EH—4电磁成像系统在探测煤矿采空区中的应用

刘贵生?李明?何团

摘 要：由于小煤窑对某大矿的越境盗采，严重影响了大矿的安全生产。利用EH-4电磁成像系统对未知采空区区域进行物理探测，根据二维反演生成深度-电阻率等值线图，结合已有的煤矿地质资料，确定采空区的影响范围，为大矿下阶段的巷道布置和开采提供依据。

关键词：EH-4电磁成像系统；物理探测；采空区；电阻率

0 引言

煤矿采空区是指在煤矿作业过程中，将地下煤炭或煤矸石等开采完成后留下的空洞或空腔，未知的采空区会给煤矿的安全生产造成严重威胁。目前，采空区的探测方法大体分为现场调查、物探与钻探等方法。在实际工作中，通常是首先收集相关资料和进行现场调查，然后利用各种物探方法进行探测，最后对典型区域以钻探方法来验证、修正，使得物探资料解释更符合实际地质情况[1]。

EH-4电磁成像系统（简称EH-4系统），是由美国GEOMETRICS和EMI公司联合生产，采用了最新的数字信号处理器的硬、软件装置。该系统属于人工电磁场源与天然电磁场源相结合的一种大地电磁测深系统，是目前国际上先进的电磁法勘探手段之一。近年来，EH-4电磁成像系统在寻找矿产资源，地下水，探测地质构造、采空区等方面有了很多的应用，并且取得了很好的效果。

1 EH-4系统电磁测原理及特点[2]

EH-4电磁成像系统属于部分可控源与天然源相结合的一种大地电磁测深系统，深部构造通过天然背景场源成像，其讯息源为0.01～100.00kHz。浅部构造则通过一个新型的便携式低功率发射器发射1～100 kHz人工电磁讯号，补偿天然讯号的不足，从而获得高分辨率的成像。将大地看作水平介质，大地电磁场是垂直投射到地下的平面电磁波，则在地面上可观测到相互正交的电磁场分量为Ex，Ey，Hx，Hy。通过测量相互正交的电场和磁场分量，可确定介质的电阻率ρ值，即

（1）

其中f为频率。由于地下介质是不均匀的，因而ρ值称为视电阻率值。探测深度理论上为一个趋肤深度δ，即：

（2）

式（2）表明，电磁波的趋肤深度随电阻率的增加和频率的降低而增大。采空区探测采用EH4连续电导率剖面仪。该仪器采用独特的正交磁偶极可控源，结合地震仪技术，可自动、多频率采集数据，勘探深度为几米至一千多米，可现场实时成像。EH4电磁成像系统与其他物探方法相比，具有以下一些特点：

（1）采用人工场源与天然场源共同作用的方式，人工场源弥补了天然场源的在某些频段的不足，使该系统在10 Hz～100 kHz的范围内获得连续的有效信号。人工场源对解决浅部地质问题尤为有用。

（2）EH-4系统既具有有源电磁法的稳定性，又具有无源电磁法的节能和轻便的特点，它能同时接收和分析X、Y两个方向的电场和磁场，反演X-Y电导率张量剖面，对判断二维构造特别有利。

（3）EH-4的测量系统和发射装置都比较轻便，测量速度快，同时该系统具有较高的分辨率，为探测某些小的地质构造和区分电阻率差异不大的地层提供了可能性。

2 煤矿采空区的探测机理

煤层赋存于成层分布的煤系地层中，煤层被开采后形成采空区，破坏了原有的应力平衡状态。当开采面积较小时，由于残留煤柱较多，压力转移到煤柱上，未引起地层塌落、变形，采空区以充水或不充水的空洞形式保存下来；但多数采空区在重力和地层应力作用下，顶板塌落，形成垮落带、裂隙带和弯曲带[3]。这些地质因素的变化，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：煤层采空区垮落带与完整地层相比，岩性变得疏松、密实度降低，其内部充填的松散物的视电阻率明显高于周围介质，在电性上表现为高阻异常；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，裂隙中的充入空气致使导电性降低，在电性上也表现为高阻异常[4]。这种电性变化为以导电性差异为EH-4大地电磁法的应用提供了物理应用前提。

3 EH-4在采空区探测中的应用实例

3.1 探测方案的确定

为了查明小煤窑越境盗采引起的采空区的分布区域，根据现场的实际情况在大矿内沿井田边界线布置了一条测线，测线长度为300m。然后依据测线的勘探结果确定出采空区的位置，为采取科学合理的治理措施提供依据，测线布置见图1。

3.2 现场探测技术及过程

EH-4电磁成像系统由电源、主机、前置放大器（AFE）、磁传感器（Hx，Hy）与带有缓冲器的电极（Ex，Ey）组成。野外探测时将它们依次连接即可对一点进行数据采集，依此方法实现对整条测线的数据采集。

根据探测目的、探测条件和地形、地物等因素，一般选择电极距20m最佳。此时使测点距等于电偶极距，实现首尾相连的完整覆盖观测而形成电阻率探测剖面。电偶极方向应采用罗盘仪定向，用皮尺测量偶极水平距离，并进行地形改正，误差应小于1m，方位差小于1°。

磁棒离前置放大器的距离应大于5m，为了消除人文因素的干扰，磁棒最好要埋在地下，保证其平稳，用罗盘仪定向使 Hy磁棒与电极线垂直，误差控制在 < ± 5°，并用水平尺确定其保持水平。所有的工作人员离开磁棒至少 5m，尽量选择远离房屋、电缆、大树的地方布置磁棒。

主機应远离测量点，避免近场干扰，使测量点位于主机的远场区域，一般来讲主机应远离测点10m以上。

EH-4 电磁成像系统自带的简易数据处理软件操作处理流程为：启动IMAGEM→修改图形显示坐标OPTIONS （含电极坐标、频率比例、电阻率比例、深度比例、相关度、数据坐标等）→数据分析DATA ANALYSIS （查看数据等）→一维分析1-DANALYSIS （分析删除电阻率曲线）→二维电阻率剖面分析2-D ANALYSIS （含圆滑系数、剖面起始点、剖面终点、反演绘图、保存反演数据文件等）→surfer绘图→修饰调整→最终成果图[5]。EH4电磁成像系统布置见图2。

3.3 探测成果分析

经过现场数据采集与监测，测线各测点所采集的数据均是可靠的。对采集的连续测点数据行二维联合处理，完成EMAP静态校正及平滑处理后最终获得电阻率断面图。测线的EH-4二维反演剖面见图3。

图3为测线的二维反演剖面图，图中有1处高阻异常区，影响范围较大，深度在地表下280 ～370 m之间，水平范围在测线0～240 m之间，该异常区域扁平，等值线密集。该段测线临近Ⅰ勘探线，将测线投影至Ⅰ勘探线上，得到测线范围对应于煤层的水平与垂直范围见图3-4中的斜线阴影部分，煤层赋存特征参照Ⅰ勘探线剖面。如图所示，在探测线范围内的煤层标高为110m～210m，此范围地面标高480m左右，得出煤层埋深270m～370m。从两个图中可以看出，探测的异常区走势与煤层倾斜方向一致，深度基本上吻合，依次推断此高阻异常区为采空区影响区域。因此，可以确定小煤窑已经越境盗采，盗采形成的采空区的水平范围在0～240 m之间，深度在地表下280 ～370 m之间。

3 结论

理论与实践证明，EH-4系统具有较高的分辨率，可以进行实时数据处理和显示，资料解释简捷，图像直观，EH-4 电磁测深技术能够有效的探测煤层采空区，并且确定采空区的空间范围，为以后采空区、地下空洞以及岩性分带等地质现象的探测提供了一种可靠手段。

参考文献

[1] 刘士毅，孙文珂等.我国物探化探找矿思路与经验初析[J].物探与化探，2004，28（1）：1 -9.

[2] 昌彦君，王华军，罗延钟.EH-4系统观测资料的非远区场校正研究[J].吉林大学学报（地球科学版），2002，32（2）：177 -180.

[3] 钱鸣高.矿山压力与岩层控制.徐州：中国矿业大学出版社，2003.

[4] 于爱军. EH4电导率测量的数据表达形式[J].黄金地质，2004， 10（4）： 66.

[5] 徐德利.EH4电法测量在峪耳崖金矿区的应用[J].地球学报， 2004， 25（1）： 79.

作者簡介

刘贵生（1962-），阜新矿业（集团）有限责任公司，男，辽宁省阜新县人，本科，高级工程师。

李明，辽宁工程技术大学 机械学院。

何团，辽宁工程技术大学 矿业学院。