瞬变电磁探测在煤矿采空区积水边界探测中的应用

2018-02-01张文武

中国设备工程 2018年13期

张文武

（山东省地质矿产勘查开发局第二地质大队，山东济宁 272100）

在煤炭采空区中，积水会引发一些水害事故，不仅影响到煤矿的正常生产，还影响了人们的生命安全。所以要能够及时的对采空区中的积水进行探测，并进行去除，保证煤矿安全生产的顺利进行。

1 瞬变电磁法的基本原理

瞬变电磁法是利用一些电子设备向地下发送一次场信号，然后在一次场的间歇期间利用回线检测出二次涡流场的方法。瞬变电磁法的基本工作方式是在地面或者井下铺设一些具有波形电流的发射线圈，这样在线圈的周围就会产生一些磁场，地下存在的一些导电的岩石在磁场的作用下就会产生感应电流。把发射线圈断电以后，感应产生的电流由于热损耗的作用就会逐渐的减小。其减少过程一般分为早中晚三个时期。在衰减早期，其电磁场类似于频率域中的高频成分，所以衰减的比较快；而衰减的晚期则与早期正好相反，其类似于低频成分，衰减的比较慢。在对发射线圈进行断电之后，不同时间段的二次场随着时间的变化呈现出一定的规律，这样通过测量就能获取到不同深度下的地电特征。在进行检测二次场的时候，一次场已经断电了，所以在进行探测的时候就避免了一次场中耦合噪声的影响。因此瞬变电磁法的优点比较多，比如分辨率高、能产生最佳耦合、受环境的影响小、体积效应小等。

2 采空区的地球物理特征

在煤矿中，当开采完煤层之后，就会在地底下形成一些空间，形成采空区。随着重力的不断作用，采空区的上层就会发生坍塌现象，煤层上的覆盖层就会发生变化，产生岩移现象。这样就破坏了原来岩石层的完整，在岩石之间就会产生大量的空隙，这些缝隙使得此处岩石的电阻率就会高于原本完好的岩层的电阻率，这种电阻差距之间有时候是明显的，有时候是不明显的。明显的时候就会呈现出比较高的高阻特性，不明显的时候就会发生视电阻等值线的波动。但是由于地壳的不断运动，这些空隙还会被一些水或者土所填满，这样电阻率就比完整的岩层的电阻率要小，呈现出低阻特性来，这样我们就可以根据瞬变电磁法探测出采空区的积水边界。

3 瞬变电磁法中的成像技术

从瞬变电磁法的工作原理中可以得知，所接收到的感应电动势衰减曲线能够很好的说明接收线圈在垂直方向的矢量方向的衰减情况，并且所有的低阻值的岩石在地层中都是连接在一起的。所有在观察异常区域的情况时，无法清晰的得知异常区的变化详情，这样也就不能对瞬变数据的结果进行分析，这样也就无法得知采空区和积水区的范围，也就无法使煤矿进行顺利的安全生产工作。本文将对异常区范围的确定做出详细的描述，利用的东西是原始数据。

虽然使用不同的瞬变电磁装置会有不同的参数，但是在进行探测的过程中其流程是大同小异的。一般根据探测出来的瞬变数据进行采空区和积水边界的确定时主要的步骤有：资料的收集、视电阻率的换算和及时深转换、反演二维数据、后期处理、最后确定异常区。

（1）探测前的资料收集。相关的人员对于探测区域的地质资料进行收集，能够获得探测区域的地层分布情况以及可能存在异常的地层的地球物理特性。

（2）视电阻率的换算和及时深转换。通过探测出来的电位衰减时间的相应曲线，将其转换为视电阻率的时间曲线，还要对视电阻率进行相应的时深转换，在转换的同时要能够根据相关的地质资料对深度进行标定。

（3）二维数据的反演。相关人员通过计算机软件中的反演算法，将探测出来的数据转化为能够进行绘制的几何图案，将其显示在电脑上。

（4）后期处理。将数据变成图形之后，还要对形成的二维图形进行着色、切片等操作，这些图像资料可供瞬变数据的后期解释。接下来就是制作一些相关的图件，比如断面图、顺煤层切片图等，将这些图件与钻孔资料上面的地层进行对比，分析两者之间存在的共同点，来确定待检测的地层在断面图中的具体位置。

（5）采空区以及积水边界的圈定。从断面图和切片图中来划分出各地区的视电阻率异常的地方，还要参考水文地质资料，对这些异常区的富水性进行分析与评价，从而分析出地质结论，这样就能够确定煤矿的采空区以及积水边界的范围。

4 瞬变电磁法的实例应用

（1）地质概况。根据某煤矿的地表情况以及一些钻孔资料，能够得出煤矿中的不同地层，分别有马家沟组、太原组、山西组、石盒子组等，其中含有煤的地层主要有太原组以及山西组。此煤矿的总体为单斜构造，地层的主要走向是NE。

（2）参数的选择。本次探测选择的是来自澳大利亚的TEM-3型瞬变电磁仪，其技术水平比较的先进，相对于其它的一些瞬变电磁仪，有着自己的优点，比如能够实现实时监控、自动化程度比较高等。这种瞬变电磁仪在进行数据采集的时候一般由微机进行控制，能够自动的对数据做好记录工作，并能够对数据进行回放。在经过实际的勘察之后，进行探测的工作装置选择好回线装置、发射的频率、发射电压等。并且确定好观测时间。

（3）资料的处理。在野外探测中，瞬变电磁法记录的是发射框中瞬态变化的电流在地层中产生的电磁场，而进行数据处理的时候，就要根据这种瞬变磁场来计算地层中的物质的视电阻率。使用科学的方法对探测中的视电阻率进行精确地计算，并且要校正好关断时间。根据相关的实践表明，全程的视电阻率与早期、晚期的数值具有比较高的精准度和分辨率。在实际的探测过程中，如果对于探测结果的精度要求比较高，那么就要使用全程精确的方式。

（4）资料解释。瞬变电磁探测的目的就要确定积水边界，所以要观察所测数据的变化规律，并且根据已经知道的资料，进行从简单到复杂的综合分析。通常情况下，瞬变电磁资料的处理和解释都是同步开始的，这两者之间存在着一种从实际中获得理论认知的提高。对于瞬变电磁资料的解释，就是根据某一个点的数据和这整条侧线的视电阻率等值线断面图，来分析出采空区的积水边界。在对采空区的积水情况进行解释的时候，不仅要能够根据断面图进行分析，还要根据单点的数据和单支衰减曲线进行总体的分析。要获取相关的钻孔资料，来确定所探测地层的瞬变电磁采样道，然后对不同地层的视电阻率平面图进行绘制，两者进行结合来分析出采空区积水边界的大致范围。然后再根据相关的资料，对每个测点进行分析解释，使积水边界的范围更加的准确。

能够影响电性变化的一个主要原因就是采空区中的积水，所以要能够根据视电阻率的变化来判断采空区的积水性。当某个地区的视电阻率远远小于周围地层的视电阻率，就可以得知此地的积水性比较强。虽然有些采空区没有积水，但是其周围的空隙比较大，还存在着一些比较疏松的构造角砾岩，这种地区的导水性能比较好，这样也能出现低阻异常的现象。相反的，在采空区的一些地区没有积水，就会表现出高阻异常来。

（5）解释的结果。在进行瞬变电磁探测的时候，确定了相关地层中存在着一定范围的采空区，并且确定了积水边界，这样就能够保证煤矿安全生产的顺利进行。在测线视电阻率断面图上，横轴代表着点号，纵轴代表着标高，上等值线代表视电阻值率的数值。我们通过其中两条比较代表性的视电阻值率剖面进行解释。在第一个视电阻率断面图当中，我们能够观察到不同煤层的大概位置。以纵向的角度来看，视电阻率从低到高呈现出一种高阻到低阻再到高阻的电性特征，这种情况与地层的电性分布情况也比较的符合。在这个地区的部分区域呈现出高低不平的情况，视电阻率的变化也比较多，能够表明在这个地区内部分地层的连续性比较差。在第二个图中，积水区的区域视电阻值率一般都比较小，而采空区的视电阻值率一般比较大，并且还不时的有低阻出现，连通性比较好。根据煤层的不同，对于积水区和采空区的划分范围也不一样，都要根据视电阻率的实际数值进行划分。在同一区域的不同地层当中，都存在着一些积水区和采空区。如果岩层的积水性比较强，那么在视电阻率的曲线图当中在一些特定的线段内都会呈现出局部的低阻异常，并且在视电阻率断面图上，其等值线是向下凹陷的，使等值线不够线性，这样就会形成一个比较封闭的低阻区域。从横向的角度来看，能够观察出不同号点对应的标高位置，其视电阻率等值曲线发生比较大的波动。并且也向下凹陷，呈现出低阻反应，那么也就反映出此地区的积水性比较强。