瞬變電磁水平分量在采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用

徐 潔

（山西省地球物理化學(xué)勘查院，山西運(yùn)城044004）

1 概述

近幾年，在煤礦安全生產(chǎn)中電法已發(fā)揮了較大作用，特別是瞬變電磁法，在煤礦采空區(qū)及其積水情況探測(cè)中有很好的效果，可以確保煤礦的安全生產(chǎn)，可為礦區(qū)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

瞬變電磁法勘探有以下優(yōu)點(diǎn)：①采用同點(diǎn)組合觀測(cè)，對(duì)異常響應(yīng)較強(qiáng)，分辨能力較強(qiáng)；②低阻目標(biāo)地質(zhì)體在瞬變電磁法施工中的反應(yīng)比較明顯；③施工效率較高，相對(duì)于其他物探方法來說，瞬變電磁法施工效率很高并且成本不是很高；④剖面測(cè)量工作和縱向的測(cè)深工作同時(shí)進(jìn)行并且完成，可以形成視電阻率斷面圖，豐富解釋手段；⑤瞬變電磁法資料處理可以進(jìn)行地形矯正，經(jīng)過地形矯正后，可以消除地形影響。

在過去的很長(zhǎng)一段時(shí)間，人們對(duì)瞬變電磁法的研究基本停留在計(jì)算出電磁場(chǎng)的相關(guān)量，但對(duì)資料的解釋還局限在單一分量上(以垂直分量為主)，已經(jīng)無法滿足資料解釋精度的要求和目前的生產(chǎn)勘探需要，同時(shí)也造成巨大的信息浪費(fèi)。但當(dāng)前的瞬變電磁儀能夠?qū)崿F(xiàn)三分量同時(shí)采集，因此，聯(lián)合水平分量，綜合垂直分量和水平分量進(jìn)行處理與解釋，進(jìn)一步提高解釋精度，在理論和實(shí)踐方面都將具有十分重要的意義。本文將結(jié)合應(yīng)用實(shí)例對(duì)水平分量研究效果進(jìn)行分析[2]。

2 基本理論

瞬變電磁法也稱為時(shí)間域電磁法，它的生產(chǎn)過程是先鋪設(shè)一個(gè)不接地回線，然后向不接地回線供電用來發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng)，利用接收回線線圈觀測(cè)在供電間歇期的二次渦流場(chǎng),上述就是瞬變電磁法的基本原理。

當(dāng)供電電流斷開時(shí)，供電電流從最大值突然變?yōu)?，這時(shí)因?yàn)楣╇婋娏魉a(chǎn)生的一次場(chǎng)會(huì)立刻消失變?yōu)?，但是感應(yīng)二次場(chǎng)會(huì)根據(jù)導(dǎo)體和地質(zhì)體的電性參數(shù)，而有一個(gè)瞬變的過程，感應(yīng)的二次場(chǎng)不會(huì)直接變?yōu)?，這個(gè)過程的快慢與地質(zhì)體的電性參數(shù)有關(guān)。地質(zhì)體的導(dǎo)電性越好，感應(yīng)渦流的熱耗損越小，它的瞬變過程則越長(zhǎng)。這種感應(yīng)渦流瞬變的過程，在地質(zhì)體上方和下方空間形成相應(yīng)的瞬變磁場(chǎng)，在脈沖電流關(guān)斷期間在觀測(cè)地下的瞬變二次磁場(chǎng)，根據(jù)地質(zhì)體空間位置以及導(dǎo)電性能的不同，觀測(cè)到的二次磁場(chǎng)也不一樣，通過采集、分析及研究二次磁場(chǎng)的時(shí)空變化，進(jìn)行正反演計(jì)算后，便可以得出地下地質(zhì)體的擬視電阻率斷面形態(tài)，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)體異常，從而確定我們需要探測(cè)的目標(biāo)體比如煤礦采空區(qū)、富水區(qū)等的位置和大小。

2.1 均勻大地瞬變電磁響應(yīng)

2.1.1 均勻大地瞬變電磁響應(yīng)過程

1979 年美國(guó)的科學(xué)家M.N.Nabighian 提出利用等效代替計(jì)算均勻大地的晚期瞬變電磁響應(yīng)的計(jì)算方法。在發(fā)射回線中的供電電流突然斷電后，下半空間中為了維持磁場(chǎng)產(chǎn)生了感應(yīng)電流，這一瞬間電流集中在發(fā)射回線線圈附近，并且按照r-4的規(guī)律衰減(r為發(fā)射回線線圈中心到測(cè)點(diǎn)的距離)。然后電流開始逐漸向下半空間深入擴(kuò)散，在斷電后的任一晚期時(shí)間內(nèi)，感應(yīng)渦流呈多層環(huán)形。渦流場(chǎng)將隨著時(shí)間的延長(zhǎng)向下及向外擴(kuò)散，并變形為圓電流環(huán)，發(fā)射電流關(guān)閉后幾個(gè)不同時(shí)刻的電流環(huán)的示意圖如圖1所示。

圖1 半空間的等效渦流環(huán)

從圖1中可以看出，等效電流環(huán)就像是從發(fā)射回線線圈中吹出來的一個(gè)個(gè)“煙圈”，所以地下螺旋電流向下向外擴(kuò)散的這個(gè)過程被成為“煙圈效應(yīng)”。這些不同時(shí)刻的圓電流環(huán)反映了不同深度地層的感應(yīng)電流，時(shí)間越久，所觀測(cè)到的有效深度就越深。其極大值將向從發(fā)射線圈中心起始與地面成30°傾角的錐形斜面向下傳播，該極大值在地面的投影半徑為：

整個(gè)環(huán)帶各渦流層的總效應(yīng)就是感應(yīng)渦流場(chǎng)在地表引起的磁場(chǎng)，它的等效電流為：

它的半徑a以及所在深度d的表達(dá)公式為：

式中：σ——均勻大地的導(dǎo)電率；

μ0——磁導(dǎo)率。

我們可以把所謂的“煙圈”認(rèn)為是二次發(fā)送線圈，它在某觀測(cè)時(shí)刻的半徑、電流和深度可以根據(jù)公式（2）、（3）和（4）算出，便可以計(jì)算出在某時(shí)刻地面測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)值，以及響應(yīng)值隨著時(shí)間變化的規(guī)律。

2.1.2 均勻大地上垂直磁源瞬變電磁場(chǎng)的計(jì)算方法

首先計(jì)算頻率域電磁場(chǎng)，然后對(duì)頻率電磁場(chǎng)做逆傅立葉變換再計(jì)算瞬變電磁場(chǎng)。表達(dá)式為：

式中：t——時(shí)間；

ω——角頻率。

2.2 導(dǎo)電球體在高阻圍巖中的表達(dá)式

假設(shè)在發(fā)射回線線圈的正下方，有一個(gè)電導(dǎo)率為σ，半徑為a，中心埋深為h的球體，它的瞬變電磁場(chǎng)的表達(dá)式為：

（1）重疊回線裝置下：

公式(9)中的R為發(fā)射回線線圈的半徑，當(dāng)使用方形回線時(shí)，取τ為確定V(t)衰減速度的特征參數(shù)，被稱為時(shí)間常數(shù)，對(duì)于球體為：

（2）中心回線裝置下：

式中：r——接收探頭線圈的半徑。

從以上公式可見在t?τ的晚期條件下，V(t)按公式后半部分進(jìn)行計(jì)算，前半部分可以舍去，所以V(t)照指數(shù)規(guī)律衰減。在早期和中期的條件下，V(t)的響應(yīng)的計(jì)算要用到公式前半部分的參數(shù)和后半部分的參數(shù)，它是很多指標(biāo)衰減參數(shù)的總和。

3 應(yīng)用實(shí)例

下列圖件是利用瞬變電磁法在某礦區(qū)進(jìn)行采空區(qū)探測(cè)的應(yīng)用實(shí)例。如下SX1 線、SX2 線是為了對(duì)比分析采空區(qū)瞬變電磁響應(yīng)特征所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)線。圖2 為TEM 垂直分量視電阻率圖，圖3 為TEM 水平分量多測(cè)道圖。

SX1、SX2 線垂直某煤礦一主井巷道上方，兩線相距25m。根據(jù)已有資料，4 號(hào)煤埋深100m 左右，9 號(hào)煤埋深在150m 左右。井口位置在150 點(diǎn)處，在兩條線的145、160 點(diǎn)處地表發(fā)現(xiàn)裂縫，圖中斜線網(wǎng)格代表地裂縫，網(wǎng)格部分代表推斷采空位置。

從圖 2 上可以看到，在 SX12 線 150～155 點(diǎn)，埋深約120m 處，由4 號(hào)煤層底板等高線圖可知此深度為4號(hào)煤賦存位置，視電阻率橫向上有變化，呈現(xiàn)相對(duì)低阻異常，視電阻率等值線形態(tài)表現(xiàn)為略向下彎曲，推斷為采空區(qū)。推斷采空位置（圖中網(wǎng)格部分）與實(shí)際調(diào)查地裂縫位置對(duì)應(yīng)較好。SX13 線在其附近的位置也出現(xiàn)了低阻異常，等值線曲線形態(tài)同樣向下彎曲。與SX12線視電阻率異常有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以證明采空區(qū)的可靠性。

由于瞬變電磁二次場(chǎng)隨著時(shí)間的衰減在高阻層衰減較快,在低阻層衰減較慢，因此在高阻層得到的二次場(chǎng)電壓值小，在低阻層得到的二次場(chǎng)電壓值大。對(duì)應(yīng)在剖面圖上看到的就是低值響應(yīng)部分是高阻層，高值響應(yīng)部分是低阻層。在多測(cè)道電阻率剖面圖上,不僅能看到各測(cè)點(diǎn)垂直方向電性變化情況，還能看到不同深度沿水平方向上的電性變化情況。

從圖3 SX1、SX2 線TEM 水平分量多測(cè)道圖可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)垂直分量視電阻率斷面圖出現(xiàn)高阻異常的點(diǎn)位，水平分量數(shù)值變低，與垂直分量斷面圖對(duì)應(yīng)關(guān)系較好。這說明TEM 水平分量對(duì)采空區(qū)探測(cè)也具有較高的分辨率，是調(diào)查煤層采空區(qū)較好的一種勘探方法。

圖2 SX1、SX2線TEM垂直分量視電阻率斷面圖

4 結(jié)束語

本文介紹了瞬變電磁水平分量在采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用效果，并與垂直分量視電阻率斷面圖效果進(jìn)行了簡(jiǎn)單對(duì)比，結(jié)果證明瞬變電磁水平分量對(duì)采空區(qū)探測(cè)也具有良好的效果。由于水平分量在橫向上具有更高的分辨率，因而對(duì)采空區(qū)的推斷更具準(zhǔn)確性。因此，瞬變電磁水平分量在采空區(qū)探測(cè)中能夠起到良好的效果。

圖3 SX1、SX2線TEM 水平分量多測(cè)道圖