基于瞬变电磁法的采空区探测

陈 龙，任 龙

（中煤平朔集团有限公司 安家岭露天矿，山西 朔州 036006）

基于瞬变电磁法的采空区探测

陈 龙，任 龙

（中煤平朔集团有限公司 安家岭露天矿，山西 朔州 036006）

通过研究安家岭露天矿采空区测量方面相关理论，结合矿山实际情况，提出了利用瞬变电磁法探测采空区巷道布置及形态分布的方法，并在安家岭矿进行了工程应用。通过对测深数据的处理和解释，结合地质资料查明了矿坑内的采空区分布。

露天煤矿；瞬变电磁法；采空区

0 引 言

安家岭露天矿是我国自行设计、施工的特大型露天矿。露天矿分为3个采区，矿坑目前位于首采区，工作线南北方向布置，采剥台阶自西向东推进，形成了工作帮、端帮和内排土场共存的空间布局。

本区煤层埋藏较浅，小煤矿开采历史悠久。在目前露天矿首采区的推进方向上分布着已关闭的后东煤矿和白西沟煤矿，2个矿井的设计与开采资料不全或丢失，导致对井下巷道与采空区的布置与分布无法掌握。露天矿周边小煤窑的开采造成露天矿工作帮和端帮存在较多的巷道与采空区，而且多年前开采的小煤窑资料较少，采空区位置及形状已无法判断，在生产过程中威胁到设备及人员的安全，露天采矿开展好采空区探测工作是十分必要的。

1 问题的提出

在原有采空区探测成果的基础上详细分析露天矿开采范围内井工采空区的分布范围，对露天矿开采区域存有采空区的危险区域进行补充探测，以进一步确定采空区的空间产状和空区属性。为此，主要采用磁法勘探和瞬变电磁法两种地球物理勘探（物探）方法与技术对露天矿开采区域进行精查探测，火区探测以磁法勘探为主，采空区探测以瞬变电磁法为主，目的是查明井下巷道布置形式与采空区的分布状态及特征，为制定安全开采方案提供依据。

2 瞬变电磁法探测原理

瞬变电磁法属于时间域电磁感应法，依靠不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲场[1]。在一次脉冲场间歇期间利用回线或电偶极接收感应二次场，该二次场是由地下良性导电地质体受激励引起的涡流所产生的非稳电磁场[2]。瞬变电磁勘探装置示意图如图1。

良性导电地质体产生的感应二次场与地质体的电阻率密切相关，电阻率越低、低电阻地质体规模越大，感应二次场越高、二次场衰减越慢，图2是瞬变电磁发射一次场和接收二次场时序关系图。

图1 瞬变电磁勘探装置示意

图2 瞬变电磁发射一次场和接收二次场时序关系

有限导电地质体瞬变电磁响应可以用一个具有电阻和电感的回线上的响应相等效。回线中的感应电压正比于二次磁场的时间导数。

式中：τ为衰减的时间常数，电阻率越低时间常数越大。式（1）忽略了导电围岩和导电覆盖层影响。导电围岩的瞬变电磁响应可用“烟圈效应”等效，即导电围岩产生的电磁感应二次场可以用一系列向深部传播随时间增大半径增大的“电流环”产生的电磁场等效，电流环的存在会对不均匀的含水地质体产生电磁感应[3]。含水地质体上同点装置（中心回线）瞬变电磁感应电压具有中间低两侧高的异常特征，集流效应和激发极化效应将使这个特征更加明显，甚至可以看到负的瞬变电磁二次场，这也是瞬变电磁勘探在国内能大面积开展的原因[4-5]。

3 瞬变电磁探测采空区工程应用

3.1 瞬变电磁勘探仪器

本次探测投入项目的设备有GPS定位测量设备和瞬变电磁勘探仪器。瞬变电磁仪使用澳大利亚产terraTEM仪器。

3.2 测网布设

坐标系统采用1954年北京大地坐标系，横轴墨卡托投影，中央子午线为112°30′00″。物探测网布设使用SBAS差分手持GPS就各测点放样。

瞬变电磁勘探测线方向尽量与地质构造垂直，从而获取较强的地电信号，使地质效果达到最佳。根据本次勘探的地质任务，测线东西向布置，线距20 m，点距20 m，野外测量时在发现异常的区域则点距加密为10 m。测点编号由西向东依次增大，测线号由南向北依次增大。C6、C8、C9 3个区域瞬变电磁测网布置示意如图3。

图3 瞬变电磁勘探工区示意

3.3 施工装置与试验

勘探区目标层深度80～200 m，野外开工之前首先做瞬变电磁试验，目的是选择合适的装置和仪器参数，确保采集到能反映深度80～200 m的数据。

3.3.1 施工装置

常用的瞬变电磁勘探装置有重叠回线、大定回线源、中心回线装置等。目前，国内煤田水文物探中多采用大定回线源装置和中心回线装置，中心回线装置一般发射边长200～800 m的线框，数百米长的发射线框，若只观测发射线框中心点就移动位置势必会大大降低TEM法的工作效率。大回线源装置多用于精测剖面勘探，探测深度100～2 000 m，在频繁的测量过程中，效率较高、效果较好。

本次勘探选用大回线测量，可观测到回线内、外，可多台接收机同时工作，勘探深度大，划分异常细，工作效率高。

考虑到勘探区目标层深度浅，通过线圈大小和仪器参数的试验，在保证深度和工作效率的前提下要求关断时间尽可能的短，为此采用单匝200 m边长回线发射，TEM－70K瞬变电磁探头接收的大回线源装置。

3.3.2 参数试验

到达测区后，项目组还进行了叠加次数、采集增益的试验，具体结果如图4。

图4 不同叠加次数试验

1）叠加次数试验。不同叠加次数试验如图4，通过观察改变叠加次数，可以看出128次叠加时在采样时间后期有明显的“翘尾”，256次和512次二者较为一致，所以应采用至少256次叠加进行采集，综合考虑工区实际情况、工作效率与数据质量后采集统一采用512次叠加。

2）增益倍数试验。不同倍数增益试验如图5，通过观察调整增益倍数后的采集结果，可以看出16倍、32倍、64倍增益3种情况在早期吻合程度较好，几乎完全重合；在晚期时16倍增益数据质量变差，32倍和64倍相对一致，64倍增益采集的数据更加平滑。因此本测区测量时，早期增益可以采用16倍或32倍，晚期采集时应大于等于64倍增益。

通过试验最终确定的仪器测量参数为自动增益（早期32倍，晚期100倍）,叠加次数512，供电电流6 A。

3.4 数据处理及解释

瞬变电磁法是一种利用电阻率参数勘探的地球物理方法，它的数据解释需要与地质资料相结合进行，遵循由已知到未知、由定性到定量的原则进行。

勘探资料的处理和解释工作是同时进行的，通过多次进行资料处理、解释，提高解释精度，资料解释是建立在已掌握的地质资料，处理后实测数据的视电阻率拟断面图、视电阻率三维等值面图的基础上[6]。为了使解释更贴近实际，根据初步解释之效果的好坏，可能对一些参数进行调整处理，再进行处理和解释。下面是以C6测区为例的实际数据处理结果。

图5 不同倍数增益试验

C6测区共有36条测线，利用所有36条测线经过数据处理之后的全部数据，反演计算了C6测区地下三维电性结构（电阻率分布）。以下将从不同角度分析该三维电性结构及其采空区和赋水性。

图6是沿测线方向（东西方向）地下电阻率断面图。图7是沿南北方向给出的3个地下电阻率断面图，位置的东西向坐标x分别为12 264 m，12 300 m和12 390 m，选此3个断面的原则是每个断面均通过1个或者多个推断的可能采空区的中心。图8给出2个地下平面电阻率等值线图，其高程z分别为1 190 m和1 215 m。

上面给出了C6测区由瞬变电磁法探测反演获得的地下三维电阻率结构。这些处理和反演的结果与收集到的煤层地质资料相结合，可以对测区内的采空区进行多层次的推断解释和评价[7]。首先，全面审视地下三维电阻率结构，将其与煤层顶底界限比对，从而获得采空区的电阻率特征值，即高于电阻率特征值的区域解释为采空区。其次，将采空区电阻率特征值扩展为一个范围，在此范围内选择几个特征值，按这些特征值绘制相应的采空区范围[8]。

采空区电阻率特征值选择为700 Ω·m，采空区电阻率特征值范围为620～780 Ω·m，选择分别大于780、700、620 Ω·m的地下电阻率成图，将C6测区推断的采空区投影到地表如图9。

图6 C6区不同测线（东西向）地下电阻率断面

图7 C6区南北向地下电阻率断面图

图8 C6区地下平面电阻率等值线

4 结论

瞬变电磁数据的采集、处理和解释过程中，严格执行了有关技术要求，对野外资料进行了认真检查、验收，保证了原始数据的可靠性。通过对瞬变电磁测深数据的处理和解释获得了多参数综合解释图件，结合地质资料查明了工区内的采空区分布。

采空区的划分与圈定是基于本次地面瞬变电磁法勘探的解释成果，瞬变电磁勘探是基于地质体的电性差异进行异常解释的，引起地质体电性差异的因素很多，使瞬变电磁勘探与其它物探方法一样具有多解性。因此，在条件许可情况下，可以指导后续的瞬变电磁资料解释，提高探测成果质量，更好地为煤田安全生产服务。

［1］薛国强，宋建平，李貅.水平层状介质下瞬变电磁成像方法［J］.西安交通大学学报，2003（2）：215-218.

Goaf detect based on transient electromagnetic method

CHEN Long,REN Long
(Anjialing Open-pit Mine,China Coal Pingshuo Group Co.,Ltd.,Shuozhou 036006,China)

Through researching the relevant theory of goaf measuring aspects,combined with the actual situation of the mine,the article proposed the method of using transient electromagnetic to detect goaf roadway layout and shape distribution and carried out engineering application in Anjialing Open-pit Mine.By bathymetric data processing and interpretation with geological data,the mine identified the goaf distribution within the pit.

open-pit mine;transient electromagnetic method;goaf

P631.3+25

B

1671－9816（2017）03－00015－05

2016-10-21

陈 龙（1987—）男，辽宁阜新人，助理工程师，2010年毕业于辽宁工程技术大学矿物资源工程专业（露采），现任中煤平朔安家岭露天矿生产班值班副主管，长期从事露天开采、现场管理等工作。

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.03.005

陈龙，任龙.基于瞬变电磁法的采空区探测［J］.露天采矿技术，2017，32（3）：15-18.