瞬變電磁法在高壓線(xiàn)附近的采空區(qū)勘探中的應(yīng)用

王成龍 黃子瑩 劉志彬

(河北省水文工程地質(zhì)勘查院 石家莊 050021)

瞬變電磁法(TEM)儀器裝置類(lèi)型在采空區(qū)勘探時(shí)常用的主要有兩種：小功率的大線(xiàn)框工作裝置(以下簡(jiǎn)稱(chēng)大線(xiàn)框)、大功率的小線(xiàn)框裝置(以下簡(jiǎn)稱(chēng)小線(xiàn)框)。本文基于太行山上黨盆地西部某煤礦采空區(qū)勘探實(shí)例，選用瞬變電磁大線(xiàn)框和小線(xiàn)框工作裝置結(jié)合，將二者的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)互補(bǔ)，精確定位了異常體的位置與形態(tài)，達(dá)到了本次勘探的目的。

1 項(xiàng)目概況

勘探區(qū)為新的煤炭資源開(kāi)發(fā)區(qū)，位于太行山中段西側(cè)的上黨盆地西部，地勢(shì)較為平緩。根據(jù)周邊出露及鉆孔揭示，可知地層由老到新有奧陶系、石炭系本溪組與太原組、二疊系與第四系；設(shè)計(jì)主采太原組3#煤和15#煤，區(qū)內(nèi)已知2條斷層和3個(gè)陷落柱。

勘探區(qū)地表干擾主要外圍有1個(gè)變電站，且有110 kV高壓線(xiàn)穿過(guò)測(cè)區(qū)，所以本次施工主要干擾源來(lái)自高壓線(xiàn)。

本次勘探的地質(zhì)任務(wù)是基本查明3#煤及15#煤層的采空區(qū)及采空充水情況。

2 背景場(chǎng)分析

針對(duì)高壓線(xiàn)線(xiàn)狀干擾，收集背景場(chǎng)的信噪比尤為重要，本次選用瞬變電磁法兩種線(xiàn)框進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并針對(duì)高壓線(xiàn)干擾進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，對(duì)比分析兩種裝置類(lèi)型的抗干擾程度，主要分析高壓線(xiàn)附近的地質(zhì)體電性異常情況。采集后得出高壓線(xiàn)為中心的背景場(chǎng)如下表。

干擾噪聲調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

從表中可知，小線(xiàn)框背景場(chǎng)隨高壓線(xiàn)的距離衰減較快，說(shuō)明高壓線(xiàn)對(duì)小線(xiàn)框的背景場(chǎng)影響相對(duì)較小。

3 工作思路

測(cè)線(xiàn)布設(shè)原則為垂直高壓線(xiàn)走向方向布設(shè)測(cè)線(xiàn)。

由于大線(xiàn)框在沒(méi)干擾或干擾較弱的地區(qū)有較高的信噪比和較好的一致性等優(yōu)點(diǎn)，而小線(xiàn)框背景場(chǎng)隨干擾源的距離衰減較快，所以選用瞬變電磁大線(xiàn)框和小線(xiàn)框工作裝置相結(jié)合，即利用小線(xiàn)框?qū)Ω邏壕€(xiàn)兩側(cè)附近測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用大線(xiàn)框?qū)ζ溆鄿y(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。經(jīng)各自處理軟件獨(dú)立進(jìn)行解譯、反演、相關(guān)計(jì)算，對(duì)成圖數(shù)據(jù)按測(cè)點(diǎn)順序組合在一起，用Surfer軟件將組合后的數(shù)據(jù)生成電阻率剖面圖，圈定異常體的位置與形態(tài)。

4 工作參數(shù)

4.1 大線(xiàn)框

儀器采用美國(guó)ZONGE公司生產(chǎn)的GDP-32II多功能電法儀，工作裝置采用大定源框內(nèi)回線(xiàn)；發(fā)射邊框840 m×840 m ；接收裝置為探頭式(線(xiàn)圈等效面積10000 m2)；發(fā)射電流為26 A；發(fā)射頻率為4 Hz；疊加次數(shù)為128次。

4.2 小線(xiàn)框

儀器使用西安強(qiáng)源物探研究所生產(chǎn)的EMRS-3B型微機(jī)電磁勘探儀，工作裝置為重疊回線(xiàn)裝置；發(fā)射邊框?yàn)? m×3 m；接收邊框?yàn)? m×3 m(6匝)；疊加次數(shù)為16次；發(fā)射電流為1800 A。

5 資料處理

數(shù)據(jù)處理內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面。

5.1 基本處理

關(guān)斷時(shí)間校正，干擾的消除及背景值校正；曲線(xiàn)的圓滑。由于各類(lèi)干擾的影響，往往使實(shí)測(cè)V/1曲線(xiàn)尾枝出現(xiàn)波動(dòng)，為此必須對(duì)實(shí)測(cè)曲線(xiàn)進(jìn)行圓滑。

5.2 定性圖件繪制

由預(yù)處理的資料經(jīng)計(jì)算得到，利用計(jì)算機(jī)繪制各剖面，擬斷面等值線(xiàn)圖及平面圖，供解譯用。

5.3 半定量解釋法

其采用電導(dǎo)解釋法。

5.4 定量解釋法

包括正演模型的建立和反演計(jì)算。

5.5 數(shù)據(jù)組合

利用兩種線(xiàn)框裝置重疊觀(guān)測(cè)點(diǎn)計(jì)算出二者的二次場(chǎng)電壓及電阻率相關(guān)系數(shù)，利用相關(guān)系數(shù)將小線(xiàn)框電阻率重新計(jì)算，最后將二者的電阻率數(shù)據(jù)按測(cè)點(diǎn)順序組合在一起。

6 兩種線(xiàn)框成果對(duì)比分析

經(jīng)過(guò)各自的軟件的原始資料整理，數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，濾波(去偽存真)，反演成視電阻率斷面圖，分別得出兩種方法的各自的電性特征。

6.1 單點(diǎn)曲線(xiàn)的對(duì)比分析

下圖左側(cè)是小線(xiàn)框的單點(diǎn)曲線(xiàn)，右側(cè)是大線(xiàn)框的單點(diǎn)曲線(xiàn)，橫軸為測(cè)道數(shù)，縱軸為電壓(mV)。大線(xiàn)框受高壓線(xiàn)的影響大約為100 m，小線(xiàn)框受高壓線(xiàn)的影響范圍大約為40 m。在高壓線(xiàn)附近的同一測(cè)點(diǎn)處，小線(xiàn)框的曲線(xiàn)也相對(duì)圓滑，說(shuō)明小線(xiàn)框受干擾程度相對(duì)較小(圖1、圖2、圖3、圖4)。

圖1 位于高壓線(xiàn)正下方小線(xiàn)框與大線(xiàn)框單點(diǎn)曲線(xiàn)

圖2 位于高壓線(xiàn)外40 m小線(xiàn)框與大線(xiàn)框單點(diǎn)曲線(xiàn)

圖3 位于高壓線(xiàn)外80 m小線(xiàn)框與大線(xiàn)框單點(diǎn)曲線(xiàn)

圖4 位于高壓線(xiàn)外100 m小線(xiàn)框與大線(xiàn)框單點(diǎn)曲線(xiàn)

6.2 剖面對(duì)比分析

圖5 大線(xiàn)框采集數(shù)據(jù)反演剖面

圖5、圖6為2060線(xiàn)的斷面圖，110 kV高壓線(xiàn)位于1240點(diǎn)與1460點(diǎn)正上方，圖5為整條測(cè)線(xiàn)采用大線(xiàn)框采集的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后的反演剖面。圖6是采用小線(xiàn)框采集1140點(diǎn)至1560點(diǎn)數(shù)據(jù)，其余測(cè)點(diǎn)均采用大線(xiàn)框采集，分別將數(shù)據(jù)處理后進(jìn)行數(shù)據(jù)組合得到的反演剖面。從圖5與圖6可以看出：對(duì)于瞬變電磁法測(cè)量，無(wú)論大線(xiàn)框或是小線(xiàn)框采集的二次場(chǎng)信息均有高壓線(xiàn)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的干擾，但是干擾影響范圍和程度有所不同。從圖5中可以看出：高壓線(xiàn)影響水平范圍在1140點(diǎn)-1560點(diǎn)左右且影響深度范圍較大，從圖6中可以看出：高壓線(xiàn)影響水平范圍在1200點(diǎn)-1280點(diǎn)與1420點(diǎn)-1500點(diǎn)且影響深度范圍較小。

圖6 大、小線(xiàn)框組合數(shù)據(jù)反演剖面

經(jīng)鉆孔Z4驗(yàn)證，在物探圈定的異常區(qū)中心即在1480點(diǎn)處3#煤與15#煤之間存在采空充水。試驗(yàn)證明利用大、小線(xiàn)框采集數(shù)據(jù)，組合后成果可靠、準(zhǔn)確，取得了較理想的勘探效果，達(dá)到了勘探目的。

7 結(jié)論

基于上黨盆地西部某煤礦采空區(qū)勘查項(xiàng)目，本次試驗(yàn)選用瞬變電磁法大、小線(xiàn)框工作裝置組合法進(jìn)行采集數(shù)據(jù)，經(jīng)物探解譯分析并鉆探驗(yàn)證，達(dá)到了預(yù)期的勘探效果。通過(guò)成果的對(duì)比分析，說(shuō)明該組合方法有效。

高壓線(xiàn)對(duì)瞬變電磁法大、小線(xiàn)框工作裝置影響距離不同，一般對(duì)大線(xiàn)框影響距離較小線(xiàn)框遠(yuǎn)。

高壓線(xiàn)對(duì)瞬變電磁法大、小線(xiàn)框工作裝置影響深度不同，一般對(duì)大線(xiàn)框影響深度較小線(xiàn)框深。

對(duì)于有線(xiàn)性干擾(如高壓線(xiàn))的工區(qū)內(nèi)開(kāi)展瞬變電磁工作，利用大、小線(xiàn)框相結(jié)合的工作方法，可以取得相對(duì)理想的勘探效果。

[1]牛之璉編著,2007年12月第一版.時(shí)間域電磁法原理[M].中南大學(xué)出版社.

[2]霍全明,王玉海,羅國(guó)平,冷廣升著.1994年3月.瞬變電磁法在煤礦水害預(yù)測(cè)防治中的應(yīng)用[M].西北工業(yè)大學(xué)出版社.

[3]Spies B.R.1980.A field occurrence of sign reversals with the transient electromagnetic methods[J].Geophysical Prospecting,Vol.8,No.4.

[4]王潤(rùn)福,賈智鵬.2005.瞬變電磁法、激發(fā)極化法探測(cè)陷落柱及充水性的應(yīng)用研究.中國(guó)煤田地質(zhì).Vol.17,No.3.