小线框瞬变电磁仪探测煤矿采空区参数试验研究与应用

孙　林

(天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)



地质与勘测

小线框瞬变电磁仪探测煤矿采空区参数试验研究与应用

孙林

(天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

针对探测煤矿采空区常用的大线框瞬变电磁仪需要布设较大的线框，野外施工复杂，采集时采用磁探头接收，抗干扰能力差等问题，采用具有受地形起伏影响小，抗干扰能力强，铺设线框简单等优点的小线框瞬变电磁仪。通过对小线框瞬变电磁仪探测采空区的参数进行试验研究，并应用于实践，以及与传统大线框瞬变电磁仪探测结果进行对比分析，结果表明，采用小线框瞬变电磁仪探测煤矿采空区也能取得良好的效果。

小线框；瞬变电磁；探测；采空区

瞬变电磁法是探测煤矿采空区最常用的物探方法之一[1-2]，仪器大多采用PROTEM，GDP-32Ⅱ等大线框瞬变电磁仪。这些仪器的共同特点是需要布设较大的线框，野外施工复杂，采集时采用磁探头接收，抗干扰能力差[3-8]。而小线框瞬变电磁仪正好克服这些缺点，因其具有受地形起伏影响小，抗干扰能力强，铺设线框简单(边框为3m×3m)等优点，在地形条件复杂和地电干扰较大区域更具优势[3-8]。为了研究小线框瞬变电磁仪在煤矿采空区探测中的应用，以西安强源物探研究所研制生产的EMRS-3型微机电磁勘探仪为例，通过在野外进行实地数据采集试验，对采样道数、供电电流和叠加次数3个参数进行了研究，对其可行性以及应用效果进行了分析。

1　参数试验研究

1.1采样道数选择

EMRS-3型微机电磁勘探仪默认的采集道数为22道，图1为依据在山西朔州某地采空区探测数据绘制的曲线。从图1可以看出：在实际采集过程中，原始数据前2道衰减较快，数据经反演处理绘制的剖面图在浅部产生明显的高阻电性层(图2阴影区域)，即便浅部地层在电性上应该表现为低电阻率异常反映，在反演后的视电阻率剖面上也呈现高电阻率反映，这个问题在其他测区同样存在，这不符合地质规律。从理论上分析，由于瞬变电磁法是利用不接地回线向地下发射一次场，在一次场的间歇期间(断电后)，测量由地下介质产生的感应二次场，这前2道畸变数据应为一次场信号下产生的感应电压，是需要剔除的数据，分析后认为这是仪器关断时间设置不合适造成的，这也是该仪器需要改进的地方。所以在进行实际应用时，将前面2道数据直接删除，从而保证了采集数据的准确性，不会产生所谓的假异常，影响解释精度。

图1　采集道数分析

图2　原始数据反演视电阻率剖面

1.2供电电流选择

由于该仪器的原理是通过加大发射电流来达到增大勘探深度的目的，而该仪器以前主要用于金属矿勘查工作，且大多数情况下供电电流选用的是800～1200A，勘探深度在500～800m之间。本次试验研究的采空区深度约为200m，所以试验的电流从400A开始。在采用400A发射采集数据后，发现曲线尾枝平缓，然后才进行了600A和800A的试验。依据野外实测数据绘制成的衰减曲线如图3所示。从图3可看出：600A发送电流，曲线衰减规律及尾枝信号均较好；800A发送电流时，曲线尾部出现了大幅度衰减，因而选用600A的发送电流。

图3　不同发送电流试验对比

1.3叠加次数选择

从理论上讲，多叠加次数对随机的人工干扰消除效果好，但在实际工作中，曲线叠加圆滑后再次叠加，会把反映的正常异常圆滑掉，从而影响野外数据质量，所以在进行叠加次数选择时从最低的2次叠加开始试验，然后是4次、8次，依次类推。依据野外实测数据绘制的衰减曲线如图4所示。从图中可看出：2次叠加时曲线的首枝和尾枝均与4次和8次叠加时的曲线偏离较远，4次叠加在曲线后期测道有明显的凸起现象，在8次叠加时，不但与4次叠加时的曲线重合性较好，而且曲线整体圆滑，即已经可以消除干扰影响，满足野外数据采集要求。

图4　不同叠加次数试验对比

2　实例分析

2.1研究区地形及地质概况

为了探测上麻黄头村庄下部是否存在老窑采空区，为煤矿开采损害技术鉴定提供地质依据，需要开展采空区探测工作。研究区位于山西省朔州市平鲁区上麻黄头村，区内建筑物较多，各种电线也较多，且地形起伏较大，如果采用传统的大线框瞬变电磁仪来完成本次工作，铺设发射框的难度较大，且会造成框的误差较大，进而影响探测的精度，因此采用了小线框瞬变电磁仪来完成本次采空区探测的部分工作。

研究区地层自上而下依次为：第四系(全新统和中上更新统)、第三系、二叠系(上统上石盒子组、下统下石盒子组和下统山西组)、石炭系(上统太原组和中统本溪组)、奥陶系。

全区主要含煤地层为石炭系太原组。主要可采煤层有4号煤层、9号煤层、11号煤层等主要可采厚煤层，其中4煤煤层埋深在150～200m范围，也是本次采空区探测研究的目的煤层。

2.2使用仪器、工作参数和工作布置

在本研究区域采用EMRS-3型微机电磁勘探仪，采用重叠回线装置，发射接收线框均为3m×3m，发射电流600A，8次叠加次数。工作布置按20m×10m的网度进行，重点区域加密到10m×5m。

2.3资料分析

2.3.1剖面图分析

在视电阻率拟断面图上，若地层在不受含水区域或含导水构造影响的正常情况下，煤系地层的电性变化有一定的规律性，在拟断面图上视电阻率值变化稳定，等值线呈似层状分布，变化平缓，若煤层被开采后，致使周围的岩层破碎而出现大量的空隙和裂隙，则视电阻率值将明显比围岩高，等值线发生扭曲、变形或呈密集条带状等。下面以9线剖面图为例进行分析解释。

图5为本次研究区9线600～1100m段综合剖面图。图中的等值线为视电阻率等值线，黑色的虚线为本区的主采4号煤层底板，椭圆型阴影部分为推断的采空区异常。从该剖面可以看出：剖面640～680m以及940～1100m区域在电性上均表现为高电阻率反映，推断为采空区异常反映。

图5　瞬变电磁法9线综合剖面

2.3.2两种仪器探测采空区平面对比分析

图6为采用两种仪器在同一区域探测采空区的平面对比图，图6(a)为小线框瞬变电磁仪探测结果，图6(b)为大线框瞬变电磁仪探测结果。

图6　两种瞬变电磁仪探测采空区平面对比

其中大线框瞬变电磁仪采用美国进口的GDP-32Ⅱ多功能电法仪，采用中心回线装置，160m×160m的发射线框，3.5A发射电流，HZ垂直分量接收探头(等效面积10000m2)接收。从图中可以看出，研究区域的采空区大部分位于测区的东部和南部，两种仪器所探测采空区范围基本一致，说明采用小线框瞬变电磁仪可以达到大线框瞬变电磁仪探测的精度。

2.3.3小线框仪器探测结果与实际揭露对比分析

图7为小线框仪器推断采空区与实际揭露范围对比图。从图中可以看出，推断的采空区东边界基本上与实际揭露的范围一致，边界线重合，只是在部分地段稍有出入，但大部分区域平面误差均在5m范围以内。这也充分说明采用小线框瞬变电磁仪探测煤矿采空区也是可行的。

图7　小线框仪器推断采空区与实际揭露范围对比

3　结　论

(1)通过本次试验研究和实际应用可知小线框瞬变电磁仪不管是在地形平坦、地电干扰较少区域还是在地形复杂，地电干扰严重区域都可以开展工作，且在地形复杂，地电干扰严重区域更有优势；而大线框瞬变电磁仪只有在地形条件好，地电干扰相对较小的区域才能取得较好的效果。

(2)本次试验研究区域采空区的埋深为200m左右，但在实际生产中可能会遇到更多复杂条件、埋深较大的采空区探测，在探测较深采空区时还应该进行进一步的试验工作，以提高探测的精度。

(3)本次研究主要是将反演后的视电阻率作为唯一参数进行的，但物探解释存在的多解性是无法克服的，瞬变电磁法也不例外，在以后的工作中应针对该问题，对其他参数如纵向电导、衰减电压值、多测道剖面等多方面进行研究，以提高解释精度。

[1]张开元，韩自豪，周韬.瞬变电磁法在探测煤矿采空区中的应用[J].工程地球物理学报，2007，4(4)：341-344.

[2]杨光，陈玉玖，姜志海.小回线源瞬变电磁法在煤矿积水采空区探测效果分析[J].工程地球物理学报，2011，8(4)：399-402.

[3]杨农合，王辉，徐小林，等.应用瞬变电磁法小线框大电流探测隐伏断层[J].物探与化探，2011，35(1)：81-85.

[4]杨农合，徐小林，吴朝俊，等.应用瞬变电磁法小线框大电流探测水下构造[J].工程地球物理学报，2012，9(3)：279-284.

[5]杨农合，徐小林，吴朝俊，等.瞬变电磁法小线框技术研究及其应用[J].西安理工大学学报，2012，28(3)：345-351.

[6]曹国栋，刘树才，刘庆生.TEM小线框技术在近地表结构中的应用[J].工程地球物理学报，2005，2(4)：270-275.

[7]肖明辉，杨晋炜，闵长青，等.国内多匝小线框瞬变电磁研究现状探讨[J].西部探矿工程，2011，23(10)：158-160.

[8]陈易玖.小框瞬变电磁法(TEM)的勘探深度[J].湖北地矿，2003，17(4)：38-44.

[9]于景邨，胡兵，刘振庆，等.矿井瞬变电磁探测技术的应用[J].物探与化探，2011，35(4)：532-535.

[责任编辑：李青]

Experimental Studying and Application of Coal Mine Goaf Parameters Explores with Small Wire Frame Transient Electromagnetic Instrument

SUN Lin

(Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

To some difficult problems of coal mine goaf explore with large wire frame transient electromagnetic instrument，which include large wire frame layout，technology complex in outdoor，collection with magnetism probe，resisting disturbance capacity is worse，but small wire frame transient electromagnetic has the following virtues，such as unaffected by topographic，resisting disturbance capacity is good，wire frame layout is simple and so on.After goaf parameters studied with small wire frame transient electromagnetic instrument and applied in filed，then compared with the results that probed by large wire frame transient electromagnetic instrument，the results showed that the probe consequence was also better with small wire frame transient electromagnetic.

small wire frame；transient electromagnetic；explore；goaf

2016-02-18

国家重大专项资助(2016ZX05045007-003)

孙林(1976-)，男，山西洪洞人，高级工程师，主要从事地球物理勘探与地质灾害防治等方面技术的应用、研究工作。

TD166

A

1006-6225(2016)05-0008-03

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.05.003

[引用格式]孙林.小线框瞬变电磁仪探测煤矿采空区参数试验研究与应用[J].煤矿开采，2016，21(5)：8-10，51.