复杂地形下瞬变电磁法探测多层采空区积水

李章波，陈　露

复杂地形下瞬变电磁法探测多层采空区积水

李章波1，陈露2

（1.中煤科工集团重庆研究院，重庆 400039， 2.西南石油大学 地球科学与技术学院，成都610500）

根据井田构造形态勘探线呈NE-SW向布置，瞬变电磁法测量采用40m×20m的网度400×400m发射线框，15A发射电流，8.333Hz发射频率，420μ s采样延迟时间等参数能够取得最佳数据效果。资料处理时采用直接剔除畸变数据和非线性滤波两种方法消除噪声干扰，处理结果为5号煤层含水异常区有14个，其中2个富水性强，5个富水性中等；8号煤层含水异常区有10个，其中1个富水性强；1个富水性中等；富水性中等以上的区域面积为113 281m2。经矿方实际掘进证实了研究成果的准确性。

瞬变电磁；多目标层；老空水；技术参数

瞬变电磁法（TEM）是利用不接地回线向地下发射阶跃波形电磁脉冲，激发地下导体产生感应涡旋电流，在涡流电流激发的二次磁场没有立即随一次场的消失而消失时，及时接收二次磁场并研究其与时间的变化规律，从而确定地下目标体的电性分布结构及空间形态的地球物理勘探方法[1]-[5]。它具有探测深度大、体积效应小、异常形态简单、分层能力强等优点，它对低阻充水断层、充泥充水溶洞、破碎带等不良地质体反应灵敏，易于探测出低弱的电阻率异常，可有效的区分采空区及含水区，因而在煤炭行业应用广泛。

探测研究区地理位置为东经110°57′51″~110°59′56″，北纬37°41′03″~37°42′43″。为吕梁山系梁峁状中低山黄土地貌，侵蚀切割强烈、冲沟发育，地形复杂、沟谷纵横，不利于探测方法的实施和解译。同时本次工作的目标层为5号、8号煤层采空区，埋深跨度大（180~520m），噪声干扰强。因而需要对探测技术参数进行对比试验和优化选取。

1　地质特征及其地球物理特性

1.1地形地貌

探测区属吕梁山系，井田内大部被黄土所覆盖，黄土层受强烈的侵蚀切割，形成为典型的梁峁状中低山黄土地貌，地形复杂、沟谷纵横，地势总体呈现为北高南低，最高点位于井田西南部，标高+1 114.6m，最低点位于井田中部的沟谷，标高+885.0m，最大相对高差229.60m。

1.2地质特征

探测区地表大部区域为黄土覆盖，基岩零星出露。井田内发育的地层由老至新有：奥陶系中统峰峰组灰岩、泥灰岩、泥岩、角砾状灰岩；石炭系中统本溪组铁铝岩、灰岩、泥岩、砂岩；上统太原组石英砂岩、砂质泥岩、泥岩及煤层；二叠系下统山西组砂岩、砂质泥岩、泥岩及煤层；石盒子组中细粒砂岩、灰绿色泥岩、砂质泥岩；上第三系上新统粘土、亚粘土（含钙质结核层）；第四系中上更新统黄土；全新统砂砾石。

5号煤层位于山西组，埋深约180～200m，平均厚度7.21m；8号、9号煤层位于太原组，埋深约280～320m，平均厚度分别为3.21m、3.78m，8号煤层上距5号煤层约47m。

1.3地层地球物理特性

一般而言，灰岩、煤层、砾石层、中粗砂岩、粉砂岩、泥岩电阻率依次降低，煤层的电阻率略高泥灰岩[2-5]。在横向上，煤系地层导电性具有均一性，当煤层中出现采空区时，则表现为异常高阻，当采空区充水时，则表现为异常低阻；通过对比探测到的电阻率的变化、异常，可得到异常分布形态 ，进从而达到探测采空区和老空水的目的[2]-[5]。

探测区地层的电性特征表、图1所示。

勘探区地层岩性、厚度及电阻率一览表

2　工作参数研究

图1　钻孔柱状图与旁侧测点视电阻率曲线对比图

不同的探测区、不同的埋深、不同的地质背景、不同的目的层与探测目标层数需选择不同的工作参数，合理的工作参数是完成探测目的的关键因素。本次选取45个试验点进行参数研究，检查物理点61个。

2.1发射线框规格

一般而言发射线框面积越大，探测深度越深，但纵向分辨率随之降低，同时降低施工效率。本次工作目的层埋深180m～320m，故选择边长为200×200m和400 ×400m的发射线框进行优选。

采用同频率25Hz、同发射电流15A、同采样时间3min对边长200m×200m和400m× 400m的发射边框进行试验，结果（图2）表明两种发射线框的起始有效数据点时间相同，400×400m线框的最后一个有效数据点时间比200×200m线框的晚十几毫秒，说明前者对于晚期信号的干扰压制效果好，能取得时间窗口更宽的原始数据，提高了勘探深度。因而应采用400×400m规格的发射线框。

2.2发射电流

图2　发射线框对比试验图

图3　发射电流对比试验结果

一般而言发射电流越大，一次场的影响越深，激发的二次场的强度也越大、持续时间也越久、勘测深度也更深。在发射线框为400×400m，同发射频率、同采样时间为3min时，对10A和15A的发射电流进行比选，结果如图3所示。当发射电流为10A时（图3a），原始衰减曲线末端数据出现蹦跳，数据离差较大，5Hz晚期道甚至出现负值（空缺，曲线不显示）；而15A时（图3b）晚期信号光滑、连续。可见，发射电流为10A时激发的二次场强度不够，不能有效的压制晚期信号的干扰，因而选择发射电流为15A。

2.3发射频率

发射频率影响充电时间和量测时间，发射频率低，充电时间和量测时间长，能接收到更深的信号（晚期信号），但浅部分辨率低；发射频率高，充电时间和量测时间短，晚期信号效果差，但浅部分辨率高。在同发射线框（400×400m）、同发射电流（15A）、同采样时间（3min）的情况下，对25Hz、8.333Hz和5Hz三种发射频率进行比选，结果如图4所示。

由图4可知，发射频率为25Hz时在100m深度处信号较密集，对浅部探测分辨率较高；发射频率为8.333Hz和5Hz时，200m～400m深度处信号较密集，能很好的探测中深部目的层，但发射频率为5Hz晚期信号强度低于背景噪声，抗干扰能力差。根据本次工作目的层的埋深情况（180m-320m），最终确定发射频率为8.333Hz。

2.4采样延迟研究

采样延迟影响不同深度信号的接收，采样延迟越大采集的深部信息越可靠，在同发射边框（400m× 400m）、同发射电流（15A）、同发射频率（8.333Hz）情况下对采样延迟时间为380μ s、400μ s、420μ s、440μ s进行比选试验，试验结果如图5所示，可见380μ s、400μ s的采样延迟信号很不稳定，440μ s的采样延迟信号衰减较快，420μ s的采样延迟信号稳定，故选择采样延迟时间为420μ s。

图4　发射频率对比试验结果

图5　采样延迟对比试验曲线图

3　现场工作

3.1仪器设备

现场仪器采用加拿大凤凰地球物理公司研制的第八代多功能电法系统（V8），由发射系统、采集（接收）系统、定位系统、数据记录处理系统组成；具有3个磁道、3个电道， 频率范围10 000Hz-0.000 05Hz （20000秒），工作温度-20℃-+50℃；采用GPS同步，当GPS信号不好时，系统内晶振时钟会自动启动同步；采用24位A/D转换器，可保持最高动态范围和分辨率；可接收多频点信号，提高了测量垂向分辨率和勘探精度；可高精度同步叠加、扫频，任意增加叠加次数和扫频时间；采用大功率发射机，频率高，可有效的避免干扰信号。

3.2测线布置

探测区地质构造形态为一走向北东、向北西缓倾的单斜，褶曲不发育，地层走向变化不大，地层倾角为5°~8°。因此本次工作勘探线沿NE-SW向展布，采用40m×20m网度进行一次高密度面性量测，以提高对中小异常的分辨能力。

本次工作布置测线58条，剖面总长23 260m，测线物理点1 212个，另有检查物理点61个，实验点45个。

4　资料处理

图6　资料处理流程图

4.1技术措施与流程

探测区为黄土覆盖的丘陵地貌，冲沟纵横，交通繁忙，干扰噪声大，因而采用直接剔除畸变数据和非线性滤波两种方法进行数据预处理。最终采用TEMPRO及IX1D瞬变电磁法处理软件进行数据处理，处理主要流程如图6所示。

4.2资料解释

资料解释采取以下步骤：①解析多测道断面图和对应的视电阻率断面图；②将视电阻率、视深度做成一个瞬变电磁测深的三维数据体，根据从不同角度切取的视电阻率等值线平面图进行富水异常的综合解释；③圈出含水异常带。

1）多测道曲线：根据二次感应电压表现为中间高两侧低的倒“U”形或倒“V”形特征解译含水异常体，富水性越强，中间高与两侧低的变化幅度越大（图7）。

2）等视电阻率断面图：当采空区或裂隙带充水时，导电性加强，在电法剖面图上表现为局部高电导、低电阻异常，视电阻率等值线上表现为“高-低-高”或圈闭状低阻异常。

3）视电阻率顺层水平切面图：多测道曲线和等视电阻率断面均是从测线剖面上进行的解释，未考虑含水体的平面联系，一般情况下，同一分布稳定、完整的层位其电阻率值变化不大，反映在视电阻率图上即等值线分布均匀、平缓；反之，若局部地层为富水和含导水构造区域，电性的均匀分布规律被打破，在顺层切片图上异常区就会呈现视电阻率值减小、等值线扭曲、变形圈闭或呈密集条带状等。

4.3地质成果

5号、8号煤层探测结果如图9所示（蓝色为富水区），由图9可知，5号含水异常区域14个，其中强含水异常区2个（深蓝色）、中等含水异常区5个（浅绿色区域）、弱含水异常区7个（黑色圈定区域），强含水区面积22 563m2，中等含水区面积83 898m2，弱含水区面积69 535m2；8号含水异常区域10个，其中强含水异常区个（深蓝色）、中等含水异常区个（浅绿色区域）、弱含水异常区8个（黑色圈定区域），强含水区面积3 587m2，中等含水区面积3 233m2，弱含水区面积37 005m2。

图7　多测道曲线含水异常示意图

图8　含水异常的瞬变电磁等视电阻率断面图

5　结论

1）由于场地地形起伏大，沟壑纵横，对比研究发现，发射线框边长为400×400m即可有效的压制晚期信号的干扰，再放大线框边长已无必要且影响施工效率。

2）考虑探测深度的要求和信号干扰的因素，瞬变电磁供电电流为15A时探测效果较好。

3）本次勘探目的层深度180~320m，对比研究发现发射频率为8.333Hz时对目标层探测的分辨率较高，抗干扰能力强。

4）为了采集到可靠的深部信息，采样延迟时间选择为420μ s。

5）工区沟壑纵横，交通繁忙，干扰信号多且较强，因而在数据处理时采用直接剔除畸变数据和非线性滤波两种方法。

6）通过实验选择的以上瞬变电磁法参数，在研究矿井取得了良好的地质效果。勘探结果表明，工区内5号煤层含水异常区有14个，其中2个富水性强，5个富水性中等；8号煤层含水异常区10个，其中1个富水性强，1个富水性中等。

7）成果验证：在勘探研究报告提交半年后，据矿方反馈，在掘进8101运输巷时，在8号煤层II号含水异常区外围警戒线发现岩壁潮湿，打超前钻，20m见老空（钻杆推进速度明显加快），22m见煤，25m见木屑卡钻终孔，涌水量1.35m3每小时。表明本次勘探在研究矿井取得了良好的地质效果，有效的指导了矿井巷道开拓，为煤矿安全生产提供了参考资料。

图9　煤顺层切片立体图（上图5号煤层，下图8号煤层）

[1] 陈载林，黄临平，陈玉梁. 我国瞬变电磁法应用综述[J]. 铀矿地质，2010.26（1）：51～54

[2] 范涛，李文刚，王鹏 等. 瞬变电磁拟M T深度反演方法精细解释煤矿岩层富水性研究[J]. 煤炭学报，2013.S1：129～135.

[3] 张占斌，孙世国， 董培鑫. 大定源瞬变电磁法探测抚顺煤矿采空区的研究[J]. 北方工业大学学报，2013.25(1)：90～94.

[4] 张运霞，牛向东. 瞬变电磁勘探技术在深部矿井水害防治工作中的应用[J]. 矿业安全与环保，2013.40(3)：100～106.

[5] 刘云. 起伏地形大地电磁、时间域瞬变电磁二维数值模拟及直接反演法[D]. [博士学位论文]. 成都理工大学，2012

[6] 黄启春. 瞬变电磁法在枣庄市采空区工程勘察中的应用[J]. 勘察科学与技术，2013.181（1）： 61～64

[7] 王凯, 刘鸿福. 瞬变电磁法运用 GDP-32Ⅱ探测煤层采空区的效果[J]. 工程勘察, 2012.2：92～95.

The Application of TEM to the Detection of Multilayer Goaf Water under Condition of Complex Landform

LI Zhang-bo1CHEN Lu2
（Chongqing Research Institute， China Coal Technology & Engineering Group， Chongqing400039；2-Institute of Earth Science and Technology， Southwest Petroleum University， Chengdu610500）

the feasibility tests and the optimal selection of emission frame size， emission current， emission frequency， sampling delay time， exploration line arrangement， and data processing techniques are taken in order to detect the deeply buried and multi-layer goaf water under condition of complex landform by the TEM. The results show that it is efficient that the emission frame size is 400×400m， the ?emission current is 15A， the emission frequency is 8.333Hz， the ?sampling delay time 420μs. The Exploration line was arranged NE-SW direction according to the structural form in the mine field. Detection results show that there are 14 abnormal aqueous areas in the fifth coal seam area， 2 among which are strong rich water areas and 5—medium rich water areas. There are 10 abnormal aqueous areas in the eighth coal seam area， one among which is strong rich water areas and one medium rich water areas. The total size of medium to strong rich water areas is 113281m2. The mine actual excavation confirms the accuracy of the research results.

complex landform； multi-target layer； TEM； goaf water； technical parameter

P631,3+25

A

1006-0995（2015）03-0443-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2015.03.030

2014-05-29

李章波（1983-）男，四川内江人，工程师，主要从事煤矿防治水方面物探工作