瞬变电磁及氡值测量法探测煤层积水采空区应用与研究

李彦星

（山西省煤炭地质物探测绘院，山西晋中030600）

瞬变电磁及氡值测量法探测煤层积水采空区应用与研究

李彦星*

（山西省煤炭地质物探测绘院，山西晋中030600）

基于瞬变电磁法和氡值测量法的基础理论，通过分析2种方法的特点及局限性，提出综合2种探测方法应用于煤矿采空区探测。结合煤矿积水采空区探测实例，通过采集、处理、成果推断解释等各流程的对比探讨得出结论。结果表明利用综合地球物理探测方法，可以有效弥补单一方法受干扰等问题出现，造成假异常导致解释成果精度降低的缺陷，提高了勘探精度，为煤矿安全生产提供保障。

瞬变电磁法；氡值测量法；积水采空区；干扰；安全生产

瞬变电磁法具有穿透能力强、干扰小、施工效率高、探测深度大等很多优点，广泛应用于金属矿产探测、水文地质勘查及煤层采空区探测。氡值测量法也应用于煤层采空区探测和煤层自燃区探测。以上2种方法在实际工作中均取得了很好的探测效果。但2种方法在实际应用中均存在一定局限性。如今城镇化、工业化进程不断加快，地面瞬变电磁数据采集时受工频及谐波干扰严重［1］。目前，各种去噪方法消除工频干扰的效果并不理想［2］。瞬变电磁法探测高阻体反映不灵敏，且会受“边框效应”影响导致数据质量变差［3］。浅层积水采空区附加效应对瞬变电磁信号影响也很大［4］。而氡值测量法在一个测点只有一个测定值，没有垂向的分辨能力［5］。基于以上分析，考虑综合应用2种方法对采空区进行探测。这样对照分析，相互验证可以提高资料解释精度。

1　瞬变电磁与氡值测量法基本原理

1.1瞬变电磁法基本原理

使用不接地回线通以脉冲电流作为场源，以激励探测目的物感生二次电流，在脉冲间隙测量二次场随时间变化的响应。由于二次场从产生到结束的时间是短暂的，即是“瞬变的”，所以称之为瞬变电磁法，其属于时间域电磁法。

瞬变电磁法的物理基础为电磁感应原理，即导电介质在阶跃变化的激励磁场激发下产生涡流场的问题。对于定源回线装置，瞬变电磁场表达式为：

式中：q——接收线圈有效面积；

R——发送回线半径，当发送回线为矩形时R=L/π；

a——地下导体的半径；

h——导体的中心埋深；

τ——时间常数，k=2πR/τ。

1.2氡值测量法基本原理

煤层采空区形成后，促使地质体发生变形，改变了地下地质体的应力分布状态，从而使地下液体气体的运移与集聚环境发生改变，对氡气的运移与富集具有一定的控制作用。首先煤层采空在地下形成较大空洞，成为地下水与气体的储存场所；其次采空区煤层顶板塌陷冒落，地下应力场改变，采空区及周边应力减小，地下气体及液体自然由高应力区域向低应力区域运移，造成氡气在采空区的聚集；最后在采空区冒落带及其派生裂隙形成后，气体自下向上运移，在地温与地压作用下，氡气必然与其他气体（CO、CO2、CH4、H2S等）一起自地下深处向地表迁移，在地表形成与采空区域平面形态基本相同的氡异常区。氡为非极性单原子分子，而活性炭为非极性吸附剂。当氡运移到活性炭表面时，这2种物质的分子或原子相互接近时，在色散力的主要作用下，氡则很快被活性炭吸附。在电离室测量氡及其子体衰变辐射出的γ射线强度，就可测量提取氡值数据。

2　工作方法

2.1瞬变电磁工作方法

瞬变电磁法施工装置类型较多［6］，根据探测目标体的不同，在施工时视具体情况选择相适应的装置。装置确定后通过现场试验确定发射和采集参数。国内常用的工作装置主要有重叠回线、定源回线和偶极装置。本次拟选定源回线装置施工。工程测线布设时垂直于主要构造走向，按工程要求比例尺度设计测网密度［7］。施工时接收机按测网设计测量点位依次顺点采集。

2.2氡值测量工作方法

在每个测量点的位置挖40cm深的倒锥形坑，将装有活性炭的瓶子编号后埋入坑中，在地表留记号便于取杯时找到埋置地点，工作笔记上记录该点埋杯时间等相关信息。埋置的活性炭瓶5d之后统一取出，记录取杯时间。送回实验室，放入活性炭测氡仪电离室中测量氡及其子体辐射出的γ射线强度，然后对测氡数据进行提取，对原始数据进行预处理后成图解释。

3　工程应用

3.1勘查地区地质概况

施工地区位于山西省西北部，地层由老至新分别是奥陶系、石炭系、二叠系、第四系，区内地表基本被第四系地层所覆盖，基岩仅在沟谷中出露。主要可采6、8号煤层，为保证煤矿安全生产，开展了地面综合地球物理探测研究。

3.2地球物理特征

瞬变电磁勘探是从测量地表电场的分布状况来分析地下电性情况的［8］，地下异常体的存在和分布必须使地表电场有明显变化才能测出。本次探查区域地层由老至新在纵向上各层电性差异较大，而横向上未开采煤层与积水采空区的电性差异同样较大［9］。由此可见，积水采空区的视电阻率明显区别于完整煤层的视电阻率，是瞬变电磁法探测积水采空区并分析积水情况的物理前提。

测氡是基于地层中含有丰富的天然放射性元素，其中又以铀的同位素所占比例最大，铀经一系列衰变后形成氡，氡及氡的衰变母体镭沿着构造带、裂隙和地下水的垂向搬运在地表富集，形成氡异常。放射性元素随水中的SiO2含量增加而增加，且地温的升高加快了氡向地表的迁移。本区勘查积水采空区，应用氡值测量法探测是可行的。

3.3数据采集

本次勘查设计测网为测线距40m，测点距20m，根据探测目的层布设320m×320m发射线框。瞬变电磁使用目前较为主流的加拿大凤凰V8电法仪。通过试验确定发射频率10Hz，发射电流6A，使用等效100m2专用探头，600次叠加接收。氡值测量仪器采用活性炭测氡仪，此方法测网与瞬变电磁测网一致，这样便于成果的对比分析。

3.4资料处理与解释

3.4.1瞬变电磁正反演数值模拟

针对本地区正常地层地电条件及采空区地电条件，建立相应地电模型进行瞬变电磁正反演数值模拟。旨在经过数值模拟得到地下采空区的瞬变电磁响应，结合理论模型分析瞬变电磁法探测煤层采空区的可行性。

正演：通过解频率域亥姆霍兹方程求得谐变场，通过域的转换技术将频率域转换到时间域，求得晚期视电阻率。并将计算结果通过与解析解的对照，验证其精确性。

假设3层层状地电模型，如图1-a所示：第一层为盖层厚度为100m，电阻率100Ω·m；第二层为煤层采空区厚度为20m，电阻率分别为5（Model 1）、20（Model 2）、80（Model 3）、400Ω·m（Model 4），分别代表采空强积水、采空积水、未采空及采空未积水4种情况；第三层为底层，电阻率为150Ω·m。模型参数：发射线框400m×400m，发射电流1A，采样时间为10-6～10-1s，指数等分50个时刻。

通过正演计算结果对比，图1-b所示：瞬变电磁探测低阻灵敏度高，但电阻率越低对深部影响越大，有屏蔽现象。如图1中Model 1米字间隔曲线所示。对高阻体即采空未积水，如Model 4三角间隔曲线与黑色均匀半空间曲线对比后，发现此方法对高阻体反映不灵敏。

反演：利用上文地电模型正演数据，使用一维Occam反演法计算，进行反演结果分析，得出瞬变电磁法探测煤层采空区的可行性结论。

从图2中看出2-a反演结果清晰，反演异常位置与给定模型基本对应，但是低阻层位下部200m以内数据均受上部低阻体影响，导致低阻体下部数据无法真实反演；图2-b看出反演异常结果位置准确，与图2-a比较图2-b采空煤层电阻率较大，所以对下部屏蔽不如图2-a严重；图2-c与图2-d均可看出瞬变电磁对高阻体反演不灵敏，其反演结果几乎没有高阻反映，无法准确识别。

图1　瞬变电磁采空区正演结果对比图

图2　瞬变电磁采空区反演结果对比图

通过针对本地区的数值模拟，得出瞬变电磁在本地区探测的理论结论：①可以有效探测呈低阻的煤层积水采空区；②无法准确探测采空未积水的高阻区域；③若上部有低阻积水采空区，则与其间距较近的下部地质体无法真实反演（即受条件所限瞬变电磁分层探测能力有限）。

3.4.2成果解释

瞬变电磁视电阻率拟断面分析。从已知资料得知在，钻孔ZK-1302（对应本次勘探工程布置为730线1030桩号）发现6号煤缺失，推断钻孔周围是煤层采空区域。从瞬变电磁730测线视电阻率拟断面图3看出此测线1000附近，剖面反映为低阻区域，根据电阻率变化，可准确圈定低阻范围。从剖面看出瞬变数据成层性较好，且反演结果与钻孔资料从纵向到横向基本吻合。瞬变电磁测线700～900、1200～1300附近推断为正常区域。

图3　瞬变电磁视电阻率拟断面图与钻孔对比图

氡值剖面曲线分析。如图4，490线由西向东布置，共76个点。由上图分析在350点处有个高值，而附近变化没规律，所以10～1090、1150～1390点推断为正常区，1090～1150、1390～1570点氡值起伏比较大，有规律性，氡值普遍偏高，推断为采空区。

图4　490线氡值剖面曲线图

瞬变电磁及氡值平面叠合分析。通过测线断面分析校正，进入平面分析阶段。本次勘查使用的2种方法数据处理，成果均按照数理统计法结合已知资料，通过人机交互来确定异常阈值。从统计概率角度，在具体计算算术平均值和标准偏差时，应该注意剔除极大、极小的值的影响，保证数据呈正态分布。使用处理后数据体生成断面及平面图，以视电阻率低于阈值200Ω·m划为瞬变电磁异常区；氡值测定值则将高于阈值620个计数/3min区域圈为氡值异常区。

从图5-a分析氡值异常，颜色由浅至深代表氡值由高至低。整体上北高南低，按氡值异常分析煤层采空区，则采空主要处于勘探区域北部，南部未见异常。从5-b看出瞬变电磁顺煤层切片平面异常基本与氡值异常相符，只是在勘探区南部瞬变电磁存在低阻异常。对照已知资料并结合实际采集情况分析，在实地采集数据时，勘探区南部有高压线经过，因此瞬变电磁数据受干扰，从而导致反演结果显示南部低阻异常，推断此处为假异常。又由于前文针对本测区所做数值模拟得出结论，本次瞬变电磁探测6号、8号煤层间隔较近，反演结果无法准确分层，因此无法分层推断各煤层低阻异常，只能将2组煤层合并为一层，按合并后顺层切片推断分析低阻异常。

3.5探测成果

图5　氡值异常及视电阻率平面图

结合已知水文地质资料及其他相关资料，并通过上文分析，得出本次综合物探勘探成果。本次勘探积水采空区位于勘探区北部，2种探测方法可相互印证；勘探区南部推断不存在积水采空区，因为氡值未显示异常，同时瞬变电磁在此处异常可信度较差。本区共划出积水采空区3处，矿方针对本次物探成果提前做出施工部署，且北中部圈定积水异常已得到验证。

4　结论

综合瞬变电磁法与氡值测量法应用于煤层积水采空区探测，可以弥补瞬变电磁在施工时遇到各种无法避免干扰时，造成数据质量下降解释成果精度降低的缺陷。又可以2种方法相互验证，排除假异常。这样可以从根本上提高地球物理勘探精度，达到优势互补。应用结果表明：此技术可有效圈定富水异常区域，推断积水采空区，指导矿方安全生产。同时可推广应用至其他勘探领域。

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1004-5716（2016）01-0153-05

2015-01-13

2015-01-14

李彦星（1980-），男（汉族），山西长治人，工程师，现从事地球物理勘探、地质灾害调查工作。