曹 静，吴灿灿

(宿州学院资源与土木工程学院，安徽 宿州 234000)

地面瞬变电磁法对采空区赋水情况的应用研究

曹 静，吴灿灿

(宿州学院资源与土木工程学院，安徽 宿州 234000)

为了研究地面瞬变电磁法探测煤矿采空区的响应特征及探测效果的可行性，根据测区的地球物理特征以及工程要求，运用TerraTEM瞬变电磁仪在山东甘霖煤矿矿界内探测采空区范围及采空积水性方面进行了应用。根据地面瞬变电磁法对低阻体响应十分敏感的特性，并结合试验选取的工作参数，较准确地查明了采空区的位置及赋水性情况。实践证明，地面瞬变电磁法在施工过程中能够有效避免井下空间限制及周围金属支架等的干扰，对于低阻体位置的圈定及定性解释，地面瞬变电磁法可作为一种有效的探测手段。

地面瞬变电磁；采空区；赋水性

0 引言

煤矿生产过程中，严重制约其安全生产的灾害之一便是突水事故[1]，突水已造成国家经济损失、工人生命安全受到威胁等不可挽回的灾难[2]。因此，查明煤矿开采过程中采空区的位置及其赋水情况，成为辅助矿井安全生产的依据。

探测采空区范围及采空积水性，地球物理方法可以采用地震、直流电法、瞬变电磁、重力、可控源音频大地电磁法等方法，但对于富水性，有效的方法还是电法类，也就是直流电法、瞬变电磁、可控源音频大地电磁法等。根据前人经验，瞬变电磁法是圈定采空区范围、定性解释其赋水性最佳的物探方法之一[3]。杨镜明等[4]利用高密度电法和瞬变电磁法探测到煤矿采空区和未采区之间的电性差异明显；陈卫营等[5]利用TEM多装置对采空区周围地层稳定性进行调查；覃庆炎[6]建立煤矿积水采空区理论模型，通过分析瞬变电磁响应曲线来研究煤矿积水采空区的响应特征；柳夏等[7]在山西七岭煤矿边界老窑采空区利用瞬变电磁法探测其积水情况，为准确划分位置提供了依据。对于瞬变电磁法的异常解释，大量学者做了相关工作，为解决深度解释不准的问题，范涛等[8]将瞬变电磁法拟MT深度反演方法进行精细解释煤矿岩层富水性，Maxwell A M[9]利用MT视电阻率数据和相位之间的关系，对瞬变电磁进行了转换相位研究。

瞬变电磁法具有对含水体非常敏感、受地形影响小、探测深度中等、施工效率高等优点，被广泛用于水文地质调查[10]、矿产普查[11]、地质灾害调查[12]、道路建设[13]等领域。

1 方法原理

瞬变电磁法(简称TEM法)是利用发射回线或接地电极向地下发送脉冲式一次电磁场，而用接收线圈或接地电极观测由该脉冲电磁场感应产生的二次涡旋电磁场的空间和时间分布规律，来解决有关地质问题的时间域电磁勘探方法[14]。

高精度、高灵敏性、高可靠性的地球物理仪器是保障探测效果的前提，为了更好地完成勘探任务，施工过程中选用了澳大利亚联邦工业研究院生产的TerraTEM瞬变电磁仪。

不同的测区、不同的目的层埋深、不同的地质任务所选用的工作方法及施工参数不同，合理选择仪器工作方法、施工参数是完成勘探目的任务的关键[15]。为此进行了探测区的试验工作。在野外数据采集工作正式开始之前，根据试验结果，最后选择性能参数见表1。

表1 装置参数

2 工程应用

2.1 测区工程概况

地球物理勘探范围位于甘霖煤矿界内，井田总体构造形态为一宽缓的单斜构造，产状较平缓，一般5°～15°，沿走向、倾向均有舒缓的波状起伏。目标区位于我国东部，勘探区域地表较为平坦，表层大部分为黄土覆盖，基岩几乎没有出露，由北向南地势整体表现为先增高再不变的趋势。整个勘探目标区域被农作物及树林覆盖，东部和北部有小范围的水沟存在。

2.2 数据采集

测线、测点的布置是根据已有资料、瞬变电磁勘探要求、仪器设备能力等因素综合考虑。1)要求测线长度应包括一定范围的正常背景场，尽可能与已知区域相衔接，有利于资料的后续处理解释；2)测线的方位尽量保证能与推测异常体保持垂直，测线延伸到能追踪到的正常地层；3)测线、测点距离由探测目标体的深度、最小异常的尺度、测区干扰程度决定。勘探区内瞬变电磁法以测线距为40 m、测点距为20 m的方格网布置。

采用同一回线工作装置。测线、测点按方格网布置，线距60 m，点距20 m。在测区共布置瞬变电磁测点270个，测线总长度5 400 m(如图1所示)。

图1 瞬变电磁施工测线

2.3 数据处理与解释

资料预处理包括关断时间toff的影响及其校正。预处理的第2个内容为曲线的圆滑。由于各类干扰的影响，往往使实测V/I曲线尾枝出现波动，为此必须对实测曲线进行圆滑。通常可采用五点圆滑公式进行，但当尾枝波动过大时，常常效果不佳。本次采用自编的人机对话程序对曲线进行圆滑。对实测资料处理和解释，按照原始数据编辑进行(如图2所示)。

图2 原始数据编辑流程图

在数据预处理后，通过反演计算得到各测点的地层电阻率值以及深度值，利用这些数据，采用GoldenSurfer软件以及物探数据三维可视化系统对成果数据进行整理，绘制电阻率断面图瞬变电磁探测成果图等图件(图3～5)。

根据前人经验，将低于20 Ω·m的区域解释为低阻异常区[16]。通过图3(a)可以看到在浅层上出现相对低阻区域，但是和周围岩石的电阻率值相差不大，推测为近期雨量较大造成部分地势低洼区的积水结果。图3(b)为测线2的视电阻率断面图，从断面图可以看出来明显的低阻异常区域，推测埋深为200 m及以下存在采空区，并且赋水性较好。而从测点号为12及以后，电阻率值变化均匀，电阻率横向变化不大，成层性较好，推断此后煤层未采。

图4为测区内布置的7条测线对应的视电阻率断面图，从各测线断面图可以看出来各层的成层性分布以及垂向上的变化。从断面图可以看出测线L3埋深小于180 m以内的浅层地区电阻率水平方向变化不大，垂向上电阻率渐变，符合基本的曲线变化情况，近地表出现低阻区(测点号为17)，该处地表地势较低，推测为近期连续降雨积存所致、煤层没有开采。埋深到了中深部出现了明显的低阻异常，推测为采空区并且富水性较好。

(a)测线L1视电阻率断面图

(b)测线L2视电阻率断面图图3 视电阻率断面图

图4 三维瞬变电磁视电阻率断面图

从测线L4的断面图可以看出来浅层出现不规则的低阻区域，推测上部煤层已采，出现了采空区且富水性较测线1、2、3差。同时在地表低洼处(第8个测点)由于雨水的积存出现低阻情况。

测线5的视电阻率断面图可以反映出水平层状的平缓变化。测线6、7在埋深150 m左右(测点号为3)出现了低阻异常区，推测为采空区富水性较好区域。测线8、9近地表出现低阻区，推测为雨水积存的原因。

图5为测线3～9随机选取的第4个测点下方的电测深曲线，垂向变化整体表现为“H”型，测线下方没有出现相对值特低的低阻区域，推测该区煤层尚未开采。同时，也能看到，有些测点的曲线出现杂乱、无规律性，因为高压线的原因，造成后期数据处理误差偏大，这也是瞬变电磁法在野外施工过程中比较难处理的问题。

图5 电测深曲线

3 结语

瞬变电磁法是一种快速探测异常体的勘探方法，根据瞬变电磁法的特点，选择合理的工作参数，将其应用到地面探测煤矿采空区及其赋水情况，经济、有效，特别是针对低阻异常体，反应十分明显。对于瞬变电磁的多解性问题，可以结合地质、水文资料，能够提高物探资料的可靠性。同时，人文干扰、工业频率影响、时深转换准确性等情况，对物探资料的解释造成困难，导致解释结果出现偏差。

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The Applied Research on Assignment to Water Bearing Property in Mined-out Area by Ground Transient Electromagnetic Method

CAO Jing，et al.

(SchoolofResourcesandCivilEngineering，SuZhouUniversity，SuzhouAnhui234000，China)

In order to study the response characteristics of ground transient electromagnetic method to detect mined-out area and the feasibility of the detection effect，according to the geophysical characteristics in the measured area and construction requirements，this paper uses TerraTEM transient electromagnetic instrument to detect the scope of mined-out and water bearing property in the mined-out area in Ganlin coal of Shandong coal mine industry.Based on the characteristics of the ground transient electromagnetic method which is quite sensitive to the response of the low resistivity body，and combined with the working parameters selected in the experiment，the location of the mined-out area and the water bearing capacity are identified more accurately.The experiment has proved that the ground transient electromagnetic method can effectively avoid the interference from underground space constraints，surrounding metal stents，and other factors in the construction process.As for the delineation and qualitative interpretation of low resistivity body position，ground transient electromagnetic method can be used as an effective means of detection.

ground transient electromagnetic；mined-out area；water bearing property

2017-04-14

宿州区域发展协同创新中心全国开放课题(2014SZXTKF08) 宿州学院科研平台开放课题资助(2014YKF07) 宿州学院一般科研项目(2014yyb08)

曹静(1987-)，女(汉)，山东济宁，硕士 主要研究应用地球物理。

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.02.024

P631

A

1009-8984(2017)02-0100-04