瞬变电磁法在探测煤矿积水采空区中的应用

2016-04-14牛林峰

地球 2016年8期

关键词：积水电阻率采空区

■牛林峰

（华北水利水电大学资源与环境学院河南郑州450045）

瞬变电磁法在探测煤矿积水采空区中的应用

■牛林峰

（华北水利水电大学资源与环境学院河南郑州450045）

探测煤矿采空区积水情况是煤矿生产中经常遇到的难题，而瞬变电磁法的自身特性适合于解决该问题。本文简要介绍了瞬变电磁法的工作原理及优势、特点。论述了采空区的地电特性，特别是积水采空区的地电特性，适合利用瞬变电磁法勘探。将瞬变电磁法应用于探测西北某煤矿采空区积水情况，取得了良好效果。

瞬变电磁法积水采空区地电特性

1　引言

煤矿开采生产中产生大量采空区，由于降雨、地下水转移等原因造成部分采空区积水。采空区积水会对煤矿安全生产造成极大的威胁，严重影响当地经济的可持续发展和社会稳定。因此，有效地探测地下采空区积水情况，可以有针对性地做好探放水工作，从而避免盲目开采而导致的灾害性事故，防治水害发生，保证煤矿安全生产，提高矿井综合效益，促进经济发展和社会稳定［1］。

2　瞬变电磁法原理

瞬变电磁法又称时间域电磁法，简称TEM，属于电磁感应类探测方法，它遵循电磁感应原理，其机理就是导电介质在阶跃变化的电磁场激发下而产生的涡流场效应，即利用一个不接地的回线或磁偶极子（也可以用接地线源电偶极子）向地下发射脉冲电磁波作为激发场源（习惯上称为“一次场”），根据法拉第电磁感应定律，脉冲电磁波结束以后，大地或探测目标体在激发场的作用下，其内部会产生感生的涡流，这种涡流有空间特性和时间特性。人们虽然不能直接测量这种涡流的大小，但是可以利用专门仪器观测这种涡流产生的电磁场的强弱、空间分布特性和时间特性，“二次场”的本质特征是由探测目标的物理性质及赋存状态决定，其时间特性中，早期信号反映浅部地层地质信息，晚期信号反映深部地层地质信息，时间的早晚与探测深度的深浅具有对应关系。一般来说，探测目标的几何规模越大、埋藏越浅、导电性越好则二次场的信号越强、持续时间越长，反之，探测目标的几何规模越小、埋藏越深、导电性越差则二次场的信号越弱持续时间越短。通过观测和研究“二次场”的空间分布特性和时间特性，可以推测解译地层或地质目标体的几何和物性特征。

3　瞬变电磁法的特点

瞬变电磁法和其它物探方法相比具有许多优势和特点：（1）该方法观测和研究的是“二次场”即纯异常场，不存在一次场背景干扰，有异于常规电法（如频率域电磁法）观测综合场的工作方法，使异常简化；（2）能够穿透高阻覆盖层，比传导类电法探测优越；（3）采用同点组合装置（中心回线或重叠回线）进行观测，能与探测对象达到最佳耦合，取得较强的异常响应。（4）对高阻围岩中的低阻体反映敏感，有利于探测低阻地质目标体；（5）激发多次脉冲，应用场的重复测量叠加和空间域拟地震的多次覆盖技术，可以提高信噪比和观测精度。（6）可自由选择时间窗口进行观测，有效地压制地质噪声，可获得不同勘探深度的地质信息。（7）地形影响小，测量简单，工作效率高［5］。

4　采空区地球物理特征

煤层在地层中成层地分布在煤系地层中，煤层开采以后就形成了采空区，原有的应力平衡状态被破坏。当开采面积不大时，并且煤层顶板是塑型岩石并保存完好，由于残留的煤柱较多，压力主要有煤柱承担，还不能引起地层塌落、变形；但多数采空区不能满足以上要求，在重力和地层应力作用下，顶板塌落，形成冒落带、裂隙带和弯曲带，使得采空区及其上部地层的地球物理特征发生了显著变化，主要表现为：（1）煤层采空区冒落带与完整地层相比，岩性变得疏松、密实度降低，即单位体积内介质的密度降低，同时使得其导电性降低，在电性上表现为高阻异常。（2）煤层采空区裂隙带与完整地层相比，岩性没有发生明显的变化，但由于裂隙带内岩石的裂隙发育，同时使得传播于其中的导电性变差，岩石的电阻率明显变大。

5　工程实例

西北某煤矿属于地方小煤矿，于2005年关闭，该老窑采空区具体分布位置及其积水范围不详，由于煤矿受局部隔水层较薄和老窑采空区积水的影响，采掘工程和矿井安全受到老窑采空区水害的严重威胁，为防止水害事故的发生，应用瞬变电磁法对原该煤矿井田范围内2号煤层积水采空区的分布情况进行探查，为总体水文地质勘探与防治水提供参考资料。

根据已知资料得知，井田内中生界地层发育。北部地层出露很少，属掩盖区。南部沿河、沟、谷出露，属半掩盖区。由老至新有：三叠系，侏罗系，白垩系，新第三系及第四系地层。新第三系和第四系地层以粘土为主，电阻率大约为60Ω.m，电性特征为低电阻率。白垩系地层主要是泥岩，夹杂粘土。侏罗系为含煤层，煤层上部地层主要为泥岩，下部地层主要为砂岩，电阻率在70Ω.m到110Ω.m之间。三叠系地层以砂岩为主，电性特征为高电阻率。