瞬变电磁法运用V8 探测深部采空区的效果★

温来福 孟庆鑫 郝海强 刘志远 刘国辉

(1.石家庄经济学院，河北 石家庄 050031;2.河北省地质调查院，河北 石家庄 050081)

瞬变电磁法是当前物探工作中的主要探测方法，它以电阻率差异为其地球物理前提条件，主要用于寻找低阻目标物，研究浅至中深层地电结构，因属纯二次场观测，受地形影响较小，工作效率高，并具有较高的抗干扰能力和分辨率等优势，从而被广泛用于油气勘探、钻石(金伯利岩)勘探、地层基底研究(深度达到2 000 m)、地下水勘察、地热勘察、矿产勘探和地下采空区探测，另外还有监控、工程及纯科学研究领域。V8Symtem2000.net 多功能网络电法仪(简称V8 电法仪)是加拿大凤凰地球物理有限公司自1975年以来开发的第八代地球物理数据采集系统。它可支持电法勘探的方法有:激发极化(IP)、可控源音频大地电磁(CSAMT)、大地电磁法(MT，AMT)、时间域瞬变电磁法(TDEM)、频率域电磁法(FDEM)和直流电阻率法(DR)等。但在我国目前主要应用于CSAMT 和MT 或AMT 方法。为此，我们以山西长治王庄煤矿采空区探测为例，利用V8 电法仪开展TDEM 法，通过对采集数据，资料处理与分析解释，较为准确地圈定出测区深部采空区分布范围，其探测成果与钻探结果是相吻合的。

1 测区地质、地球物理特征

1.1 地质概况

该测区位于长治屯留县，属黄土丘陵地形，勘探区地势平坦，均由第四系黄土层所覆盖，东、北部地势较高、南部低，区内最高点位于勘探区北部边界附近，标高为+928.5 m，最低点位于勘探区西南部绛河附近，标高+900.4 m，相对高差为28.1 m。测区内地层由老到新为:奥陶系中统峰峰组、石炭系中统本溪组、石炭系上统太原组、二叠系下统山西组和下石盒子组、二叠系上统上石盒子组和石千峰组、第四系。

主要开采含煤层是15-3号煤层，位于石炭系上统太原组下段，煤层埋藏深度为422 m～618 m，煤层厚度为0 m～2.45 m，平均厚度为1.51 m。含夹矸1 层～3 层，厚度变化大，层位较稳定，为全区局部可采煤层。

1.2 地球物理特征

根据现成测试的结果得到本测区主要岩层的电性参数如表1所示。从表1 可看出，第四纪覆盖层与堆积层，砂岩与泥页岩，煤层围岩之间均存在着明显的电性差异，这为利用瞬变电磁法查明地下煤矿采空区提供了必要的物质基础。

表1 岩层的电性特征 Ω·m

2 野外工作布置

1)方法和原理。利用不接地回线向地下发射脉冲式一次电磁场，用线圈观测由脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场的空间和时间分布，通过对其进行处理与分析可获取地下电性结构的分布，得到地下目标地质体的相关信息。2)测线布置。本次工作共布置8 条测线，编号为S1，S2，…，S8，测线方向为南北方向，测线间距为30 m，测点间距为5 m。S1 线～S4 线位于测区西部，S5 线～S8 线位于测区东部，测线长度从200 m～235 m 不等，测区北部有采煤巷道且在测区内地面有明显裂缝(见图1)。3)方法的选择。本次勘探的采空区目标层是15-3号煤层，埋藏深度为422 m～618 m，为深度采空区勘探，再根据区内地形、地质条件，确定本次瞬变电磁法勘探野外数据采集选择大定源回线装置进行野外数据采集。大回线源瞬变电磁法只在回线中间1/3～2/3范围内进行观测，并逐框移动，这样大大的提高了TEM 法的工作效率。4)仪器及测量参数选择。本次工作使用加拿大凤凰地球物理有限公司生产的V8 电法仪，该仪器属网络通讯方式的电磁场综合观测系统，其主要性能指标为:工作频率0.007 Hz～8 192 Hz，工作温度-20 ℃～60 ℃，工作湿度5%～100%。

在既能满足探测深度又能保证采集资料的质量的情况下，确定本次勘探的发射电流大于7 A，供电电压大于84 V，发射频率为5 Hz，发射线圈500 m×500 m，利用等效面积100 m2的专用接收线圈，观测场量为二次感应电磁场的磁垂直分量。

3 资料处理及解释

本次瞬变电磁数据处理使用Winglink 软件进行数据处理。将原始数据导入后进行数据编辑、数据加密和数据平滑(见图1);然后需要建立正、反演文件等;在室内数据处理的基础上，绘制瞬变电磁各测线电阻率反演断面图。

结合已知的地质钻孔和资料，对每条测线反演结果进行了解释，现以S1 剖面为例(见图2)。S1 剖面从北向南布置，共48 个测点，全长235 m，地形起伏不大，高差在5 m 以内，地表有明显的裂缝。由图2 可以看出，上部90 m 等值线呈起伏不均匀分布，电阻率小于40 Ω·m，为第四系上部耕植土、砂土及砂质粘土的电性反映;在90 m～300 m 等值线成层均匀变化，电阻率小于180 Ω·m，推断是太原组砂岩和泥质页岩的电性反映;在300 m～500 m 为山西组地层，也是本次勘探目的层。在剖面的0 m～10 m，深度500 m;45 m～68 m，深度400 m;120 m～148 m，深度500 m 以及163 m～190 m，深度450 m 处呈现局部高阻异常体，电阻率大于300 Ω·m，推断为采空区，在剖面的75 m～85 m 以及195 m～208 m 处，电阻率与围岩有明显差异，根据本工区的物性资料，推断为残留煤柱。后期布于S1 剖面上的验证孔王-124 在410 m 出现掉钻和冒落，从而证实了采空区的存在。

图1 平面推断解释图

结合全区8 条剖面的解释结果，结合已知钻孔资料，并且依据采空区在相邻剖面连续可追踪的原则，绘出采空区平面分布推断解释图，其成果如图1 所示，共圈定出4 条东西走向的深部煤矿采空区。

4 结语

通过对山西王庄煤矿采空区的探测和资料的解释分析，查明了地下采空区的位置并圈定了地下采空区的边界，为以后的防治和治理工作提供了依据。通过以上理论探讨和实例，可以说明用V8 电法仪器探测深部采空区可以取得很好的效果。

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