采空区地质勘查中瞬变电磁法的应用分析

2021-01-06刘攀飞

中国金属通报 2020年15期

刘攀飞，李庚，刘梁

（江西省地质矿产勘查开发局九0二地质大队，江西新余 338000）

作为引发地质灾害的重要因素之一，煤矿采空区会对煤矿的安全造成非常严重的潜在性隐患，而且严重影响着本地的经济发展以及社会稳定。基于此，开展采空区探测的相关工作也逐渐发展成为了地质勘探中十分重要的一个任务。瞬变电磁法作为探测采空区探测的最佳方式之一，有必要对其进行深入的研究与分析。

1 瞬变电磁法概述

1.1 瞬变电磁勘探原理

所谓瞬变电磁法，它也属于一种时间域电磁感应法，其向地下发送一次脉冲场主要是通过不接地回线，或者是接地回线源来逐步实现的，其有关感应以及接受等等环节是通过一次脉冲场间歇期间发挥回线或者是电偶极的效用来完成的。这个二次场主要是由于地下良导地质体受到电磁感应所引起的涡流减少的一种非稳电磁场。通过观察到的二次场，对实际的衰减特征与处理之处的各种相关数据进行深入与客观的分析，以此也可以有效的判断出地下地质体的电性特征、赋存的位置以及形态等等。

在完成地层煤层的开采之后，地下的岩层会逐渐形成一定的空间，并且开采区的顶板也会随之在覆岩体的重力效用之下，岩层也出现了数量较多的裂隙以及空隙等问题，这样会导致其实际的导电性严重的变差，岩石的电阻率也会随之不断地增加，由此表现出了一种十分显著的高度特征。在采空区的空隙与裂隙逐渐被泥质或者水填充完之后，那么此处的电阻率也会随之不断变小，具体主要表现为一定的低阻的相关特征。采空区之内的视电阻率在与其他区域的视电阻率相比之后可以发现，两者之间的差异显著，这为瞬变电磁在采空区勘探中提供了良好的地球物理条件，此种特有的电性的异常反映可以逐渐作为划分采空区的一个非常的重要的依据条件[1]。

1.2 瞬变电磁法发展研究现状

瞬变电磁法主要指的是伴随着时域方法而出现的，发展在后但是发展十分迅速的电法勘探分支方式。在上个世纪的30年代左右，瞬变电磁信号被首次使用到了地质勘探的相关活动中去，当时所主要使用的是远区的工作模式。

（1）国外。在前苏联时期的1937年左右的时间段内，就已经有人提出了瞬变电磁测探法。在上世纪的五十年代之前，前苏联就已经建立了瞬变电磁法理论与野外施工的方法技术，并且也在60年代就已经成功的发现了奥伦堡地轴之上的大油田。前苏联在瞬变电磁法理论研究这一方面始终都是走在世界前列的，并且还有学者在50至60年代的时间段内成功的完成了瞬变电磁法的一维正反演的相关工作。在那之后，瞬变电磁法作为一种相对全新的电法勘探方式，并且也进入到了具体的使用阶段。在进入到60年代之后，各种短偏移、晚期以及磁源等瞬变电磁法也开始迅速的发展了起来。

另外，在20世纪的70至80年代之间，众多的西方国家都在长偏移法瞬变电磁理论这一方面做出了数量相对较多的研究，同时也十分顺利与成功的将其应用到了有关地热的调查以及地壳结构的相关调查中去。但是短偏移法瞬变电磁都处于一种试验与研究的时期阶段，并没有获得广泛与普遍推广。

（2）国内。我国从上世纪的70年代左右开始深入的研究瞬变电磁法勘探，我国的许多单位也都先后的开展了关于瞬变电磁法的理论以及方法技术研究，发挥的是近区中心回线法与重迭回线法的作用，还有远区的磁源法以及大回线源法等，这些都获得了十分巨大的研究成效。从上世纪的90年代直到今天，我国的瞬变电磁法勘探也逐渐的进入到了具体的实用阶段。与此同时，我国的诸多的知名探学者同样也是在理论方面获得相对重大的进展，像是方文藻、牛之链等，并且我国也逐渐生产出了一些功率相对比较小的仪器，主要以原地矿部物化研究所所研制的WD-C2型瞬变电磁仪作为主要的代表。

由上述总结可知，瞬变电磁法勘探的实际发展历程如下：20世纪的50年代左右是瞬变电磁法理论的初生与萌芽阶段，20实际的60年代诸多的研究人员对比较初步的简单的瞬变电磁响应获得了基本的认知。进入到20世纪的70年代之后，数值模拟促使诸多的相对比较复杂的算法都已经在计算机上获得实现，继而逐步推动了瞬变电磁法的持续发展。把瞬变电磁法应用于实践，需要充分依照具体实际的相关地质问题，深入地引入正问题以及反问题，基于瞬变电磁法勘探的相关理论来开展更加深入的相关研究。

1.3 瞬变电磁法数据处理与解释

（1）数据处理。瞬变电磁法观测的数据是记录不同测点的各个时窗的瞬变感应电压，因此需要换算成视电阻率、视深度等相关的参数，方便对资料来进行解释。

（2）成果解释。①电性解释与综合地质分析相结合：由于受到技术水平与手段的限制，其实际获得的原始信息以及经过处理探测成果数据资料都存在着相对显著的局限性与片面性，尤其是电磁法勘探成果还存在着一定的多解性。但是从地质规律的角度来说，此类资料都存在着一定的关联。在瞬变电磁成果解释时，可以使用多种方式来总结、集成分析与处理煤矿勘探以及生产过程中所获得钻探、巷探以及采掘揭露的诸多地质资料信息，像是数理统计、地质统计以及数学模拟等方式，结合电磁法数据成果，发挥地质理论效用开展综合地质分析，并且从其中提出一定的地质信息，利用相对特定的数学地质模型，将勘探区范围之内的构造发育以及煤层厚度变化的地质规律充分总结与研究起来，对瞬变电磁勘探成果开展相对深入的分析以及对比，实现资料解释的逐步细化以及深化，总结地质规律的电磁勘探的相关结果，促使相关成果的精度以及可靠性获得显著提升。②结合水平切面与垂直切面：视电阻率--深度拟断面图是基础，主要从横、纵两个方向对地层的电性变化特征进行更深层次的反映，同时给予层位划分、层位追踪以及深度确定等等方面的诸多信息，要是将已知钻孔、断层、煤层以及其他的特征层的地质信息附加上去，也就是可以构成综合拟断面图。

1.4 瞬变电磁法特点与局限性

由于瞬变电磁法是在没有一次背景状况下进行二次场的观测，与其他的电法勘探方法相比可以发现，其中存在着如下几个方面的特点：首先，这一方法观测以及研究的重点内容就是二次场，也就是纯异常场，并不会存在一次场的相关背景干扰，和常规电法之间存在差异，能促使异常简化；其次，有着相对较显著的穿透高阻覆盖层的能力，优于传导类电法探测；再其次，用同点组合装置的效用开展观测活动，继而与探测目标获得最佳耦合，有着相对较强的异常响应，并且形态非常简单，对于高阻围岩中的低阻反映也相对比较敏感，有助于低阻地质目标体的探测。最后，施工简单，工作效率高，很少会受到地形的限制。

2 瞬变电磁法在采空地质勘查的实际应用分析

本文主要以河南禹州的某煤矿为例，对这一采空地质勘查中瞬变电磁法的应用进行研究与分析。

（1）采空区探测分析。这一煤矿是由多个小煤矿所共同组成的，并且花费的开采的时间周期与跨度也相对比较大，另外，此煤矿的地质资料也是较为稀缺的，因此其可靠性也随之逐步降低，过去的那些资料早就已经不再满足当前煤矿安全生产的实际需求了。要保证可以逐步获得更多更为丰富的相关资料，并且将其作为生产的一种十分重要的依据条件，矿方决定开展有关地面瞬变电磁勘探工作，以查明采空区范围。

通过专门的资料调查研究客可以发现，勘探区内地层主要是由老到新依次是寒武系上统凤山组、奥陶系中统马家沟组、石炭系上统本溪组以及太原组、二叠系下统山西组与下统下石盒子组、二叠系上统上石盒子组、新生界第四系。普通情况下，新生界中存在的地层都是由砾石、砂以及粘土等共同构成的，地层视电阻率也是中高阻；二叠系地层多是以泥岩以及砾石为主，地层视电阻也是中低阻；而奥陶系、石炭系以及寒武系地层则是以灰岩为主要的组成部分，并且其地层视电阻也是一种高阻。在纵向上勘探区地层视电阻率的实际特征呈现主要表现为：高-----低---中---高。在岩层保持完整状态的时候，其实际电阻率会相对较高，由于受到了煤矿开采的相关影响，岩层出现破碎现象，破碎岩层经过泥质或者水充填后，有关岩石的具体的导电性会随之逐步增强，地层中的电阻率也随之进一步的降低，在有关电性特征上，会逐渐形成有关横向上的低阻异常状况，在进行煤层采空区的划分之时，可以通过相同层位的低阻异常区的圈定来确定。

（2）探测方式。本次探测施工所使用的仪器主要是PROTEM67D瞬变电磁勘探系统，而工作装置使用到的则是大定源装置，其主要是在回线内进行接收的，并且发射线框利用的也是400m×400m矩形回线，接受线圈的有效面积是200m2，测量道数30门，频率是25Hz，发射电流16A，积分时间30s，增益设置为23～24，有关勘探区域之内的测点需要尽可能的保证对其进行均匀的布置，其中，保证测点间距20m，测线间距40m。首先发挥TEMIXXLv4软件的作用，对于那些采集而的原始数据，可以对其进行合理的编辑与一维层状的反演，并且通过这种方式来逐渐收获视电阻率以及深度的曲线，在此之后，再注意将各条测线的视电阻率断面逐渐绘制出来，在这以后，需要对各条测线的视电阻率断面开展相对深度的分析与探究，标出其中存在的异常区域，同样需要深入的分析以及对比它和地质资料成果之间的差异，继而逐渐确定采空区的具体的分布范围。

（3）探测结果。图1与图2分别是1240线与2360线的视电阻率断面，并且在图表中，黑色的直线所表示的二号煤层，黑色的虚线所表示的则是二号煤层采空区。单从视电阻率断面图看来，位于浅部的视电阻率主要表现的是中高阻，推断是新生界地层的有关电性的相关反映，中上部的视电阻率从整体的表现来看是相对比较低的，并且也是煤系新生界地层的有关电性的反映，下部视电阻率主要表现的是高阻，同时代表的也是灰岩地层的电性反映。图1与图2中都有一个低阻的凹陷区，视电阻率也相对较低，推测图1异常区是二号煤采动之后所逐渐形成的采空区的实际反映。图2中的280～460测点之间，在二号煤层附近逐渐形成了低阻封闭区域，其视电阻率值与周边相比要相对较低，推测该异常可能是二号煤采空积水区的实际反映。

图1 1240线视电阻率断面

图2 2360线视电阻率断面

二号煤层视电阻率顺层切片如图3所示，如图中黑色椭圆所示，图中大约有6个影响范围相对比较大的低阻异常区，通过推测可以得知，它也是采空的一种相关的反映，这一状况与矿方具体调查的采空区位置大部分吻合。另外，依照低阻异常区的视电阻率，可以合理的推测1、2、3、4、5号低阻异常区之内是存着相对较多的积水的。经过本次勘察活动可知，二号煤层采空区6处，同时也客观的圈定了其实际的位置以及整体范围，继而达到勘探的最终目的。