瞬变电磁法在勘探煤矿采空区中的应用

黄欢HUANG Huan；李峰LI Feng

（冀中能源股份有限公司邯郸郭二庄矿，邯郸 056303）

（Guoerzhuang Coal Mine of Jizhong Energy Handan Mining Group，Handan 056303，China）

0 引言

近年来，小煤窑开采已经淡出公众的视线，但是经过多年的开采，遗留下大量的小煤窑采空区。由于小煤窑开采技术条件较落后，所造成的采空区位置一般离地表较浅，并且具有很大的不确定和未知性。随着城市规划等建设逐步向周边扩大发展，一部分的工业场地会建在遗留采空区的上部，为了保证安全以及合理规划厂房的位置，就需要准确地圈定这些采空区的位置和范围，为下一步的规划设计以及施工建设提供第一手可靠资料。瞬变电磁法在一次场断电的瞬间观测纯二次场，消除了由一次场产生的装置耦合噪声，具有体积效应小、横向分辨率高、与探测地质体有最佳耦合、受旁侧地质体影响小的特点，它以其无损性、简单高效性成为解决很多工程地质问题的首选[1～2]。

1 采空区地球物理特征

地层中的煤被开采以后，在地下岩层形成一定的空间，采空区上方岩层由于失去煤层的支撑，在重力作用下发生塌陷，煤层上覆岩体失去原有平衡发生一定程度岩移，破坏了岩石的完整性、连续性，致使岩层破碎出现大量裂隙[3]。当发育的裂隙间没有充水时，该处电阻率会比完整岩石处的电阻率偏高，不明显时则视电阻率等值线会出现异常波动，明显时则表现出相对高阻特性；当采空区域的裂隙被水或泥质物体充填后，该处的电阻率值将明显低于完整围岩的电阻率，表现出一定的低阻特征。不管是表现出高阻异常还是低阻异常，采空区的视电阻率值与未采区有明显差异，这种差异正是瞬变电磁法探测采空区的地球物理前提。

2 工程实例

2.1 地质概况

该市属于干燥的寒温带大陆性季风气候，温差较大。本区域主要含煤地层为侏罗系下花园组，共含有四个煤分层，即Ⅰ组煤、Ⅱ组煤、Ⅲ组煤和Ⅳ组煤，同时地表主要分布着全新统黄土砂砾混合组成的坡洪积物。乡镇煤矿及小窑开采煤层主要为Ⅱ组煤，一般在30m-150m，采空区埋深较浅，但无可靠采掘资料，本次工作的目的是确定100m以浅的采空区分布范围。

2.2 测线分析

在视电阻率拟断面图上，正常地层的电性变化有一定的规律性，反映在拟断面图上为视电阻率等值线呈似层状分布，变化平缓；相反，当存在采空区（含水）时，则视电阻率值增大（降低），等值线发生扭曲、变形或呈密集条带状等。通过分析测区附近已知采空区以及该矿采掘工程平面图等地质资料后，确定该测区电性反映为相对高阻异常特征，根据实验线的采集数据推测圈定采空区范围的视电阻率值下限为30Ω·m。本次工作区域内地表平坦，基本没有起伏，共布置测线35 条，施工面积0.066km2，测网密度10*5m，完整覆盖了整个测区。

下面以3、12 测线为例简要分析。

3 线由西向东布置，稍微北偏23°，共39 个测点，点距5m，长190m。地形平缓。拟断面图1 上，1～5 与12-39 测点视电阻率值均＜30Ω·m，等值线无明显扭曲，推断为正常区；6～11 测点视电阻率值 ≥30Ω·m，推断为采空区。

图1 3 线视电阻率断面图

12 线由西向东布置，稍微北 偏23°，共43 个测点，点距5m，长210m。地形平缓。图3 中17～21 与29～43测点视电阻率值均＜30Ω·m，等值线无明显扭曲，推断为正常区；1～16 与22～28 测点视电阻率值≥30Ω·m，推断为采空区。

图2 12 线视电阻率断面图

图3 工业园采空区范围分布平面图

3 结果分析

结合每条测线上的视电阻率剖面数据，得到整个工作区域的采空区分布范围，叠加到工业园部分的地形图上，所得结果如图3 所示。

测区内的采空区由于多数是小煤窑开采，所以形状不规则，根据瞬变电磁法探测结果，推断测区内采空区主要集中在西北部和中部。测区南部的测线长度逐渐变短，所以西南部不能确定是否存在采空区，在采空区的边界布置验证钻孔ZK1，当钻进到距地表20m 时发现采空区。

4 结语

勘察实践表明，具有高分辨率以及高灵敏度的瞬变电磁仪器使得瞬变电磁法在解决精细地质问题方面显示了独特的优势，选择合理的技术参数，通过瞬变电磁法可以快速获得浅部至中、大深度地层的电性信息，能够较好的解决采空区探测等地质问题，取得令人满意的探测结果。瞬变电磁法施工简单、经济合理兼具有无损性，能很好的满足各种地质工程问题。但同时由于物探结果的多解性，应该认真对比已有的地质资料，找出最佳耦合结果。

[1]牛之琏.时间域电磁法原理[M].长沙：中南工业大学出版社，2000：54-55.

[2]韩玉雷.瞬变电磁激发激化效应的利用工程地球物理学报[J].2006，3（5）：366-369.

[3]熊彬，罗延钟.电导率分块均匀的瞬变电磁2.5 维有限元数值模似[J].地球物理学报，2006，49（2）：590-597.