瞬变电磁法在煤矿采空区以及采空区积水探测中的应用

２０１７年第５期　西部探矿工程　１３１　瞬变电磁法在煤矿采空区以及采空区积水探测中的应用　张落毅　，张　华　，杨　会１，２　（１．东华理工大学地球物理与测控技术学院，江西南昌３３００１３：　２．东华理工大学放射性地质与勘探技术国防重点学科实验室，江西抚州３４４０００）　摘要：瞬变电磁法是ｉｆ，１用不接地回线或电极向地下发送脉冲式一次电磁场，用线圈或接地电极观　测由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场的空间和时间分布，来解决有关地质问题的时　间域电磁法　”。针对山西某煤矿的采空区以及采空区积水范围问题，采用瞬变电磁法同一回线装置　进行探测，借助ｗｉｎｇｌｉｎｋ软件对采集数据进行处理得到视电阻率断面图。对采空区积水面积进行了　判定。结果表明瞬变电磁法在地表条件差的情况下具有很好的勘探精度以及深度，为今后煤矿采空　区探测工作提供一些借鉴经验。　关键词：瞬变电磁法；采空区；数据处理；数据解释　中图分类号：ＴＤ２６文献标识码：Ｂ文章编号：１００４—５７１６（２０１７）０５—０１３１—０４　１概述　流源。在导电率为　、导磁率为　的均匀各向同性大地　表面敷设面积为５的矩形发射回线在回线中供以阶跃　在２１世纪的中国，煤炭依旧是社会需要的重要能　源之一，但在煤炭的开采过程中产生了许多的采空积　水区，这些采空区是引起地质灾害的重要原因之一，给　人民的生活安全，煤炭开采的生产安全带来很大的隐　脉冲电流ｎ　。某时刻断开电流将会在大地中激发出感　应电流并产生磁场，这一感应电流和磁场将会迅速衰　患，严重影响当地的可持续发展和社会稳定，并且废弃　煤窑的采空区给地面的房屋建设、管道铺设等工作也　带来巨大安全隐患，因此采空区的探测工作就成了地　质勘探的重要任务［　。瞬变电磁法凭借其对低阻异常　体反应灵敏、方向性强、体积效应小、横向分辨率高、工　作效率高和成本低等优点，在探测隐伏含（导）水构造、　充水钻孑Ｌ、采空区积水等方面取得了很好的应用效果，　因此成为矿区采空区探测的首要方法　］。　２瞬变电磁法工作原理及方法　２．１工作原理　弱，又在其周围的地下介质中感应出新的强度更弱的　涡流如图ｌ所示，人们把这种涡旋电流称为“烟圈效　应”［　。　图１瞬变电磁场烟圈　瞬变电磁法（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｍｅｔｈｏｄ，简　称ＴＥＭ）是用不接地回线或接地导线通以脉冲电流作　为场源，向地下发射一次场，在一次场间歇期间观测二　次磁场随时间变化及相关剖面曲线特征，从而判断地　“烟圈”的半径ｒ、深度ｄ的表达式分别为：　、　（１）　下不均匀体的赋存位置、形态和电性特征　］。　瞬变电磁法的激励场源主要有２种，一种是回线形　式（或载流线圈）的磁源，另一种是接地电极形式的电　收稿日期：２０１６—０９—１７　＝４　．（２）　式中：　——发射线圈半径，ｆ２：　８—２＝０５４６４７９；　基金项目：本文受国家自然科学基金（４１３４０９７，４１６６４００６）和江西省自然科学基金项目（２０１５１ＢＡＢ２０３０４４）联合资助。　第一作者简介：张落毅（１９９０－），男（汉族），河南洛阳人，东华理工大学在读硕士研究生，研究方向：固体地球物理。　１３２　西部探矿工程　２０１７年第５期　ｚ——测道时间；　——带内岩石的裂隙发育，同时使得传播于指定范围内的　导电性变差，岩石的电阻率明显变大。　磁导率；　电导率。　——（３）煤层采空区充水与不充水采空区相比，充水采　在明显差异。　当发射线圈半径相对于“烟圈”半径很小时。可得　ｔａｎ０：　ｒ　空区在电性上表现为明显的低阻，与不充水采空区存　１．０７，０　４７。故“烟圈”将沿４７。倾斜锥面扩　由此可见，采空区的视电阻率明显区别于工作区　散，其向下传播的速度为：　内其他已知区的视电阻率，是电法勘探探测采空区以　ａ　（３）　从（１）－（３）式可以看出：地下感应涡流向下、向外　扩散的速度与大地导电率有关。导电性越好，扩散速　度越慢，这意味着在导电性较好的大地上，能在更长的　延时后观测到大地瞬变电磁场。　从“烟圈效应”的观点看，早期瞬变电磁场是由近　地表的感应电流产生的，反映浅部电性分布；晚期瞬变　电磁场主要是由深部的感应电流产生的，反映深部的　电性分布。因此，观测和研究大地瞬变电磁场随时间　的变化规律，可以探测大地电位的垂向变化，这便是瞬　变电磁测深的原理圈。　２．２工作方法　根据此次勘探的地质任务、深度要求、地表地形条　件等，因此，决定采用单一回线装置，频率：５０Ｈｚ，电压：　２４Ｖ，发射接收线圈：５ｍｘＳｍｘ１６，叠加次数：６４次。　３勘探区地球物理特征　电法勘探方法是以岩层的电性差异为勘查对象及　解释依据的，勘查目的层与围岩的电性差异大小、明显　与否直接影响勘查成果的精度，决定电法方法的可行　性。掌握各电性层与地层的对应关系，综合分析、对比　电性资料，以用于推断解释采空区是本次电法工作的　解释依据和理论基础。　煤层赋存于成层分布的煤系地层中，煤层被开采　后形成采空区，破坏了原有的应力平衡状态。当开采　面积较小时，且煤层顶板为塑型岩石并保存完整，由于　残留煤柱较多，压力转移到煤柱上，未引起地层塌落、　变形，采空区以充水或不充水的空洞形式保存下来；但　多数采空区在重力和地层应力作用下，顶板塌落，形成　冒落带、裂隙带和弯曲带　。这些地质因素的变化，使　得采空区及其上部的地球物理特征发生了显著变化，　主要表现为：　（１）煤层采空区冒落带与完整地层相比，岩性变得　疏松、密实度降低，在电性上表现为高于灰岩和煤层的　高阻异常。　（２）煤层采空区裂隙带与完整地层相比，由于裂隙　及采空区积水的前提条件。　４工程实例　４．１地质概况　本矿田地处山西某煤产地勘探区中心地带，矿田　内基岩出露较多，根据开采情况结合相邻矿区地质情　况，矿田内地层由老到新为：奥陶系中统上马家沟组　（ｏ　）：出露于矿田周围山梁及沟谷中其厚度大于１００ｍ；　石炭系中统本溪组（Ｃ。６）：平行不整合于奥陶系地层之　上，局部夹有煤线，本组地层厚度３６．１０４７１．９５ｍ，平均　５６．７８ｍ；石炭系上统太原组（Ｃ。　）：本组连续沉积于本溪　组地层之上，为本矿田内主要含煤地层之一，主要由浅　灰、灰、灰黑色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩，少量中　砂岩与薄层灰岩组成，为海陆交互相沉积，本组地层厚　度６８．７８～１０６．６６ｍ，平均８９．８９ｍ；二叠系下统山西组　（Ｐ　ｓ）：本组连续沉积于太原组地层之上，在该矿田内局　部赋存，是本矿田另一主要含煤地层。二叠系下统下　石盒子组（Ｐｌｘ）：本组以灰白色细砂岩（Ｋ｛）为基底，连续　沉积于下伏山西组地层之上，最大残留厚度为　２０．３８ｍ。第四系上更新统（　）：分布于山梁上，主要南　灰黄色亚砂土、亚粘土组成，沉积厚度不等，一般在０～　３２．０４ｍ之间，角度不整合于下伏基岩之上。第四系全　新统（Ｑ４）：分布于冲沟两侧及沟谷中，为冲洪积砂砾石　层及砂土，厚度Ｏ～５ｍ。　４．２成果解释　图２是测区内３２０号线视电阻率断面罔。横坐标　在图中表示测点，纵坐标为标高。剖面颜色从蓝色一　绿色一黄色一红色的渐变，代表了视电阻率由低到高　的变化过程。９　煤层、１０　煤层和１２　煤层底板界面的大　概位置在图中由３条黑色的粗实线表示。从纵向上看，　从浅到深其视电阻率整体基本呈现由高一低～高阻的　电性特征，符合地层的电性分布特征。同时局部区域　又高低交错，视电阻率变化复杂，说明该区域局部地层　连续性相对较差。图中９号煤底板等高线中视电阻率　相对值小于１２０Ｑ・ｒｎ的区域暂定为积水区，而将其视电　阻率相对值大于２４０Ｑ・ｍ且连通性较好的区域暂定为　心部探矿Ｉ　采空　；１０号煤底板等高线中视电阻率卡ｆｌ对值小丁　ｌ２００・ｎ１的　域暂定为积水区，而将其视电阻率干Ｈ对俩　大丁２５００・ＩＴＩ且连通性较好的区域暂定为采空　；ｌ２　阻率断面　．｝：，就表现为视电阻率等ｆｆ｛线向下Ｉｔｑ陷，发　生扭『Ｉｆ１变化，如果局部有高电阻则表现为视电阻率等　值线向　。从横向上看，在　２　ｒＩＩ．３２０号线视电　阻率断面　中１０２０￣１２２０号点之问，标高９８０ｍ左右视　号煤底板等高线巾视电阻率相对值小于１０００．『１１的　域暂定为积水　，而将其视电阻率相对值大丁３２５Ｑ．ｍ　ｒ｛．连通性较好的　域暂定为采窄区。９号煤层和１（）号　煤层存埘应此　域地段时存在不同程度的采　Ｉ）‘＝　０采　空积水Ｉ　层积水性较强时，视电阻率参数｝１ｆＩ线的　ｆ｝｛应段！Ｊ！ｌＪ会有局部低电阻不均匀体反映，反映到视电　电『５Ⅱ率ｔｔｔＩ线产生急剧变化，向上『ｆ１１　ｆｌ『Ｉ　Ｉ土呈岛阻反　映，视电阻率大于２４０Ｑ・ｍ以上，说【ｊ』ｊ此部位为采　积　反映，同时在１０６０￣１１２０号点之问，视电阻率ｌｆｆＩ线向下　凹陷，并日＋呈低阻反映，说明此部位积水性较强，为采　空积水　反映，９　煤层和ｌ０　煤层都经过此Ｉ　域，从ＩｆＩ可　图２测区３２０线视电阻率断面　以荇…【）　煤层和ｌ【】　煤层存在不同程度的积水Ｉ　、、　３为测　内９号煤层视电阻率顺煤层　片　ｆｆ１横　标为点　，也表示离起始点的距离，纵坐标为　线号，也代表离起始线号的距离，单位为ｋｍ，　ｆ｛｜红色一　化过程、警体上看，在整个井ｆＩ１范…Ｉ大】，视ＩＵ『５且牢变化　较大，高低相间，局部变化不均匀，　『１ｌ视电阻率俯大　致分为４个区段，分别是视电ｆｊ』ｌ牢ｆｆｆ小于ｌ２０Ｑ．Ｉ＂１１、　ｌ２（）～ｌ８（）ｃ２・１７１１、１８０￣２４００・ＩＴＩ、大于２４０Ｑ・ｎ１的　段　从　色一绿色～蓝包的过渡表示视电阻率由高到低的变　视电阻率切片　整体来看，在整个外Ⅲ范ｆ科内　电阻　图３测区９号煤层视电阻率顺煤层切片　１３４　西部探矿工程　２０１７年第５期　率值变化较不均匀，说明该深度地层有过破坏，而且较　为严重。　用　工程地球物理学报，２００７（８）．　【５］韩玉雪．瞬变电磁激发极化效应的利用『Ｊ］．工程地球物理学　报，２００６（５）．　结合该矿地质情况分析，９号煤层的直接顶板为泥　岩及其砂岩含水层，积水性一般，是采空区积水的主要　水源，此外顶板破碎带也有可能是采空区积水的来源，　由于老空区开采时间较长，故采空区内会出现不同程　［６】朱首峰，盛君．第四系覆盖区地质调查中的物探方法研究　ｌＪ１．江苏科技信息，２０１６（３）：７０—７５．　【７］薛国强，李貅，底青云．瞬变电磁法理论与应用研究进展【Ｊ】．　地球物理学进展，２００７，２２（４）：１１９５—１２００．　度的积水，在顺煤层视电阻率切片图上表现的视电阻　［８】刘志新．矿井瞬变电磁场分布规律与应用研究［Ｄ】．中国矿业　率值相对较小。结合煤顺煤层视电阻率切片图看，本　次探测圈定测区９号煤层视电阻率值大于２４０ｆ２・ＩＴＩ且　连通性较好的区域暂定为采空区，视电阻率值小于　１２０Ｑ．１ＴＩ且连通性较好的区域暂定为积水区域。　４．３地质成果　结合已知地质、水文资料，对本次瞬变电磁勘探资　料进行了综合处理、分析、解释，圈定了９号煤层采空区　范围和积水区的平面位置。并且在后期的工作中得到　了验证，说明了瞬变电磁法在采空区积水中的探测具　有很好的作用。　５结论　（１）本次工作采用单一回线瞬变电磁法装置，克服　了煤矿地区的复杂的地形地质条件，采集了高质量的　数据，掌握了矿区采空区以及采空区积水的面积分布。　（２）本次瞬变电磁勘探工作完成了承担的各项地　质任务，所取得的成果与有关资料对比基本一致，符合　本区水文地质情况。　（３）目前瞬变电磁法勘探仍存在一定局限性，并且　地球物理勘探本身都存在多解性，再加上勘探区的各　种干扰，地形高差较大，导致异常出现多解性，同时瞬　变电磁法存在一定的浅部盲区，使得此方法受到一定　的影响，应结合具体地质环境做进一步分析。　参考文献：　［１１倪良高，罗子付．矿井瞬变电磁法在煤矿防治水工作中的应　用【Ｊ］．能源技术与管理，２００７（１）：５４—５５．　【２］王粤，龚育龄．瞬变电磁法在探测煤矿采空积水区中的应用　『Ｊ１．工程地球物理学报，２０１２（１）：７ｌ一７４．　［３】杨建军，吴汉宁，冯兵．煤矿采空区探测效果研究『Ｊ１．煤田地质　与勘探，２００６，３４（１）．　【４】张开元，韩自豪，周韬．瞬变电磁法在探测煤矿采空区中的应　大学，２００８．　［９】刘君．瞬变电磁法在探测煤矿采空区中的应用　科技情报　开发与经济，２００５（１６）：２８１—２８３．　【ｌ０］牛之琏．脉冲瞬变电磁法及应用［Ｍ］．长沙：中南工业大学出　版社．１９９２．　Ｔｈｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｃｏａｌ　Ｍｉｎｅ　Ｇｏａｆ　ａｎｄ　Ｇｏａｆ　Ｗａｔｅｒ　ＺＨＡＮＧ　Ｌｕｏ　ｙｉ　一．ＺＨＡＮＧ　Ｈｕａ　一，ＹＡＮＧ　Ｈｕｉ　’　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏ—　ｇＹ，Ｅａｓｔ　Ｃｈｉｎａ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｆｏＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ，Ｊｉａｎｇｘｉ　３３００１３，　Ｃｈｉｎａ；２．Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｆｏＲａｄｉｏａｃｔｉｖｅ　Ｇｅｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｅａｓｔ　Ｃｈｉｎａ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｆｕｚｈｏｕ　Ｊｉａｎｇｘｉ　３４４０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉＳ　ｔｈｅ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｎｏｎ　ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｗｉｒｅ　ｏｒ　ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　ｔｏ　ｓｅｎｄ　ａｎ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｐｕｌｓｅｄ　ｅｌｅｃｔｒｏ－　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｆｉｅｌｄ，ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｆｉｅｌｄ　ｔｗｏ　ｔｉｍｅｓ　ｔｈｅ　ｓｐａｃｅ　ａｎｄ　ｔｉｍｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｉｌ　ｏｒ　ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　ｏｂｓｅｒｖｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｐｕｌｓｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｏｆ　ｅｄｄｙ　ｃｕｒｒｅｎｔ，ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｔｉｍｅ　ｄｏｍａｉｎ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔ—　ｉｃ　ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｓ　ａｉｍｅｄ　ａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗａｔｅｒ　ａｒｅａ　ｉｎ　ａ　Ｓｈａｎｘｉ　ｃｏａｌ　ｍｉｎｅ，ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗｉｔｈ　ａ　ｌｏｏｐ　ｄｅｖｉｃｅ　ｆｏｒ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｂｙ　ｍｅａｎｓ　ｏｆ　ｄａｔａ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　Ｗｉｎｇ－　ｌｉｎｋ　ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ　ａｐｐａｒｅｎｔ　ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ　ｐｒｏｆｉｌｅ　ｏｆ　ｇｏａｆ　ｗａｔｅｒ　ａｒｅａ　ｗａｓ　ｅｖａｌｕａｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｍｅｔｈｏｄ　ｈａｓ　ｇｏｏｄ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ａｎｄ　ｄｅｐｔｈ　ｏｆ　ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｏｆ　ｐｏｏｒ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｏ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｓｏｍｅ　ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ，ｆｏｒ　ｈｔｅ　ｆｕｔｕｒｅ　ｃｏａｌ　ｍｉｎｅ　ｇｏａｆ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｗｏｒｋ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｍｅｔｈｏｄ；ｍｉｎｅｄ　ｏｕｔ　ａｒｅａ；　ｄａｔａ　ｈａｎｄｌｉｎｇ；ｄａｔａ　ｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎ