EH4大地電磁探測(cè)技術(shù)在采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用*

張洋洋，張 峰

(1.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京 100013;2.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

傳統(tǒng)探測(cè)采空區(qū)的物探方法有很多種，如地震勘探(包括反射法、折射法)[1]、電測(cè)深法、高密度電法、瞬變電磁法等。EH4電磁探測(cè)技術(shù)自上世紀(jì)九十年代引入我國(guó)，由于其儀器設(shè)備輕便，可對(duì)工作場(chǎng)地狹小的大埋深目標(biāo)體進(jìn)行勘測(cè)，并且穿透能力強(qiáng)，在淺部存在較低阻的情況下，仍能達(dá)到比較理想的勘探深度，分辨率較高，在采空區(qū)的探測(cè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用[2-4]。

1 EH4大地電磁探測(cè)技術(shù)原理

EH4儀器設(shè)備輕便，工作能耗小，占用場(chǎng)地少，既可以做野外空曠地區(qū)的勘探，也適合狹窄場(chǎng)地的勘測(cè)。EH4應(yīng)用大地電磁法的原理，使用人工電磁場(chǎng)和天然電磁場(chǎng)兩種場(chǎng)源。EH4能同時(shí)接收和分析X、Y兩個(gè)方向的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，反演X-Y電導(dǎo)率張量剖面，EH4觀測(cè)時(shí)間短，完成一個(gè)近1 000 m深度的測(cè)深點(diǎn)，一般只需15～20 min。對(duì)判斷二維構(gòu)造特別有利。EH4既具有有源電探法的穩(wěn)定性，又具有無源電磁法的節(jié)能和輕便。

EH4系統(tǒng)就是基于大地電磁測(cè)深理論，通過測(cè)量相互正交的電場(chǎng)分量(Ex，Ey)和磁場(chǎng)分量(Hx，Hy)，計(jì)算地下地層介質(zhì)視電阻率值，并根據(jù)地層介質(zhì)電阻率的變化規(guī)律進(jìn)而推斷地下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)、電阻率異常體、構(gòu)造[5]。

2 工程概況

項(xiàng)目區(qū)位于工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)，人工建筑物分布密集，給物探野外測(cè)量和數(shù)據(jù)采集造成了一定難度。

根據(jù)地質(zhì)采礦資料，區(qū)內(nèi)曾有多處小煤窯開采，開采方法采用巷采或房柱式開采，開采時(shí)間較長(zhǎng)，缺乏相關(guān)記錄資料，采空區(qū)的數(shù)量及分布不明，對(duì)地面建構(gòu)(筑)物存在著安全隱患，故對(duì)項(xiàng)目區(qū)進(jìn)行采空區(qū)探測(cè)，查明其分布情況，為地表的安全施工提供必要的物探依據(jù)。

此次主要探查區(qū)內(nèi)煤層和淺部錳鐵礦采空區(qū)，巖性主要為砂巖、泥巖以及頁(yè)巖。綜合場(chǎng)地工作條件、地質(zhì)資料及圍巖的電性特征等，選擇EH4大地電磁探測(cè)法對(duì)采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)。

3 工作方法

3.1 測(cè)線布置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件布置測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)的實(shí)地布設(shè)以手持GPS定位，定向電偶極方向，用測(cè)繩測(cè)量電偶極距，并進(jìn)行地形改正，磁棒離前置放大器至少5 m，兩個(gè)磁棒水平放置并用泥土覆蓋，消除風(fēng)、人等干擾因素，Hx、Hy兩磁棒相互垂直，誤差控制在±1°以內(nèi)，兩磁棒間距離至少2 m，所有的工作人員離開磁棒至少5 m。

根據(jù)探測(cè)目的、探測(cè)條件和地形、地物等因素，選擇電極距為20 m，測(cè)點(diǎn)距為10 m。電極布置方式采用“+”字型，能較好的克服表層電流場(chǎng)不均勻的影響。對(duì)于干擾比較嚴(yán)重的測(cè)量點(diǎn)，通過數(shù)據(jù)機(jī)外再處理，對(duì)各種噪聲進(jìn)行剔除，得到了較好的探測(cè)效果[6-9]。測(cè)線布置圖如圖1所示。

圖1 測(cè)線布置示意圖

3.2 數(shù)據(jù)采集

為確保獲得高質(zhì)量的原始數(shù)據(jù)，各測(cè)點(diǎn)均根據(jù)電磁場(chǎng)有效信號(hào)的強(qiáng)弱進(jìn)行最佳增益設(shè)置；時(shí)刻對(duì)各測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和檢查，以保證整個(gè)勘測(cè)系統(tǒng)處于良好的工作狀態(tài)；監(jiān)視和檢查各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)快速分析結(jié)果，采用多次疊加的方法對(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，提高信噪比，并對(duì)認(rèn)為可疑的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行電偶極檢查并重新采集，進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。EH4系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集過程中是完全自動(dòng)化(不可控)、可視化的，故不存在人為誤差因素[10]。

4 采空區(qū)探測(cè)資料解釋依據(jù)

第四系厚度和勘探目標(biāo)深度較小，地下煤系地層巖性主要為泥巖、砂巖、頁(yè)巖，采空區(qū)與圍巖電阻率的差異是EH4大地電磁技術(shù)對(duì)本區(qū)域進(jìn)行采空區(qū)探測(cè)的重要依據(jù)。

根據(jù)影響電阻率的因素，采空區(qū)的電阻率變化主要有三種形式：(1)低阻形式，采空區(qū)內(nèi)充水，其電阻率明顯降低，在視電阻率剖面圖中出現(xiàn)封閉的低阻圈；(2)中阻形式(相對(duì)低阻)，即采空區(qū)局部弱含水或部分充填了泥質(zhì)等導(dǎo)電性較好的介質(zhì)，其視電阻率有所降低，在視電阻率剖面圖中也出現(xiàn)一些相對(duì)低阻的封閉圈；(3)高阻形式，即采空區(qū)無充水，也未充填泥質(zhì)等導(dǎo)電性好的介質(zhì)，則其視電阻率將明顯增大，在視電阻率剖面圖中出現(xiàn)相對(duì)高阻的封閉圈。

5 成果解釋

圖2所示為L(zhǎng)1測(cè)線EH4測(cè)深電阻率二維反演斷面圖，視電阻率變化范圍1.34～162.19 Ω·m，從圖上可以看出，沿測(cè)線方向+30 m附近從淺部往深部，發(fā)育一向東傾斜(大號(hào)點(diǎn)方向)串珠狀低阻異常帶，異常帶兩側(cè)高低阻分布出現(xiàn)明顯的位移，推測(cè)該串珠狀低阻異常帶為一斷裂構(gòu)造引起。在+40 m～+60 m段，在推測(cè)的斷裂構(gòu)造部位剖面電阻率呈局部低阻異常，該部位異常應(yīng)與構(gòu)造中充填泥質(zhì)或少量積水有關(guān)。

圖2 L1測(cè)線EH4測(cè)深電阻率二維反演斷面圖

圖3所示為L(zhǎng)2測(cè)線EH4測(cè)深電阻率二維反演斷面圖，電阻率變化范圍6.35～376.59 Ω·m，從圖上可以看出，沿測(cè)線方向+5 m附近從淺部往深部，發(fā)育一向東傾斜(大號(hào)點(diǎn)方向)串珠狀條帶狀低阻異常帶，異常帶兩側(cè)高低阻分布出現(xiàn)明顯的位移，推測(cè)該串珠狀低阻異常帶為一斷裂構(gòu)造引起。

圖3 L2測(cè)線EH4測(cè)深電阻率二維反演斷面圖

在高程+875 m附近，橫向式電阻率變化范圍在50～375 Ω·m，該斷面在沿測(cè)線方向的+50 m～+60 m段電阻率呈高阻異常，且電阻率等值線明顯扭曲，推斷為采空區(qū)，采空區(qū)表現(xiàn)為空洞形式，采空區(qū)電阻率與圍巖電阻率相差較大，推斷采空區(qū)未垮塌。

在高程+790 m處，橫向式電阻率變化范圍在80～200 Ω·m，電阻率等值線出現(xiàn)了由低阻向高阻的變化，該斷面在沿測(cè)線方向的0 m～+15 m段電阻率呈相對(duì)高阻異常，且煤層頂板電阻率等值線明顯扭曲，推斷為采空區(qū)，且未垮塌。

經(jīng)過對(duì)L1測(cè)線和L2測(cè)線的EH4測(cè)深電阻率二維反演斷面圖的數(shù)據(jù)解釋，并結(jié)合地質(zhì)資料，解釋了一條斷層，在L2測(cè)線解釋了兩處采空區(qū)，規(guī)模較小，呈現(xiàn)明顯巷采特點(diǎn)，且開采時(shí)間較長(zhǎng)，地表變形已經(jīng)基本穩(wěn)定，煤層采空區(qū)產(chǎn)生突然沉陷的可能性較小。錳鐵礦采空區(qū)的埋深較淺，如垮塌影響范圍較小，但應(yīng)避免在其正上方進(jìn)行施工。如在斷裂構(gòu)造上施工，應(yīng)采取一定的安全技術(shù)措施，建議地表設(shè)置移動(dòng)觀測(cè)點(diǎn)，定期對(duì)其移動(dòng)與變形進(jìn)行觀測(cè)，及時(shí)分析、總結(jié)觀測(cè)資料，確保地面建(構(gòu))筑物的安全與穩(wěn)定。

6 結(jié) 論

根據(jù)采空區(qū)以及淺部地層斷裂構(gòu)造與圍巖的電性差異，應(yīng)用EH4大地電磁探測(cè)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行探測(cè)，并獲得了分辨率較高的電阻率二維反演斷面圖和可靠的地質(zhì)解釋成果，探測(cè)結(jié)果均得到驗(yàn)證，該技術(shù)具有分辨率高、儀器設(shè)備輕便、采集數(shù)據(jù)速度快等優(yōu)點(diǎn)，已成為采空區(qū)及淺部地層斷裂構(gòu)造探測(cè)的有效技術(shù)手段。