瞬變電磁法在采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用

亓 吉 華

(山西省地質(zhì)勘查局二一三地質(zhì)隊(duì),山西 臨汾 041000)

0 引言

瞬變電磁法是一種全新的地球物理勘探方法，該方法以巖石導(dǎo)電性差異(電阻率大小)為應(yīng)用前提，屬時(shí)間域電磁感應(yīng)。煤系地層最明顯的特點(diǎn)是在豎直方向上層狀分布而在水平方向上相對(duì)均一。當(dāng)存在巖溶洞穴、煤礦采空區(qū)、斷層或裂隙帶等局部異常體時(shí)，如果異常體充水，在瞬變場(chǎng)和直流電探測(cè)資料上呈現(xiàn)低視電阻率異常反應(yīng)；如果局部異常體不充水，則表現(xiàn)為高視電阻率異常反應(yīng)。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，電阻率大小依次為煤層>砂巖>泥巖。煤層及其充氣的采空區(qū)或巷道與其周?chē)橘|(zhì)相比是絕對(duì)的高阻物性反應(yīng)，因此，探查煤礦采空區(qū)可用查找高阻異常區(qū)來(lái)間接實(shí)現(xiàn)。而在煤礦采空區(qū)充水的條件下則表現(xiàn)為明顯的低阻異常反應(yīng)。

1 基本原理

向布設(shè)于地面的回線(xiàn)發(fā)送一個(gè)電流脈沖方波，將產(chǎn)生一個(gè)向地下傳播的一次磁場(chǎng)，在該磁場(chǎng)的激勵(lì)下，地質(zhì)體內(nèi)部可形成渦流，其大小取決于地質(zhì)體的導(dǎo)電性能。該磁場(chǎng)消失后，渦流不會(huì)立即消失，而是進(jìn)入一個(gè)衰減的過(guò)程，在此過(guò)程中又產(chǎn)生一個(gè)向地表傳播的，不斷衰減的二次磁場(chǎng)，并通過(guò)地面的回線(xiàn)裝置接收。按不同的延遲時(shí)間測(cè)量二次感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)，便可得到二次磁場(chǎng)隨時(shí)間衰減的特性曲線(xiàn)，該曲線(xiàn)反應(yīng)地質(zhì)體導(dǎo)電性的分布狀況。如若不存在良導(dǎo)體，渦流將快速衰減；若存在良導(dǎo)體，則在電源切斷的瞬間，渦流可維持較長(zhǎng)的時(shí)間，因此其衰變速率較為緩慢，如圖1所示。在此過(guò)程當(dāng)中，電磁能量在介質(zhì)中不斷消耗，其頻率較高的電磁波僅集中于地表附近，而較低頻部分則向深處傳播，且分布范圍逐漸擴(kuò)大。

瞬變電磁儀器選用Terra TEM(見(jiàn)圖2)，該儀器由澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)工業(yè)研究院研發(fā)，具有便攜式接收機(jī)和發(fā)射機(jī)為一體的特點(diǎn)，以及良好的用戶(hù)使用界面。探頭選用國(guó)產(chǎn)TEM-7K型(見(jiàn)圖3)。

2 工程實(shí)例

在山西省中陽(yáng)縣金羅鎮(zhèn)張子山村東南部有一個(gè)范圍較大的積水區(qū)，系華潤(rùn)聯(lián)盛集團(tuán)蘇村煤礦采空造成地表沉降形成的。為了控制村莊東部的采空區(qū)邊界，共布置測(cè)線(xiàn)3條，每條測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)450 m。從圖4～圖6可知，三條測(cè)線(xiàn)表現(xiàn)出基本一致的電性變化：在小號(hào)點(diǎn)(0 m～100 m)地層電阻率由淺至深大致呈遞減的趨勢(shì)，而測(cè)線(xiàn)剩余部分的電阻率在淺部為低阻，中間深度處為高阻，深部又變?yōu)榈妥?。根?jù)前文所述，當(dāng)煤層未被開(kāi)采時(shí)，含煤的石炭系地層呈高阻反應(yīng)，而煤被采后形成的富水采空區(qū)呈低阻反應(yīng)。因此，可以推斷1線(xiàn)～3線(xiàn)的小號(hào)區(qū)域可能存在富水采空區(qū)，并且注意100 m～150 m范圍內(nèi)半高阻區(qū)域，此范圍可能為采空區(qū)與穩(wěn)定地層的過(guò)渡區(qū)域，或者該區(qū)域煤層已被開(kāi)采，但并未出現(xiàn)大面積塌陷形成富水采空區(qū)。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)對(duì)瞬變電磁及直流電測(cè)深探測(cè)成果的分析，基本可以認(rèn)為，當(dāng)?shù)叵旅簩颖徊煽蘸?，造成的地層巖石力學(xué)破壞，致使地下出現(xiàn)塌陷并波及至地表。穩(wěn)定的石炭系地層遭破壞后，巖石間裂隙增大，形成良好的富水及導(dǎo)水區(qū)域，造成電法勘探的低阻反應(yīng)，與穩(wěn)定含煤地層的高阻反應(yīng)形成強(qiáng)烈的對(duì)比。因此，在進(jìn)行采空區(qū)解釋時(shí)，以可采煤層的電性高低為判斷標(biāo)準(zhǔn)，即高阻反應(yīng)時(shí)解釋為未采的穩(wěn)定地層，低阻反應(yīng)時(shí)解釋為采空區(qū)。