瞬变电磁法在煤下铝采空区探测中的应用研究

梁芳敏，潘 岩，魏继祖，赵锡岩，胡书礼

（河南省有色金属地质矿产局第六地质大队，洛阳 471002）

瞬变电磁法在煤下铝采空区探测中的应用研究

梁芳敏，潘 岩，魏继祖，赵锡岩，胡书礼

（河南省有色金属地质矿产局第六地质大队，洛阳 471002）

采煤后遗留的采空区是对煤下铝勘探工作的隐患，这里采用地球物理方法中的瞬变电磁法解决采空区的空间分布问题。针对采空区特定的地质条件选择了中心回线装置，并结合钻孔资料采用1D、2D反演方法确定了采空区的影响边界。实践证明，TEM方法在采空区勘探当中是一种有效的方法。

瞬变电磁法；采空区；异常响应

0 引言

煤矿采空区是煤下铝勘查中面临的主要问题之一，在实际工作区内多为小煤矿，由于设计和开拓资料不全或丢失，无法确定其位置和边界，且部分小煤矿已经关闭，无法对采空区进行实地调查，在煤下铝勘查工作中，煤矿采空区严重制约了钻探施工进度和钻孔质量，对煤下铝勘查工作也形成了潜在的安全隐患。确定采空区的空间位置、充填状态、连通性等情况，查明采空区的空间赋存特征，为煤下铝勘查提供保障，在地质勘查前期对采空区进行勘查与评价，是十分必要的。

瞬变电磁法以成本低、体积效应小、横向分辨率高、工作效率高、与探测目标体耦合性最佳等显著特点，被认为是探测煤矿采空区位置最佳物探方法之一，得到了广泛应用。

1 方法原理

瞬变电磁法是用不接地回线或接地导线通以脉冲电流作为场源，向地下发射一次场，在一次场间歇期间观测由地下介质产生的感应二次场随时间变化的特征，从而判断地下不均匀体的赋存位置、形态和电性特征，以达到寻找各种地质目标体的一种地球物理勘探方法。

将瞬变电磁法应用于煤矿采空区探测的前提是采空区与围岩存在电阻率差异，相对于围岩来说，采空区电性反映为高阻，当其充水后，电性表现为低阻据此可以把采空区从地质背景中区分出来。

2 采空区地球物理特征

当煤层顶、底板岩层完整时其电阻率较高，若地下煤层被采空，形成空洞或被地下水、冲积物充填，其上覆盖层因承压发生形变、坍塌，砂岩、灰岩常发育有破碎裂隙，电阻率就会迅速变化。采空区可分为充水和不充水两种地球物理模式，①若采空区内充水，则会呈低电阻率反映；②若未充水，则会呈高电阻率反映。地层的层序及结构发生变化，与正常层序地层形成差异，岩层的电导率和介电常数随之改变，其电阻率差异明显，变化范围较大，分析对比电性参数、区分电性差异，寻找异常区来划分采空及积水范围，是瞬变电磁法应用的理论依据。

3 研究区概况

3．1 地质概况

研究区处于华北地台南缘，属洛安地块渑池—确山陷褶断束，基底主要由太古界古老变质岩和元古界沉积—变质岩系组成，其上沉积有古生界、中生界、新生界地层。区内地层走向大致为N20°～80°E，倾向南东，倾角8°～20°。根据钻孔资料及煤矿揭露的地层资料，地层从老到新依次为奥陶系中统马家沟组、石炭系上统本溪组和太原组、二叠系下统山西组、下石盒子组、新近系和第四系。区内主要可采煤层为二1煤，二1煤顶板为灰白色厚层中粒含云母石英砂岩，厚为10m～22m。

3．2 物性参数特征

前人曾在河南省内多个铝土矿区进行过电参数测定工作，取得了较多的物性参数资料。通过收集整理河南省内部分铝土矿区主要地层岩性电阻率参数［1］、河南省重要铝土矿区岩矿石的物性参数［2］，并结合研究区物探工作取得的成果，将本区电性特点整理见表1。

4 方法有效性试验

表1 工区地层岩性及岩矿石电性参数统计表Tab．1 The statistical chart of stratum lithology and electrical parameters of ores in work area

为深入了解瞬变电磁法对采空区探测的有效性，确定技术方法在采空区不同位置的异常响应特征，在大面积投入工作之前，首先在典型工区（已知采空区）进行方法有效性试验。根据实地踏勘及资料收集，了解已知采空区的分布，在跨越Ⅰ＃已知采空区布设1条试验剖面长为700m，点距为100 m（其他剖面点距为50m），见图1。本次野外观测使用加拿大凤凰公司的的V8多功能电法工作站的瞬变电磁模块，发射基频为25Hz，采用100m×100m中心回线装置。

图1 研究区瞬变电磁工作布置图Fig．1 Arrangement diagram of TEM in the area

图2为瞬变电磁试验剖面反演解释断面图。由图2可见，浅部电性呈现横向比较均匀、纵向渐增的规律性变化，电阻率等值线的疏密变化明显，总体上为两个明显的电性分界面，分别反映了第四系与二叠地层、煤系地层与奥陶系灰岩的分界面。第一与第二电性界面之间为一相对水平的高阻异常，并有异常间互现象，反映了二叠系下石盒子组地层的岩性变化特征，在第二个明显分界面以下出现大片低阻，为已知采空区的异常反应，影响深度范围在标高为150m～220m。低阻异常有下延趋势，这与瞬变电磁测深的反演算法局限性及区内复杂的地质条件密切相关，推测采空区的低阻显示与其所处黄河堤岸塌陷区有关，沿裂隙渗水比较严重，电阻率较低。由此可见，瞬变电磁法对充水采空区均反应出明显的低阻异常，表明其在该区探测充水采空区是有效可行的。

图2 已知采空区瞬变电磁试验剖面反演解释断面图Fig．2 Inversed results for the test profile of TEM in the known goaf area

通过对试验剖面的分析解释，为我们利用瞬变电磁测深寻找采空区提供了标志性的指示特征：充水采空区主要表现为低阻，一般影响范围较大，其在剖面上往往表现为连续多个测点在接近奥陶系灰岩的深度上的低阻异常，形成较大规模的低阻区，结合对剖面异常的分析及钻孔资料的揭露得出，采空影响区电阻率对数值变化范围为0．6～2．6，其中瞬变电磁异常向下不封闭，结合地层情况可对其进行识别。

5 研究区剖面解释

在确定了方法的有效性之后，结合地质任务及研究区的地层走向，全区均匀布置共21条测线，方位为140°，测线方向与地质勘探线平行，网度100m ×50m，点距为50m（图1）。每条剖面进行逐一定性分析，依据典型工区试验剖面对采空区所反应的异常特征及采空区地球物理模式和划分标准，并结合钻孔资料，对剖面各异常情况做出合理的推断。同时由各剖面反演结果的分析得知，其地层电阻率变化规律与在已知钻孔上进行的正演拟合结果相同，但反演的地层深度偏深，根据各已知钻孔正演拟合（或钻孔的实际地层深度）与反演深度差异，计算得出反演深度的平均校正系数为0．66，并对研究区所有剖面的反演结果进行了深度校正。

5．1 已知钻孔的瞬变电磁法定量解释

为进一步了解瞬变电磁法定量解释结果的可靠性，对测区内收集到钻孔资料的8个钻孔的瞬变电磁测深数据进行了正演拟合解释。首先根据已知钻孔资料揭示的各电性层厚度和各电性层的电阻率参数，建立地层模型，然后不断修改层参数直到理论曲线与实测曲线拟合最好，为数据的最终反演提供了合适的模型。以ZK1068、ZK4016为例，其拟合情况见图3、图4，由图可知，测曲线与理论曲线拟合较好，其分层情况与实际的钻孔信息基本吻合，这说明瞬变电磁测深资料能够正确反映地层电性的垂向变化情况，通过钻孔拟合确定了区内地层对应的电性层特点，为划分地层和对比异常建立了合理的依据。在正演拟合计算中，奥陶系的高阻地层深度始终是地层模型的约束因素。

图3 114线ZK1608孔正演拟合Fig．3 The forward fitting for ZK1608of line 114

图4 138线ZK4016正演拟合Fig．4 The forward fitting for ZK4016of line 138

5．2 瞬变电磁典型剖面解释

5．2．1 瞬变电磁122剖面

瞬变电磁122线长为1 200m，如图1所示。测线300－600号点通过Ⅱ＃号充水采空区，其反演结果见图5，由图5可知，浅部电性呈现横向比较均匀、纵向渐增的规律性变化，电阻率等值线的疏密变化明显，即第四系与二叠地层的分界面较为明显，深部由于受充水采空区及断层的影响，电性分界面不明显，且不连续。测线300－500号点下方，标高为200m左右出现电阻率值从高到低的过度，并且低阻异常有下延趋势，与试验剖面对充水采空区所反应的异常特征相类似，故推断该低阻异常为Ⅱ＃号充水采空区的反应，钻孔ZK2400标高为206m遇采空区顶板（采空区高度4．56m），证实了采空区的存在，且顶板标高与等值线突变标高基本一致。在测线1000 －1100号点下方出现低阻异常带，推测为断层反应。

图5 122线瞬变电磁测深反演解释断面图Fig．5 Inversed results for line 122of TEM

5．2．2 瞬变电磁130剖面

130剖面长为1 450m，测线通过Ⅳ＃、Ⅲ＃号采空区，其中Ⅳ＃采空区为充水模式，而Ⅲ＃采空区处在施工采煤区域，应为未充水模式，根据收集的已知采空区资料，测线西北端150－400号点段通过Ⅳ＃采空区，870－950号点段通过Ⅲ＃采空区。图6为瞬变电磁130剖面反演解释断面图，由图6可知，其浅部电性横向变化均匀，断面整体上反应了区内地层电阻率从新到老渐增的变化趋势，等值线的变化规律与上述的122剖面的变化规律相似，可较明显分出两个主要界面，即第四系与二叠地层的电性界面、煤系地层与奥陶灰岩界面。两个电性界面之间为一相对水平的高阻异常，并有异常间互现象，反映了二叠系下石盒子组地层的岩性变化特征：①在水平方向50－400号点，标高为220左右靠近第二界面的深度上电阻率等值线密集，电阻率值急剧减小，并且随深度增大持续降低，呈较大面积的低阻区，推测为充水采空影响区；②在水平方向1 300－1 400号点，标高为160m左右，电阻率等值线变化急剧，并且向下出现低阻闭合圈，与试验剖面采空区异常特征有明显区别，因有采煤巷道经过，推测可能为未造成大面积塌陷的充水采空区异常反应；③在测线1 250号点深部，断面等值线出现了低阻到高阻突变带，推测为断层影响所致。在测线水平方向900号点处的钻孔ZK3212在标高为108．6m遇采空区顶板（采空区高度为3．7m），证实了Ⅲ＃已知采空区的真实性，断面等值线在测线870－950号点，即正在开采的煤矿巷道的Ⅲ＃未充水采空区上方，应表现为高阻异常，但电阻率值相对于背景高阻异常并不明显，等值线形态上亦没有明显反应，这与采空区规模以及采空区与围岩没有存在足够大电性差异有关，也显现了该方法在探测未充水采空区时灵敏度上不足。同时测线700号点处钻孔ZK3208、测线1 100m处钻孔ZK3216均无发现采空区，分层情况与实际的钻孔信息基本吻合。

图6 130线瞬变电磁测深反演解释断面图Fig．6 Inversed results for line 130of TEM

6 综合异常成果评价

研究区属于中小型煤矿工作区，巷道断面尺寸2．5×3．2m2，但已知钻孔揭露的采空区高度均在3．2m以上。为进一步确定采空区的空间特征，从平面上了解工区内采空区的分布情况，结合采空区地球物理模式及划分标准，及对瞬变电磁各剖面反演结果进行分析解释，将剖面上确定的采空范围与煤系地层结合起来，在平面上最终圈定了两个采空影响区，其编号分别为T－1、T－2（图7）。采空区的分布规律比较明显，所有采空区都被断层穿越，且T－1异常区受多个断层控制。这一现象说明，采空区虽然与采煤活动有关，但其后期的发展与空间分布受断层影响比较大，断层的存在容易导致岩层破碎，从而使原本规模较小的采空区崩塌形成较大规模的塌陷区。

图7 综合解释推断图Fig．7 Comprehensive interpretation map

7 结论

由瞬变电磁法对已知采空区反应情况可知，对地下水位线以下低阻富水采空区反应较好，反映的低阻异常均与已知采空区基本吻合，但处在地下水位线以上的未充水采空区高阻异常，相对于背景其反应不明显，这与采空区规模以及采空区与围岩没有存在足够大的电性差异有很大关系，也显现了该方法在探测未充水采空区灵敏度的不足，可尝试通过改变调节测网密度、线框大小、发射频率和发射电流等工作参数多次试验［3］，以使得在探测未充水采空区时取较好的效果。本次圈定的采空影响区均已得到了钻孔资料的验证，圈定的异常区内、外均与实际的钻孔资料吻合，这充分表明了瞬变电磁测深对探测富水采空区是有效可行的，并且效果明显。同时瞬变电磁法也存在一定的局限性：充水采空区低阻异常并未封闭，呈无限下延趋势，这与V8TEMIX1D软件Occam反演算法局限以及复杂的地质条件有极大关系；瞬变电磁法的反演深度存在很大的不可靠性，因此要结合已知的钻孔资料对其反演深度进行校正，使其反演解释尽可能的接近实际的地层情况。

通过本次在研究区内瞬变电磁测深对采空区进行的探测，利用已知采空区显示的电性特征，对未知空白区做了合理的解释，结合地质资料推断了采空影响区分布范围及空间特征，为研究区煤下铝勘查工作提供保障，同时也为今后全采空区探测提供一些经验借鉴。

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The appliance research of transient electromagnetic method on detection of goaf in bauxite－coal mine area

LIANG Fang-min，PAN Yan，WEI Ji-zu，ZHAO Xi-yan，HU Shu-li
（Henan Provincial Non-ferrous Metals Geological and Mineral Resources Bureau No．6 Geological unit Team，LuoYang 471002，China）

Gob left after coal mining is a hidden danger for aluminum exploration．Transient electromagnetic method （TEM），one of the geophysical method is adopted to solve the problem of spatial distribution of gob in this paper．The central loop is chosed according to the special geological condition of gob．The influence boundary is determined by the 1Dand 2D TEM inversion mothod constrained with the drilling data．TEM is an effective method for gob exploration in practice．

transient electromagnetic method；goaf；abnormal response

P 631．3

A

10．3969／j．issn．1001-1749．2015．03．09

1001-1749（2015）03-0319-06

2014-08-12 改回日期：2014-10-16

河南省国土资源厅地质科研项目（2011-622-15）

梁芳敏（1984－），女（壮族），工程师，从事地球物理勘探工作，E-mail：jiayu＿889＠163．com。