瞬变电磁勘察煤田采空区的可行性解析

2016-08-11彭振洲

大科技 2016年5期

关键词：回线煤田可行性

彭振洲

（陕西省煤田地质局一三九队陕西渭南 714000）

瞬变电磁勘察煤田采空区的可行性解析

彭振洲

（陕西省煤田地质局一三九队陕西渭南 714000）

采空区属于重要的煤田自然灾害，是基于煤田开采作用下形成的，是影响煤矿后续开采工作有序开展的关键因素。瞬变电磁是以电磁感应原理为基础，分析、研究人工源激励下地质体响应信息，实现对地下地质体的探测目标，其属于时间域人工源电磁探测法。本文笔者将以瞬变电磁和煤田采空区为出发点，分析瞬变电磁勘察煤田采空区的可行性，以供相关人士参考。

瞬变电磁；煤田采空区；可行性

1 瞬变电磁法基本概述

瞬变电磁方法是基于电磁感应原理作用下的时间域人工源电磁探测法。瞬变电磁方法借助磁源（即不接地回线）与电偶源（即接地线源）向地下发送脉冲磁场，通常情况下为一次场，在此激发作用下，地下地质体重激励起的感应涡流将产生相对应的随时间变化的感应电磁场，即为二次场。二次场蕴含大量的地质体信息，以一次脉冲磁场间歇期间为依据，采用线圈或接地电极对二次场进行观测，并提取、分析响应信息，实现对地下地质体的探测。苏联最早将时间域电磁法应用至地质结构探测，我国研究瞬变电磁始于20世纪70年代初期。限差分法、积分方程法以及有限单元法是瞬变电磁数值模拟主要的三种方法。

2 煤田采空区基本概述

煤田采空区是基于煤田开采过程中形成的。由于煤层被挖空，导致上覆岩层的应力平衡遭到破坏，同时，受不同程度充水的影响，形成采空区，常表现为高阻或低阻异常。其中，电法勘探、地球物理测井、地震勘探、电磁勘探、放射性勘探以及微重力勘探均属于采空区物探勘察方法的探测原理。

3 瞬变电磁勘察煤田采空区的可行性分析

3.1 瞬变电磁法原理

瞬变电磁法是时间域电磁感应法，对于瞬变电磁法的勘探原理，是基于人工在发射线圈加以脉冲电流作用下，产生相对应的瞬变电磁场。该磁场通过垂直发射线圈迫使其传播至两个不同的方向。一般而言，发射线圈布设于地面，以半空间传播原理为指导，忽略地面以上。当磁场传播至地表深部时，若遇到不同介质，导致涡流场产生，或以量子力学原理为依据，产生较活泼的碱金属，亦或是使含有大量氢原子的液体的氢原子核沿磁场方向产生定向排列。当撤离外加的瞬变磁场后，致使涡流场释放或活泼的碱金属恢复到原本的能级，且在释放跃迁过程中产生一定能量。与此同时，含有大量氢原子的液体的氢原子也将恢复到原有的排列形式，并在磁场形式基础上，将所获得的能量释放出。基于接收线圈作用下，对感应电动势V2进行测量。

以线圈为对象，对V2进行接收，易对空间电磁场或相关的人文电磁场产生一定的干扰。为降低此种干扰的影响力，尽可能保证发射电流较大，迫使获得的激励磁场达到最大，提升信噪比，有效控制干扰。一般而言，分离回线、中心回线以及重叠回线是较常使用的接收装置，其中重叠回线效果最佳，所得信息具有较强的完整性。

3.2 瞬变电磁2.5有限元法正演的程序

该程序由一个主程序和多个子程序构成，其中，包括有限单元网格剖分子程序IPN、一次场计算子程序SINCA以及合成总刚度矩阵子程序等。具体程序流程，如图1所示。

3.3 一维模型计算

为验证2.5维程序的正确性与精准度，利用2.5维程序分析有解析解的一维模型。

（1）H型模型：模型参数分别为：ρ1=100Ω·m，h1=100m，ρ2=20Ω·m，h2= 50m，ρ3=100Ω·m。其中，2b=50m是中心回线的发射回线边长，Sn=50m2为探头等效面积。针对8μs-132ms的平均相对误差，分别为一次场1.6%和二次场18%，且采样早期与晚期是误差较大的时段。结果显示，一次场的有限元解与解析解大致吻合，且与其他地球物理方法的正演精度大致相同。二次场有限元解与解析解曲线状态完全吻合，但幅值存在差异。

（2）K型模型：模型参数：ρ1=100Ω·m，h1=100m，ρ2=200Ω·m，h2=50m，ρ3=100Ω·m。其中，2b=50m为中心回线的发射回线边长，Sn=50m2为探头等效面积。针对8μs-132ms的平均相对误差，分别为一次场1.6%和二次场21%。结果显示，一次场的有限元解与解析解大致吻合，且与其他地球物理方法的正演精度大致相同。二次场有限元解与解析解曲线状态完全吻合，但幅值存在差异。

图1 程序流程图

3.4 采空区模型抽象与数字模拟

在开采煤层过程中，导致采空区形成，加之不同地区水文条件存在差异，且采空区存在不同的填充物，基于电阻率作用下，相对于周围岩层，高阻或低阻形成于采空区。

在分析瞬变电磁勘察煤田采空区可行性时，结合相对与绝对的方法。其中，相对，即二次场相对于一次场和地质噪声能够被分离出来，换言之，未被一次场和地质噪声所掩埋。绝对，即基于现有仪器分辨率水平下，能够准确识别二次场，换言之，作为异常体响应有足够的点的幅值超出仪器最小可记录电平。

（1）低阻（充水）采空区模型：

模型1：模型参数：ρ1=100Ω·m，ρ2=20Ω·m，h1=100m，h2=10m且100m为水平延伸，2b=50m为中心回线发射回线边长，1A为发送电流，Sn=50m2为探头等效面积，基于8μs-132ms时间段内进行指数采样。其中，500m为异常体中心点位置，而350～650m为测量范围（如图2）。

图2 低阻采空模型1的多测道剖面图

由图2可知，时间处于16μs时，剖面几乎呈现出直线状态，则标志在此时刻下二次场远远小于一次场，特别是对数坐标下，且32μs与64μs的负异常现象最为显著，而128μs和256μs处于正异常状态下。

模型2：模型参数：ρ1=100Ω·m，ρ2=20Ω·m，h1=150m，h2=10m，100m为水平延伸，2b=50m为中心回线发射回线边长，1A为发送电流，Sn=50m2为探头等效面积，基于8μs-132ms时间段内进行指数采样。500m为异常体中心点位置，350～65m为测量范围。

图3 低阻采空模型2的多测道剖面图

有图3可知，16μs、32μs以及64μs三条剖面无限接近直线，由此证明，在此时刻二次场小于一次场，特别是对数坐标下。128μs时负异常较为明显，256μs与512μs时正异常较为显著。

（2）高阻（未充水）采空区模型：

模型1：模型参数：ρ1=100Ω·m，ρ2=1000Ω·m，h1=100m，h2=10m，100m为水平延伸，中心回线发射回线边长、发送电流以及探头等效面积等数据与上述模型一致（如图4）。

如图4所示，时间段处于16μs和32μs时剖面几乎呈直线状，可见在此时刻基础上二次场小于一次场，特别是对数坐标下。64μs时为正异常，但二次场幅值仍偏小。128μs时，中心位置为负异常，而两侧为正异常。256μs时刻为负异常。

模型2：基于其他参数不变的基础上，将埋深h1设置为150m。结果显示，时间段为64μs时剖面近似于直线，标志着该时段二次场低于一次场，特别是对数坐标下。128μs时刻为正异常，且二次幅值较低，512μs为负异常。

3.5 瞬变电磁勘察采空区的可行性

由以上模型和模型计算得知，埋深情况以及赋水状态是影响瞬变电磁二次场响应的关键因素。需注意的是：①本次研究采用GDP32Ⅱ电法工作站的TEM方法使用探头达到接收目的，1000m2为等效面积。换言之，基于接收磁矩的变化，可致使二次场值提升约200倍，若充分考虑发送电流倍数关系，二次场幅值将远高于电法工作站的最小输入电平。若以绝对意义为出发点，则表示可探测到二次场，并存在相应幅值。②针对采空区的实际情况而言，其走向方向延伸具有一定限度，不可能达到无穷效果，由于采空区模拟处于二维与三维之间，相较于实际模型而言，所求的瞬变电磁响应明显大些，且走向长度与深度的比值与具体比例存在联系，在此基础上，需进一步对三维进行验证。