瞬變電磁法在探測煤礦積水采空區(qū)中的應(yīng)用

■牛林峰

（華北水利水電大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院河南鄭州450045）

瞬變電磁法在探測煤礦積水采空區(qū)中的應(yīng)用

■牛林峰

（華北水利水電大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院河南鄭州450045）

探測煤礦采空區(qū)積水情況是煤礦生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的難題，而瞬變電磁法的自身特性適合于解決該問題。本文簡要介紹了瞬變電磁法的工作原理及優(yōu)勢(shì)、特點(diǎn)。論述了采空區(qū)的地電特性，特別是積水采空區(qū)的地電特性，適合利用瞬變電磁法勘探。將瞬變電磁法應(yīng)用于探測西北某煤礦采空區(qū)積水情況，取得了良好效果。

瞬變電磁法積水采空區(qū)地電特性

1　引言

煤礦開采生產(chǎn)中產(chǎn)生大量采空區(qū)，由于降雨、地下水轉(zhuǎn)移等原因造成部分采空區(qū)積水。采空區(qū)積水會(huì)對(duì)煤礦安全生產(chǎn)造成極大的威脅，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定。因此，有效地探測地下采空區(qū)積水情況，可以有針對(duì)性地做好探放水工作，從而避免盲目開采而導(dǎo)致的災(zāi)害性事故，防治水害發(fā)生，保證煤礦安全生產(chǎn)，提高礦井綜合效益，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定［1］。

2　瞬變電磁法原理

瞬變電磁法又稱時(shí)間域電磁法，簡稱TEM，屬于電磁感應(yīng)類探測方法，它遵循電磁感應(yīng)原理，其機(jī)理就是導(dǎo)電介質(zhì)在階躍變化的電磁場激發(fā)下而產(chǎn)生的渦流場效應(yīng)，即利用一個(gè)不接地的回線或磁偶極子（也可以用接地線源電偶極子）向地下發(fā)射脈沖電磁波作為激發(fā)場源（習(xí)慣上稱為“一次場”），根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，脈沖電磁波結(jié)束以后，大地或探測目標(biāo)體在激發(fā)場的作用下，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生感生的渦流，這種渦流有空間特性和時(shí)間特性。人們雖然不能直接測量這種渦流的大小，但是可以利用專門儀器觀測這種渦流產(chǎn)生的電磁場的強(qiáng)弱、空間分布特性和時(shí)間特性，“二次場”的本質(zhì)特征是由探測目標(biāo)的物理性質(zhì)及賦存狀態(tài)決定，其時(shí)間特性中，早期信號(hào)反映淺部地層地質(zhì)信息，晚期信號(hào)反映深部地層地質(zhì)信息，時(shí)間的早晚與探測深度的深淺具有對(duì)應(yīng)關(guān)系。一般來說，探測目標(biāo)的幾何規(guī)模越大、埋藏越淺、導(dǎo)電性越好則二次場的信號(hào)越強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間越長，反之，探測目標(biāo)的幾何規(guī)模越小、埋藏越深、導(dǎo)電性越差則二次場的信號(hào)越弱持續(xù)時(shí)間越短。通過觀測和研究“二次場”的空間分布特性和時(shí)間特性，可以推測解譯地層或地質(zhì)目標(biāo)體的幾何和物性特征。

3　瞬變電磁法的特點(diǎn)

瞬變電磁法和其它物探方法相比具有許多優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)：（1）該方法觀測和研究的是“二次場”即純異常場，不存在一次場背景干擾，有異于常規(guī)電法（如頻率域電磁法）觀測綜合場的工作方法，使異常簡化；（2）能夠穿透高阻覆蓋層，比傳導(dǎo)類電法探測優(yōu)越；（3）采用同點(diǎn)組合裝置（中心回線或重疊回線）進(jìn)行觀測，能與探測對(duì)象達(dá)到最佳耦合，取得較強(qiáng)的異常響應(yīng)。（4）對(duì)高阻圍巖中的低阻體反映敏感，有利于探測低阻地質(zhì)目標(biāo)體；（5）激發(fā)多次脈沖，應(yīng)用場的重復(fù)測量疊加和空間域擬地震的多次覆蓋技術(shù)，可以提高信噪比和觀測精度。（6）可自由選擇時(shí)間窗口進(jìn)行觀測，有效地壓制地質(zhì)噪聲，可獲得不同勘探深度的地質(zhì)信息。（7）地形影響小，測量簡單，工作效率高［5］。

4　采空區(qū)地球物理特征

煤層在地層中成層地分布在煤系地層中，煤層開采以后就形成了采空區(qū)，原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞。當(dāng)開采面積不大時(shí)，并且煤層頂板是塑型巖石并保存完好，由于殘留的煤柱較多，壓力主要有煤柱承擔(dān)，還不能引起地層塌落、變形；但多數(shù)采空區(qū)不能滿足以上要求，在重力和地層應(yīng)力作用下，頂板塌落，形成冒落帶、裂隙帶和彎曲帶，使得采空區(qū)及其上部地層的地球物理特征發(fā)生了顯著變化，主要表現(xiàn)為：（1）煤層采空區(qū)冒落帶與完整地層相比，巖性變得疏松、密實(shí)度降低，即單位體積內(nèi)介質(zhì)的密度降低，同時(shí)使得其導(dǎo)電性降低，在電性上表現(xiàn)為高阻異常。（2）煤層采空區(qū)裂隙帶與完整地層相比，巖性沒有發(fā)生明顯的變化，但由于裂隙帶內(nèi)巖石的裂隙發(fā)育，同時(shí)使得傳播于其中的導(dǎo)電性變差，巖石的電阻率明顯變大。

5　工程實(shí)例

西北某煤礦屬于地方小煤礦，于2005年關(guān)閉，該老窯采空區(qū)具體分布位置及其積水范圍不詳，由于煤礦受局部隔水層較薄和老窯采空區(qū)積水的影響，采掘工程和礦井安全受到老窯采空區(qū)水害的嚴(yán)重威脅，為防止水害事故的發(fā)生，應(yīng)用瞬變電磁法對(duì)原該煤礦井田范圍內(nèi)2號(hào)煤層積水采空區(qū)的分布情況進(jìn)行探查，為總體水文地質(zhì)勘探與防治水提供參考資料。

根據(jù)已知資料得知，井田內(nèi)中生界地層發(fā)育。北部地層出露很少，屬掩蓋區(qū)。南部沿河、溝、谷出露，屬半掩蓋區(qū)。由老至新有：三疊系，侏羅系，白堊系，新第三系及第四系地層。新第三系和第四系地層以粘土為主，電阻率大約為60Ω.m，電性特征為低電阻率。白堊系地層主要是泥巖，夾雜粘土。侏羅系為含煤層，煤層上部地層主要為泥巖，下部地層主要為砂巖，電阻率在70Ω.m到110Ω.m之間。三疊系地層以砂巖為主，電性特征為高電阻率。

6　結(jié)語

瞬變電磁法作為一種新興的地球物理勘探方法，在解決復(fù)雜地質(zhì)問題中具有其得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，特別是對(duì)于低阻體的探查，能有效地解決采空區(qū)積水問題，為總體水文地質(zhì)勘探與防治水提供參考資料。

由于探測所得到的電阻率是視電阻率，它是地質(zhì)體綜合作用的結(jié)果，勢(shì)必影響探測準(zhǔn)確度，因此在資料解釋處理中要結(jié)合水文地質(zhì)資料和已有的勘探經(jīng)驗(yàn)加以分析，以提高精確度。在地質(zhì)條件復(fù)雜的情況下，還要對(duì)地形的影響加以考慮，進(jìn)行地形校正。

在采集儀器設(shè)備不斷更新和數(shù)據(jù)處理技術(shù)日益進(jìn)步的情況下，瞬變電磁法將得到更加廣泛的應(yīng)用。

［1］王粵，龔育齡.瞬變電磁法在探測煤礦采空積水區(qū)中的應(yīng)用 ［J］.工程地球物理學(xué)報(bào)，2012，9（1）：51-52.

［2］蔣邦遠(yuǎn)，實(shí)用近區(qū)磁源瞬變電磁法勘探 ［M］.北京：地質(zhì)出版社，1998.

［3］牛之璉，時(shí)間域電磁法原理 ［M］.長沙：中南工業(yè)大學(xué)出版社，1992.

［4］李金銘、羅延鐘，電法勘探新進(jìn)展 ［M］.北京：地質(zhì)出版社，1995.

［5］張曉峰，瞬變電磁法探測煤田采空區(qū)的應(yīng)用研究 ［D］.西安：長安大學(xué)，2007.

［6］張開元，韓自豪，周韜．瞬變電磁法在探測煤礦采空區(qū)中的應(yīng)用 ［J］.工程地球物理學(xué)報(bào)，2007，4（4）：341-344.

P62［文獻(xiàn)碼］ B

1000-405X（2016）-8-352-1