適合使用。與TEM 對(duì)低阻異常體具有較好的識(shí)別作用，其靈敏度、信噪比、縱向分辨率高抗干擾能力較強(qiáng)，純二次場(chǎng)觀測(cè)以及對(duì)低阻體敏感，幾乎不受場(chǎng)地條件的限制，工作效率高，尤其在周圍巖體電阻率電性差異較大時(shí)成圖效果更優(yōu)良，是探測(cè)巖溶、采空區(qū)、活動(dòng)斷層、低阻異常體的有效手段。綜合對(duì)比各種方法優(yōu)缺點(diǎn)，此次勘探采用TEM 作為此次勘探的技術(shù)手段。

2 地質(zhì)及地球物理特征

區(qū)內(nèi)基巖為第四系黃土覆蓋，地層從老到新有奧陶系中統(tǒng)馬家溝組（O2m）、石炭系上統(tǒng)本溪組（C2b）、太原組（C2）、二疊系下統(tǒng)山西組（P1s）、下石盒子組（P1x） 及第四系（Q）。

利用電法勘探解決地質(zhì)問題的前提條件是目標(biāo)地質(zhì)體和圍巖存在電性差異，理論上講，干燥的巖石的電阻率為無窮大，但實(shí)際上巖石孔隙、裂隙總是含水的，并且隨著巖石的濕度或者含水飽和度的增加，電阻率急劇下降。當(dāng)?shù)叵旅簩颖婚_采后，在地下巖體中形成一定的空間，在重力作用下，采空區(qū)上方的巖層由于失去支撐而產(chǎn)生斷裂，造成采區(qū)上覆巖體不同劇烈程度的破壞和移動(dòng)，破壞了天然巖體的結(jié)構(gòu)而出現(xiàn)大量的空隙、裂隙，當(dāng)采空區(qū)的孔隙被水或泥質(zhì)充填后，其電阻率呈現(xiàn)低阻現(xiàn)象，該區(qū)域的巖體電阻率低于周圍相對(duì)完整巖層的電阻率。區(qū)域邊緣，由于巖體移動(dòng)程度低和裂隙數(shù)量少，電阻率的差異相對(duì)不大，在電阻率等值線圖上呈現(xiàn)層狀延伸。各沉積地層物性統(tǒng)計(jì)見表1，勘探區(qū)內(nèi)地層之間存在明顯的電性差異，具備開展物探工作的地球物理?xiàng)l件。

表1 各沉積地層物性統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistical table of physical properties of each sedimentary strata

3 TEM 勘探原理

瞬變電磁法是一種時(shí)間域的人工源地球物理探測(cè)方法，基本原理是測(cè)量脈沖源所感生的隨時(shí)間變化的二次場(chǎng)。

這些變化的二次場(chǎng)是脈沖源所感生的渦流場(chǎng)在地下擴(kuò)散過程中地電介質(zhì)的電磁散射場(chǎng)，包含了豐富的地電信息，通過對(duì)這些信息的提取和解釋，達(dá)到探測(cè)地下電性介質(zhì)的目的，其工作原理如圖1、圖2 所示。

圖2 瞬變電磁觀測(cè)原理Fig.2 Transient electromagnetic observation principle diagram

4 測(cè)線布設(shè)及試驗(yàn)

4.1 測(cè)線布設(shè)

圖3 為勘探區(qū)工程布置圖，此次瞬變電磁勘探共布設(shè)測(cè)線30 條，線距40 m，點(diǎn)距20 m，測(cè)線方向呈東北西南向。

圖3 工程布置Fig.3 Engineering layout

4.2 試 驗(yàn)

為選取適合勘探區(qū)的施工參數(shù)，在已知鉆孔附近開展試驗(yàn)工作，主要試驗(yàn)發(fā)射線圈（Tx） 大小、頻率、發(fā)射電流、積分時(shí)間、增益及高壓線干擾等施工參數(shù)。

4.2.1 噪聲調(diào)查

對(duì)于瞬變電磁法而言，電磁噪聲不能被有效壓制既影響數(shù)據(jù)的觀測(cè)精度，又會(huì)降低數(shù)據(jù)質(zhì)量，關(guān)系到發(fā)射磁矩大小和發(fā)射頻率的選擇，噪聲水平調(diào)查是必須進(jìn)行的工作之一。其方法是接收機(jī)空采，記錄環(huán)境噪聲。

圖4 為噪聲-延時(shí)分布圖。從圖中可以看出，噪聲水平在1 nT/s 上下，晚期道數(shù)據(jù)若進(jìn)入噪聲水平范圍內(nèi)則棄而不用。

圖4 噪聲水平Fig.4 Noise level

4.2.2 頻率

根據(jù)測(cè)區(qū)勘探深度要求及干擾情況，對(duì)5 Hz和25 Hz 兩個(gè)頻率進(jìn)行對(duì)比。視深度的估算公式如下：

式中：H 為勘探深度，m；t 為取樣道時(shí)間，ms；ρa(bǔ)為取樣道時(shí)間t 時(shí)的視電阻率，Ω·m。

5 Hz 與25 Hz 衰減曲線比較如圖5 所示。

圖5 頻率對(duì)比曲線Fig.5 Frequency comparison curve

2 個(gè)頻率觀測(cè)值除早、晚期道有差異外，中期道的觀測(cè)值基本一致。早期道的差異是關(guān)斷時(shí)間不同引起的。25 Hz 晚期道數(shù)據(jù)均處于噪聲水平之上，5 Hz 晚期道數(shù)據(jù)尾部位于噪聲水平內(nèi)，抗干擾能力弱。

通過視深度公式計(jì)算，25 Hz 勘探深度約為350 m，能夠達(dá)到勘探深度要求。綜上所述，此次勘探選擇25 Hz 作為本工區(qū)的工作頻率。

4.2.3 供電電流

電流的大小同樣影響著勘探深度，電流太小相同線框發(fā)射磁矩小，壓制干擾能力弱，致使晚期道過早的進(jìn)入噪聲水平；電流過大，關(guān)斷時(shí)間較長(zhǎng)，減少淺部信息。電流大小對(duì)比曲線如圖6 所示，本區(qū)噪聲約為1 nT/s，相同線框大小情況下，發(fā)射電流為16 A 時(shí)，對(duì)干擾的壓制能力強(qiáng)，為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，達(dá)到勘探目的層深度，選取不小于16 A 的發(fā)射電流以達(dá)到抑制噪聲的效果。

圖6 電流大小對(duì)比曲線Fig.6 Comparison curve of current magnitude

4.2.4 增益

在同一位置，增益分別采用20、22、24進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，采集時(shí)間為120 s，頻率25 Hz，觀測(cè)對(duì)比結(jié)果如圖7 所示。

圖7 增益對(duì)比曲線Fig.7 Comparison curve of increment

在試驗(yàn)過程中，調(diào)整磁道增益（22～24），觀察采集界面中的信號(hào)范圍（峰- 峰值），通過對(duì)比分析，增益為22和24時(shí)，所采集的數(shù)據(jù)曲線基本重合，選擇22即可保證早期道數(shù)據(jù)不溢出、晚期數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)不進(jìn)入噪聲水平，保證數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性。

4.2.5 積分時(shí)間

從理論上講，多次疊加對(duì)消除人為干擾效果好，圖8 是不同積分時(shí)間下的數(shù)據(jù)，60、80、120 s 三種積分時(shí)間衰減曲線完全重合，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好。為保證施工效率，選取不低于60 s 作為此次施工的積分時(shí)間，在遇到干擾較大時(shí)，延長(zhǎng)積分時(shí)間，增大疊加次數(shù)，保障數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。

圖8 積分時(shí)間對(duì)比曲線Fig.8 Comparison curve of integral time

4.2.6 發(fā)射線框

圖9 是發(fā)射線框分別為400 m×400 m 和340 m×340 m 的感應(yīng)電壓衰減曲線及晚期視電阻率曲線。兩種發(fā)射線框數(shù)據(jù)均很穩(wěn)定，晚期道數(shù)據(jù)基本重合，兼顧施工效率，選擇400 m×400 m，作為本工區(qū)施工發(fā)射線框。

圖9 發(fā)射線框大小對(duì)比曲線Fig.9 Comparison curve of emission wireframe size

4.2.7 高壓線影響范圍

圖10 為距離高壓線路0 ～60 m 的測(cè)點(diǎn)曲線。如圖所示，高壓線正下方早期3 道數(shù)據(jù)受到干擾；距高壓線20 m，早期2 道數(shù)據(jù)受到干擾；距高壓線40 m，早期1 道數(shù)據(jù)受到干擾；距高壓線60 m，數(shù)據(jù)正常。據(jù)相關(guān)規(guī)范，可判定高壓線對(duì)數(shù)據(jù)的影響范圍為高壓線下左右40 m。

圖10 高壓線試驗(yàn)Fig.10 High voltage line test

5 成果解析

經(jīng)數(shù)據(jù)處理分析，結(jié)合地質(zhì)任務(wù)，選定了此次勘探的工作參數(shù)，發(fā)射線框大小為400 m×400 m，頻率為25 Hz，電流不低于16 A，積分時(shí)間不低于60 s，增益22。

5.1 反演電阻率斷面圖解析

圖11 為1040 線電阻率斷面圖，位于工作區(qū)最西北部。橫軸為測(cè)點(diǎn)點(diǎn)號(hào)，縱軸為海拔高程，細(xì)虛線為地表高程線，實(shí)線為二1 煤。從圖中可以看出，電阻率等值線整體變化特征為從淺到深其電阻率基本呈現(xiàn)由低阻到高阻的電性變化特征，符合沉積地層電阻率變化特征。圖中點(diǎn)號(hào)1420～1600、1660～1740（圖中虛線圈定區(qū)域），二1 煤層附近存在明顯的電阻率向下凹陷，呈現(xiàn)低阻異常，推測(cè)為含水層富水導(dǎo)致的低阻異常區(qū)。其中1420～1600點(diǎn)電阻率較低，推測(cè)為強(qiáng)富水區(qū)域；1660～1740點(diǎn)電阻率相對(duì)較低，推測(cè)為弱富水區(qū)域。

圖11 1040 線電阻率斷面圖Fig.11 Resistivity section diagram of No.1040 line

圖12 為1720 線電阻率斷面圖，位于工作區(qū)中東部。橫軸為測(cè)點(diǎn)點(diǎn)號(hào)，縱軸為海拔高程，細(xì)虛線為地表高程線，實(shí)線為二1 煤。從圖中可以看出，電阻率等值線整體變化特征為從淺到深其電阻率基本呈現(xiàn)由低阻到高阻的電性變化特征，符合沉積地層電阻率變化特征。圖中點(diǎn)號(hào)1100～1220（圖中虛線圈定區(qū)域），二1 煤層附近存在明顯的電阻率向下凹陷，呈現(xiàn)低阻異常，根據(jù)礦方提供的采掘情況，1160～1260 點(diǎn)為原米村煤礦采空區(qū)位置，推測(cè)該處異常為煤礦采空后頂板塌落后上部水源通過采動(dòng)裂隙滲入巷道所致，其電阻率相對(duì)較低，推測(cè)為低阻異常區(qū)域；1280～1460 點(diǎn)電阻率呈現(xiàn)相對(duì)高阻，根據(jù)采掘情況推測(cè)此處應(yīng)為保護(hù)煤柱及采掘巷道的綜合地電反應(yīng)；圖中點(diǎn)號(hào)1480～1560（圖中虛線圈定區(qū)域），二1 煤層附近存在明顯的電阻率向下凹陷，呈現(xiàn)相對(duì)中阻，該處數(shù)據(jù)受電磁干擾，根據(jù)采掘情況可知，該處為煤礦老舊采空區(qū)；圖中1600～1620 點(diǎn)電阻率呈現(xiàn)相對(duì)高阻，推測(cè)此處煤層未經(jīng)開采。

圖12 1720 線電阻率斷面圖Fig.12 Resistivity section diagram of No.1720 line

圖13 為2080 線電阻率斷面圖，位于工作區(qū)最東南部。橫軸為測(cè)點(diǎn)點(diǎn)號(hào)，縱軸為海拔高程，細(xì)虛線為地表高程線，實(shí)線為二1 煤。從圖中可以看出，電阻率等值線整體變化特征為從淺到深其電阻率基本呈現(xiàn)由低阻到高阻的電性變化特征，符合沉積地層電阻率變化特征。圖中1100～1140 號(hào)點(diǎn)電阻率曲線煤層附近電阻率呈相對(duì)高阻現(xiàn)象，為該處煤層未經(jīng)采動(dòng)的地電反應(yīng)；1240～1380（圖中虛線圈定區(qū)域） 號(hào)點(diǎn)，二1 煤層附近存在明顯的電阻率向下凹陷，呈現(xiàn)低阻異常，根據(jù)采掘情況可知，1160～1220 點(diǎn)、1260～1380 點(diǎn)為已知采空區(qū)位置，推測(cè)該處低阻異常區(qū)為煤層采動(dòng)后，上部水源通過采動(dòng)裂隙進(jìn)入老舊采空區(qū)，其電阻率較低，推測(cè)為采空積水區(qū)域。

圖13 2080 線電阻率斷面圖Fig.13 Resistivity section diagram of No.2080 line

5.2 反演電阻率斷面圖解析

如圖14 所示為煤層順層切片圖，根據(jù)反演電阻率等值線圖推測(cè)存在5 出低阻異常區(qū)域。其中B1、B5 低阻異常區(qū)域反演電阻率相對(duì)較低，上述區(qū)域地表為塌陷坑塘，坑塘內(nèi)有大量地表水，推測(cè)此處地表水通過塌陷裂隙進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)，為采空區(qū)積水區(qū)域；B2、B3、B4 低阻異常區(qū)域反演電阻率相對(duì)較高，推測(cè)此處為弱水異常區(qū)。

圖14 煤層順層切片F(xiàn)ig.14 Coal seam bedding slice diagram

6 成果驗(yàn)證

礦方根據(jù)勘探結(jié)果在2080 線1320 點(diǎn)開展鉆探驗(yàn)證工作，如圖15 所示。經(jīng)驗(yàn)證，煤礦采空區(qū)內(nèi)含有大量積水。

圖15 勘探成果驗(yàn)證孔Fig.15 Exploration results verification hole

7 結(jié)語

此次瞬變電磁勘探，共發(fā)現(xiàn)雙鑫煤礦勘探區(qū)內(nèi)采空積水區(qū)2 處，低阻異常區(qū)3 處，經(jīng)鉆探驗(yàn)證勘探成果真實(shí)可靠。煤層采空積水后，采空區(qū)呈低阻的電性特征，利用瞬變電磁法尋找低阻異常體從而尋找煤礦采空區(qū)及采空積水區(qū)有很好的勘探效果，表明瞬變電磁法可以在其他類似領(lǐng)域?qū)ふ业叵滤Y源問題提供參考。