大定源回線TEM法在煤礦采空區(qū)的探測效果分析

摘 要：大定源回線TEM法在煤礦采空區(qū)起至關(guān)重要的作用，當(dāng)利用偶極子合成回線源方式，計算大定源回線TEM全區(qū)視電阻率處理實測采空區(qū)TEM數(shù)據(jù)時，可以有效消除晚期視電阻率存在的“邊界效應(yīng)”，得到的晚期視電阻率不存在視電阻率假高值，接近地表真實電阻率，這對探測地下煤礦采空區(qū)有重要意義。本文利用大定源回線TEM法對山西某煤礦探測成果進(jìn)行分析，根據(jù)視電阻率的相對高低分析采空異常區(qū)的分布規(guī)律，圈定低阻異常區(qū)域，推斷采空區(qū)范圍，并對視電阻率斷面圖和順層切片圖進(jìn)行共同解譯。

關(guān)鍵詞：瞬變電磁法；大定源回線；采空區(qū)；視電阻率

中圖分類號：TD 82" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

煤礦采空區(qū)是指在煤礦的作業(yè)過程中，將地下的煤炭或煤矸石等開采完后留下的空洞或空腔。在煤礦開采或者水利工程、公路工程、鐵路工程等的施工過程中，采空區(qū)常給正常施工帶來危害。因此，對地下采空區(qū)的分布范圍和空間形態(tài)特征進(jìn)行評判，對潛在危害性進(jìn)行評價以及合理確定采空區(qū)治理對策一直是困擾工程技術(shù)人員的問題。目前國內(nèi)用于煤田采空區(qū)勘探的地球物理方法較多，主要有瞬變電磁法、高密度電法、人工地震法、地質(zhì)雷達(dá)法等[1-2]。在煤礦采空區(qū)的勘查中，不同地層具有不同的巖性及電性特征。在采空區(qū)地段，由于采空使周邊巖層結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，因此該部位的視電阻率與圍巖會有一定的差異。采空區(qū)空洞對電流有排斥作用，當(dāng)?shù)孛嫣綔y時會表現(xiàn)相對高阻的特性，但當(dāng)采空區(qū)塌陷充水后，會表現(xiàn)相對低阻。煤礦采空區(qū)在塌陷前，通常很難預(yù)知，而以電性差異為基礎(chǔ)的大定源回線瞬變電磁探測技術(shù)具有勘探深度深、效應(yīng)高、可以穿透高阻屏蔽層、橫向分辨率高等特點，對煤礦采空區(qū)反應(yīng)靈敏，在煤礦采空區(qū)的探測中效果良好[3]。

1 TEM原理

瞬變電磁法又叫脈沖瞬變法，簡稱TEM，是一種時間域的電磁探測方法。利用不接地回線或接地電偶源向地下發(fā)送一次場，在一次場的間歇期觀測二次漩渦場的方法。其基本工作方法是在地面布設(shè)通以一定波形電流的發(fā)射線圈，從而在其周圍空間產(chǎn)生一次磁場，并在地下導(dǎo)電巖礦體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，斷電后感應(yīng)電流由于熱損耗而隨時間衰減。衰減過程分為早、中和晚期。早期的電磁場相當(dāng)于頻率域中的高頻成分，衰減快且趨膚深度淺。而晚期成分則相當(dāng)于頻率域中的低頻成分，衰減慢，趨附深度較深。通過測量斷電后各時間段的二次場隨時間變化規(guī)律，可以得到不同的地電特征。由于該方法是在一次場斷電的瞬間測純二次場，具有體積效應(yīng)小、橫向分辨率高、對低阻反應(yīng)靈敏、與探測地質(zhì)體具有最佳耦合和受旁側(cè)地質(zhì)體影響小的特點，因此可根據(jù)二次場衰減曲線特征判斷地下地質(zhì)體的電性、規(guī)模和產(chǎn)狀等[3-4]。

2 全區(qū)視電阻率定義

視電阻率是電法勘探中的重要參數(shù)之一，而全區(qū)視電阻率能夠在早期趨于第一層視電阻率真值，晚期趨于最后一層視電阻率真值，過渡期也能夠很客觀地反映電性的變化規(guī)律，因此研究全區(qū)視電阻率具有重要意義。

本文采用的是框內(nèi)全區(qū)視電阻率計算方法。首先，沿邊界將線框剖分為多個能視為水平電偶極子的電流元，其次，對均勻半空間電偶極子瞬變場及視電阻率進(jìn)行定義。最后，用偶極子疊加法即可計算大定源回線在地面一點的時域垂直磁場。

對水平電偶極子發(fā)射，均勻半空間地面任意一點（xc，yc）的時域垂直磁場如公式（1）所示。

（1）

對回線的某一條邊，均勻半空間地面任意一點（xc，yc）的時域垂直磁場如公式（2）所示。

（2）

式中：I為供電電流；dL為水平電偶極子的長度；erf（u）為誤差函數(shù)。對整個回線激發(fā)，均勻半空間地面任意一點（xc，yc）的時域垂直磁場如公式（3）所示。

（3）

式中：HZLi為某個電偶極子產(chǎn)生的垂直磁場。在公式（1）～公式（3）中，垂直磁場與均勻半空間的視電阻率是隱函數(shù)關(guān)系，為不失一般性，將回線源的瞬變電磁場公式表示為H=φ（ρ，t，r），給定初值ρ0，在ρ0的鄰域內(nèi)對?（ρ，t，r）進(jìn)行泰勒展開，如公式（4）所示。

（4）

省略后面的高階無窮小量，只保留前兩項，經(jīng)過整理可得視電阻率的近似表達(dá)式如公式（5）所示。

（5）

ρτ為視電阻率，并將公式（5）寫成迭代格式如公式（6）、公式（7）所示。

ρτ（i+1）=?ρτi+ρτi，i=0，1，2，...n （6）

（7）

反復(fù)迭代下去，直到滿足公式（8）。

，其中，ξ[10-6，106]" （8）

由此可以得到任意一點的全區(qū)視電阻率。

式中：，r為收發(fā)距；x為測點橫坐標(biāo)；y為測點縱坐標(biāo)；?為垂直磁場H的相關(guān)函數(shù)；ρ為地層平均電阻率；t為時間。

3 應(yīng)用實例解釋分析

3.1 勘探區(qū)地層特征

勘探區(qū)煤系地層基底為奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r，出露及鉆孔揭露地層由老到新依次為奧陶系中統(tǒng)、石炭系、二疊系以及第四系，將地層由老到新敘述如下。奧陶系中統(tǒng)峰峰組（O2f）為灰黃色-灰白色-深灰色，巨厚層狀，以石灰?guī)r為主，中夾泥質(zhì)灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，電性表現(xiàn)為高阻，晶粒結(jié)構(gòu)、泥晶結(jié)構(gòu)，溶蝕裂隙發(fā)育。與上覆煤系地層呈平行不整合接觸，厚度為139m。下伏奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組，鉆孔未揭穿本組。石炭系中統(tǒng)本溪組（C2b）為底部黃綠色粉砂巖，黑灰色泥巖，中部為灰白色鋁質(zhì)泥巖，上部為灰色巨厚層狀石灰?guī)r，電性表現(xiàn)為中高阻，本溪組厚10～15m。石炭系上統(tǒng)太原組（C3t）為井田主含煤地層之一，由深灰色泥巖、石灰?guī)r、灰黑色砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖、粉砂巖和煤組成，電性表現(xiàn)為中低阻。含煤6層，其中15#煤層穩(wěn)定，與下伏地層呈整合接觸，厚度110～115m。二疊系下統(tǒng)山西組（P1s）為井田主要含煤地層之一，由細(xì)粒砂巖、含泥粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖及煤組成，電性表現(xiàn)為中低阻。含煤6層，其中3#煤層穩(wěn)定可采，3#煤厚4.5～5.7m，山西組厚52～59.5m。與下伏地層呈整合接觸。二疊系下統(tǒng)下石盒子組（P1x）的下部由黃綠色、杏黃色、灰黃色的頁巖及砂質(zhì)頁巖，夾中－細(xì)粒杏黃色、黃綠色長石石英砂巖組成，上部由黃綠色、杏黃、黃色、雜色、紫色泥巖、頁巖夾黃色—杏黃色中細(xì)粒長石石英砂巖組成，電性表現(xiàn)為中低阻。本組75～78m，與下伏地層呈整合接觸。二疊系上統(tǒng)上石盒子組（P2s）區(qū)內(nèi)出露廣泛，主要由砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖，含鋁泥巖互層組成，電性表現(xiàn)為中低阻。根據(jù)鉆孔揭露本組厚110～170m，最大厚度約295m。第四系（Q）的棕紅色亞黏土（含鈣質(zhì)結(jié)核），黃土，砂質(zhì)黏土，電性表現(xiàn)為低阻。不整合于各時代的地層上，主要分布于山梁及溝谷中，厚度一般為2～10m。

3.2 采集瞬變電磁數(shù)據(jù)

區(qū)內(nèi)共布置37條測線，測線方向均按NE28.7°布置，線距40m，點距20m。線號為147～ 267 ，幾條線的點號范圍不同。野外工作點位示意如圖1所示。采用瞬變電磁儀，工程測量采用GPS系統(tǒng)。經(jīng)過實地試驗后，確定工作參數(shù)。大回線框為400m×400m，發(fā)射頻率為25Hz，疊加次數(shù)為256，采樣窗口時間為0.036ms～27.915ms，延時為130μs，測道數(shù)為40道，發(fā)射電流約為3.5A，接收線圈等效面積為2200㎡。各項質(zhì)量檢查結(jié)果符合相關(guān)規(guī)范及設(shè)計要求，數(shù)據(jù)采集質(zhì)量可靠。

3.3 資料處理

首先對原始實測的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和預(yù)處理，其次計算全區(qū)視電阻率，經(jīng)過時深轉(zhuǎn)換、地形校正、濾波、白化和反演后，繪制全區(qū)視電阻率斷面圖及平面圖切片圖，最后進(jìn)行綜合解釋分析。

3.4 瞬變電磁視電阻率斷面圖解釋

為更好地分析TEM斷面異常以及測線間的相關(guān)性，本文共選取相鄰的兩條測線，對兩條測線的相關(guān)性以及每條測線的斷面異常進(jìn)行分析。圖2和圖3分別為勘探區(qū)199測線、203測線全區(qū)視電阻率斷面圖。圖中橫向長虛線分別為3#、9#和15#煤層底板高程，下部的實線矩形框為已知的9#煤層采空區(qū)范圍。虛線矩形框為9#和15#煤層推斷采空區(qū)，豎直粗實線為鉆孔。

根據(jù)甲方提供的資料，9#煤已基本全部采空，從兩幅斷面圖上可以看出3# 采空區(qū)的解釋結(jié)果與甲方提供的資料吻合，煤層在視電阻率斷面圖中反映的位置在中阻向高阻過渡的區(qū)域。3#煤層比9#和15#煤層的高程要高，并且基本全部采空，在斷面圖上的異常特征為低阻向中阻的過渡帶，形態(tài)上表現(xiàn)為等值線寬范圍、緩慢向下彎曲，原因是采空區(qū)塌陷所形成的電阻率變化帶較煤層的影響范圍大。由于工區(qū)內(nèi)煤層埋深在160m～360m，因此采空區(qū)解譯應(yīng)以低阻為主要特征，在形態(tài)上表現(xiàn)為向下彎曲的局部異常，范圍的大小與采空區(qū)的大小成正變關(guān)系。與周邊未采空的區(qū)域有較明顯差別。

圖2和圖3視電阻率斷面圖中提供了9#煤的已知采空區(qū)的范圍，兩幅圖都為200點～360點、400點～560點和600點～760點。局部有向下凹陷的低阻異常，如199線的200點～280點，330點～540點，720點～800點，900點～1010點，1070點～1270點，例如203線下部200點～280點形成一個低阻范圍，與旁邊的背景形成明顯的低阻局部異常，推斷該異常為采空區(qū)所引起。同樣在480點～700點及1140點～1300點間也形成了一個低阻范圍，在480點附近形態(tài)有向上彎曲的趨勢，應(yīng)該為未采段，也與甲方提供的采空區(qū)范圍相對應(yīng)（460點～500點段沒有采空區(qū)），而低阻異常范圍比甲方提供的采空區(qū)范圍小。該試驗線煤層底板低，因此水滲流到采空區(qū)后，應(yīng)向該位置集中，其應(yīng)以低阻異常為特征，實測結(jié)果證實了該推斷。根據(jù)9#、15#煤采空區(qū)異常特征，推斷上述低阻異常為采空區(qū)所引起。從已知采空區(qū)和解釋采空區(qū)的位置來看，雖然二者有些小差別，但是總體的對應(yīng)性較好。9#煤在斷面圖中的異常特征為中阻向中高阻的過渡帶，形態(tài)上表現(xiàn)為等值線較3#煤小范圍、向下彎曲較明顯。與周邊未采空的區(qū)域有明顯差別。15#煤在斷面圖中的異常特征表現(xiàn)為中阻向中高阻的過渡帶，形態(tài)上表現(xiàn)為等值線較9#煤更小范圍、向下彎曲較明顯。與周邊未采空的區(qū)域有明顯差別。

從縱向上看，視電阻率從淺到深表現(xiàn)為中高-低-中高-高的電性特征（HA型），第一層反映了近地表黃土、二疊系上下石盒子地層。第二層反映了二疊系的下石盒子及山西組地層。第三層反映了石炭系的太原組及本溪組地層。第四層主要反映的是奧陶系的地層。從橫向上看，在調(diào)查采空區(qū)上方，由于采煤引起的上覆巖層的物性變化，因此視電阻率表現(xiàn)橫向的分帶性，具有明顯的視電阻率等值線變化的痕跡，圖中表現(xiàn)為以低阻為異常特征。從整體上看，這兩條測線的相關(guān)性比較好，推斷采空區(qū)和已知采空區(qū)對應(yīng)關(guān)系較好，異常比較可靠。

3.5 瞬變電磁斷面及平面綜合解釋

地下的煤層被采出后，在巖層內(nèi)形成一個有一定規(guī)模的空間，隨著時間的推移，上覆巖層就會在地球重力的作用下逐漸斷裂、塌陷，地下水就會侵入，采空區(qū)的視電阻率隨著發(fā)生變化，會出現(xiàn)相對低阻異常區(qū)。平面等值線圖是選取斷面圖上底板等高線上下各10m內(nèi)視電阻率值取平均，把這些斷面圖上選取的視電阻率做成平面等值線圖，其反映了煤系地層的視電阻率變化情況，通過視電阻率的相對變化，可以對煤系地層的采空區(qū)進(jìn)行推斷。為解煤層（平均厚10m）橫向范圍內(nèi)的電性情況，順層對典型的9#煤的底板平面視電阻率平面等值線圖（圖4）進(jìn)行分析，并根據(jù)前面所述原則劃分采空區(qū)范圍（橫軸為線號，縱軸為點號），平面等值線圖與視電阻率斷面圖較好，異常較可靠。

低阻異常區(qū)是采空區(qū)的主要特征，結(jié)合所收集的地質(zhì)資料結(jié)果，在此勘探區(qū)中總共圈定了7個采空區(qū)，采空區(qū)分布在工區(qū)南部、東南部和東北部和西北部，由南向北，由東向西依次編號為9c-1、9c-2、9c-3、9c-4、9c-5、9c-6和9c-7。因此推測勘探區(qū)的南部、西北部、東北部均有大片的采空區(qū)，在勘探區(qū)的中部存在一處較小的采空區(qū)域，應(yīng)引起重視，并及時打鉆驗證。

4 結(jié)論

基于低阻異常區(qū)是探測采空區(qū)主要特征的地球物理前提，199測線和203測線視電阻率斷面圖的處理結(jié)果表明，斷面圖與實際的地電斷面對應(yīng)很好，可以做進(jìn)一步精細(xì)解釋。順層抽取9#煤底板的平面視電阻率平面等值線圖，根據(jù)視電阻率的相對高低分析采空異常區(qū)的分布規(guī)律，對斷面圖和平面圖進(jìn)行共同解釋。

文中根據(jù)低阻異常區(qū)是采空區(qū)的主要特征對采空區(qū)進(jìn)行劃分，但視電阻率的影響因素眾多，再加上地質(zhì)因素的復(fù)雜性和地球物理解釋的多解性，推測結(jié)果可能與實際情況有偏差，需要用鉆探及其他物探方法進(jìn)行驗證。

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