秦 飞

(山西省煤炭工业厅煤炭资源地质局， 山西 太原 030045)

1 前言

瞬变电磁法基本原理是利用不接地线圈(当然也可用接地导线)供脉冲电流,在地下激发起二次涡流，在一次场断开后观测其涡流形成的二次场(瞬变场)及其衰减态势,可解释地下地质结构。这是因为瞬变场的参数强度及延迟时间是与地下岩体的参数和电性参数有关。良导地质体(如含水体)尺寸越大,导电性越好，瞬变场强度越大且热损耗越小，故衰减越慢,延迟时间就越长。据上述特征就可判断被探测的赋水体位置和埋深。

山西乡宁焦煤集团某矿井位于乡宁县城30°方向直距20km处台头村一带，行政区划隶属乡宁县台头镇管辖。其地理坐标为东经111°01′08″～111°06′20″，北纬36°03′14″～36°05′37″。矿井生产规模为90万t/a，批采煤层1～10#煤层。井田呈一不规则多边形，东西长约7.80km，南北宽约4.54km，井田面积14.352km2，批采1～10号煤层，开采深度由980～1 300m标高。井田范围由1～25号坐标拐点圈定。

为了勘探部分煤层采空情况，并圈定积水异常区，采用瞬变电磁法对矿井进行物探，本次物探工作勘查面积为5.3km2，与井田相对位置如图1所示。

2 仪器选择

本次勘查瞬变电磁法仪器使用美国Zonge工程公司

的GDP- 32Ⅱ多功能电法仪。主要技术指标为：

(1)TEM采样频带范围：DC～8kHz。

(2)直流(DC)输入阻抗：10MΩ。

(3)动态范围：190db。

(4)最小可检测电信号：0.03μV。

(5)相位精度：±0.1mrad(毫孤度)。

(6)叠加次数：2n任选，n=0，1，…，15。

(7)最大输入电压: ±32V。

(8)同步方式：高准确度的石英钟。

图1 勘查区与井田边界相对位置图

仪器在投入试验及正式生产前按照规范及出厂说明书进行了校验，各项技术指标均合格，仪器测量数据稳定，各项性能良好，达到设计要求，符合本次勘探要求。

3 仪器试验

图2 SN338接收机稳定性对比V/I衰减曲线

为了保证物探效果，对测量仪器的性能进行检验实验，检测仪器的稳定性及一致性。[1]根据本勘查区地质及地表情况，试验并确定合适的数据采集参数，确保施工仪器性能及采集数据质量符合规范要求且探测深度能达到勘查目的任务所要求的深度。

同时为保证此次试验效果，并确保各种参数选择试验不受地质干扰、电磁干扰等其他因素影响，结合已知钻孔资料进行对比分析，试验点根据下述条件进行选择。

(1)地质构造影响小的地段。

(2)高压线、厂矿等电磁干扰影响小的地段。

(3)平坦、开阔的地段，便于瞬变电磁铺框测量[1]。

因此，本次点试验选择勘查区北1650/4060号点，此区域无高压线等电磁干扰，且位于QW02钻孔附近。试验线选择1650线3 800～4 400点，此处存在已知采空区；930、970线2 140～2 420点，此处存在已知采空积水区，且位于QW06钻孔附近。

4 瞬变电磁法野外试验过程分析

4.1 仪器稳定性

在同一点位使用相同的仪器，采用同一参数进行重复观测，计算两组采样数据的相对均方误差以分析仪器的稳定性。本次勘查使用的接收仪编号为SN338、SN417。

(1)SN338仪器稳定性试验从图2可以看出，原测和重测单支曲线基本一致。通过计算，仪器采样数据总均方相对误差为1.54%，仪器稳定性满足野外生产要求。

(2)SN417仪器稳定性试验从图3可以看出，原测和重测单支曲线基本一致。通过计算，仪器采样数据总均方相对误差为1.66%，仪器稳定性满足野外生产要求。

图3 SN417接收机稳定性对比V/I衰减曲线

4.2 噪声电平

背景场采用接收机空采方式记录环境噪音，目的是确保正式数据采集时，最后有效道的数据大于背景场值，且与之对应的探测深度和分辨率达到要求。本次噪声试验选择干扰较小，平坦空旷的地方进行试验。从图4可以看出，本次勘查区背景噪声幅值在5μV/A以下，需选择合理施工参数保证探测深度达到最深目的层时有效分辨电平大于5μV/A。

图4 电平噪音V/I曲线图

4.3 采集参数试验

具体试验参数如下：

图5 不同发射线框V/I衰减曲线及视电阻率深度反演结果

发射线圈：360m×360m、420m×420m；

发射频率：8Hz、16Hz、32Hz；

发射延时：60μs、 80μs、100μs、120μs、140μs；

电流试验：8A、10A、12A；

叠加次数：128次、256次。

1)线框试验

瞬变电磁感应场强度与发射线框面积呈正比，发射线框面积越大其信号强度越大。TEM测深发射频率16Hz、供电电流10A、采样延迟为100μs、叠加次数256次，进行了发射边框为360m×360m和420m×420m的试验。由图5可以看出，发射边框为360m×360m和420m×420m时，衰减曲线圆滑光顺，均能反映电性特征，本次探测深度最深为390m左右，360m×360m发射边框能兼顾浅层与勘查深度的要求，为了保证感应场强度，同时提高工作效率，故选用360m×360m发射边框进行工作。

2)频率试验

瞬变电磁感应场采样时间与发射频率呈反比，试验目的是保证有效采样时间/视深度满足物探要求，目的层处于瞬变电磁探测的最佳测量深度控制段。TEM测深发射边框360m×360m、供电电流10A、采样延迟100μs、叠加次数256次，进行了发射频率为8Hz、16Hz、32Hz的试验。由图6可以看出，发射频率为16Hz，反演深度达到600m，没有畸变点；发射频率为8Hz二次场衰减曲线畸变点较多；而当发射频率为32Hz时，反演深度最大400m，目的层位于最佳测量深度的尾支，不满足勘查要求。因此选择16Hz作为采集发射频率。

图6 不同频率V/I衰减曲线及视电阻率深度反演结果

3)发射延时

发射延时的确定可以去除前期平头的影响，同时保证记录有效信号。TEM测深发射边框360m×360m、发射频率16Hz，叠加次数256次，供电电流10A，进行了发射延时为60μs、80μs、100μs、120μs、140μs的试验。

由图7可以看出当发射延时为60μs、80μs时，V/I衰减曲线前期有少量平头出现。当发射延时为140μs时，会出现有效数据溢出现象。一般来说，采样延时大，捕捉深部信息多。针对本区地质任务，兼顾浅层与深层信息，因此选择采样延时为100μs效果较好。

图7 不同延时V/I衰减曲线

4)叠加次数试验

随机电磁干扰采用增加叠加次数可以有效压制甚至消除，试验目的是确定探勘查区附近随机干扰的强弱、频率的特性，确定最少的压制随机电磁干扰的叠加次数。TEM测深发射边框360m×360m、发射频率16Hz、采样延迟为100μs、供电电流10A，进行了叠加次数为128次、256次的试验。由图8可以看出，叠加次数为256次时末期道数据离差变小，故采用256次叠加。

图8 不同叠加次数V/I衰减曲线

5)供电电流试验

一般来说，供电电流大，抗干扰能力和穿透能力强、信噪比高[2]。TEM测深发射边框360m×360m、发射频率16Hz，叠加次数256次，发射延时100μs，进行了供电电流为8A、10A、12A的试验。如图9所示，试验结果分析表明，供电电流为8A、10A、12A时，曲线衰减均正常，其有用信号均大于勘查区的背景噪声电平信号，因此为保持长时间的稳定供电我们最终确定供电电流为10A。

4.4 高压线试验

以1650线3 660点为高压线正下方，垂直于高压线外每10m一个点进行高压线试验。图10所示分别表示了距高压线0m、20m、30m、40m、50m、60m单点V/I衰减曲线。

图9 不同供电电流V/I衰减曲线

通过对比分析，确定高压线影响范围为60m。

4.5 方法有效性试验

1)采空区试验

图11所示为1650线3 800～4 400点视电阻率拟断面图，测线位于勘查区东部，此处2号和9+10号煤层均存在采空区。图中横坐标为测点距，纵坐标为标高，短虚线表示2号煤层底板，长虚线代表9+10号煤层底板。图中可以看出9+10号煤层4 100～4 400m处视电阻率出现凸起形态(图11中填充部分)，拟视电阻率值大于86Ω·m，由矿方提供的资料可知，9+10号煤层在此处为已知采空区，因此我们推断9+10号煤层4 100～4 400m处视电阻率异常为采空区引起的。由矿方提供的资料可知，2号煤层3 800～4 400m处均为采空破坏区，且2号煤层附近拟视电阻率值大于50Ω·m，因此推断2号煤层在3 800～4 400m处为采空区。

图10 距高压线不同距离试验V/I衰减曲线

图11 1650线3 800～4 400点拟视电阻率断面图

2)采空积水区试验

图12所示为930线2 140～2 420点视电阻率拟断面图，图中横坐标为测点距，纵坐标为标高，短虚线表示2号煤层底板，长虚线代表9+10号煤层底板。

图12 930线2 140～2 420点拟视电阻率断面图

由矿方提供的资料可知，2号煤层2 140～2 420m处为已知采空区，且附近QW06钻孔验证此采空，2 240～2 420m处拟视电阻率值小于40Ω·m，推断此处为存在积水。9+10号煤层煤层附近拟视电阻率曲线较为平缓，拟视电阻率值小于80Ω·m，异常不明显，推断为实体煤。

5 结论

本次瞬变电磁法试验圆满完成了试验工作量和试验任务，并达到了预期试验目的，结合本次试验、设计要求以及以往施工经验，得到以下结论：

(1)仪器因素：仪器性能稳定，接收机数据采集模式正确、可靠，满足精度要求。

(2)施工参数：发射线框360m×360m、发射频率16Hz、发射延迟100μs、叠加次数256次、供电电流10A。

(3)仪器的一致性：两台接收机性能稳定，一致性好，精度满足施工要求。

(4)本方法对采空区积水反应效果良好。

(5)干扰因素分析：本方法受高压线影响明显，影响范围约为60m。