瞬变电磁法在采空区探测中的应用

2019-08-08熊剑飞胡建强刘忠喜

陕西煤炭 2019年4期

熊剑飞，胡建强，刘忠喜

(上海勘察设计研究院(集团)有限公司华南分公司，广东佛山 528000)

0 引言

采空区是由人工挖掘或地表下的自然地质运动产生的空隙区域。采空区的出现，会对采矿作业构成很大的安全隐患[1-3]。因此，整个矿区对采空区的探测极其重视，采空区的管理也在全面加强。在采空区出现危险之前，先通过具有非破坏性检测特征的地球物理方法进行检测，然后进行有根据的预防和控制，可以达到消除安全隐患的目的[4-7]。因此，使用地球物理方法来检测和描述采空区的范围和深度对于矿井安全非常重要。

1 瞬变电磁法的原理和优点

1.1 瞬变电磁法的原理

瞬变电磁法(也称为瞬态电磁法)，作为一种电磁检测技术，具有无损高鉴别率的优点，不同于普通的探地雷达。检测到的视电阻率可用于映射瞬态电磁，并提供埋藏地下的物体的相关信息。

瞬变电磁法在实际工作中由发射回线、接收回线两部分组成，而工作过程又分为3个部分：发射、电磁感应、接收。根据电磁感应理论，阶跃电流通过发射返回线，当磁场在传导期间遇到良好的导电地质体时，在内部产生感应电流(涡流或二次电流)，电流随时间变化并产生新的磁场，也称为次级磁场。感应电流在导电良好的地质体中产生热量，次级磁场随时间呈指数衰减，形成瞬变磁场。次级磁场的源头主要是导电地质体的涡流，能反映地质信息。

通过观测次级磁场“烟圈”图像可说明瞬变电磁法的检测原理：二次感应涡流产生表面接收的二次电流，涡流以等效电流环的形式向下扩散，如“烟圈”。随时间的推移，“烟圈”的扩散和分布受地下介质的影响。已知早期瞬变电磁场由近表面产生，从而反射浅电分布，深感应电流则产生晚期瞬变电磁场，该电磁场也能反映出地下深处电性对应的分布。因此，观测和研究大地瞬变电磁场随时间的变化规律，即可研究地球电垂直方向的变化，如图1所示。

图1 瞬态电磁工作原理示意图

1.2 瞬变电磁探测法的优点

观察发射电流脉冲暂停期间的间歇电磁场响应，由地下介质产生的磁场随时间变化。在场源中没有干扰，这是电磁法的时间可分离性。通过专家提出的谐波探测研究法，得出结论，各种低频和高频谐波叠加产生相位跳跃脉冲。产生的原始场是宽带电磁波，其瞬变电磁响应不同于延迟观测频率。这将导致在地质层中产生的场拥有相异的传播速率，并且探测深度也不一样，即瞬变电磁法在空间中的可分离性。瞬变电磁学的特征在于两个可分离性，通过手动源方法的低干扰和穿透高电阻层的能力。

2 研究背景、设备和数据采集

2.1 工程背景

特拉布拉煤矿以前为井工开采，很多采空区位置不够明确。采空区的位置直接造成矿井工作面的布置和煤炭皮带运输等方面的问题，同时对作业人员形成了安全隐患。通过现场调查，结合矿山提供的疑似采空区，考虑到人员分布，采矿办公室到现场试验区的距离等因素，选取矿区的偏远地区是最终的调查实验区，图2为实验区域选定图。选择重叠环路设备进行检测，所用的瞬变电磁发射器类型为ATEM-10 kW，接收机采用的型号是ATEM-Ⅲ型。

图2 实验区域选定图

2.2 进行采集数据

针对本次探测研究，选择重叠回线用于地形特征，地电条件和实验区域中的工人数量。铺设试验网时，尽可能沿垂直层和主要结构方向走线；一般而言，发射帧较大，人体噪声和浮动电流等干扰区域也较大，但发射帧较小，无法达到跟踪目标层和埋藏深度的探索任务。因此，设置接收线圈净长度为50 m×50 m，线间距为44 m，点间距为20 m，接收线圈的总面积为2 500 m2。

工作时，确保连接外部电源、发射线圈、接收线圈、发射器和接收器同步用线以及外部匹配电阻。打开发射器后，在作业模式下输入“1”，然后按向下箭头键将光标移动到设定的作业频率位置。输入“5”，表示工作频率选5，为12.5 Hz。传输频率的选择见表1，检测深度越深，相应的选择频率越大。

表1 发射频率对照表

设置接收器参数后，使用主界面上的向左和向右箭头键将盒子光标移动到“获取”位置，然后发射器按下“发射”按钮，再按“确定”，进入采集画面。图3为采集结束界面。

图3 采集结束界面

3 数据的处理和分析

3.1 建立对应的信号及文件

设置发射器参数后，开启接收器。根据瞬变电磁机的工作电流和关闭时刻记载的相对恒定的工作电流，关闭时间和仪器位置的高程值并确定与信号对应的Itr行号，见表2。

表2 瞬变电磁机接收到的数据

3.2 Grapher 4.0软件确定信号衰减

运行Grapher 4.0软件，选择桌面上端主工具箱中的“图形”命令，然后在下拉工具箱中点击“行或符号”选项。打开“打开数据”界面，打开需要在此界面下查看的数据。默认情况下，打开的数据生成的图形是算术坐标，如图4所示。

图4 Grapher 4.0软件的基础界面

利用该软件对所接收到的数据进行转换，得到信号的衰减情况，如图5所示。

3.3 利用瞬变电磁测量系统计算视电阻率

该系统运用了C ++编写，具有良好的交互功能和完整的计算功能。在计算视电阻率和表观深度时，可以看到计算结果，打开系统，设置参数后，电压将被绘制到结果中。本次计算ATEM电压的电阻率为2，这是基于Nabilian烟雾圈的视电阻率和平面瞬态电磁波层模型方法的表观深度。

3.4 Surfer 8绘制视电阻率断面图

Surfer 8是美国黄金软件公司制作一款三维处理(轮廓、图像映射、三维曲面)软件，Surfer软件可以简单创建基本地图、数据点位图、归类数据等地图。增强了文件的交流和数据的交换；使用了新版本的脚本编辑引擎，可以大大增强自动化功能。

进入Surfer 8界面后，运行由TEM-Ⅲ瞬变电磁测量系统数据处理软件计算的视电阻率文件(.dat格式)。之后，Surfer 8会自动生成具有相同文件名(.grd格式)。使用Surfer 8打开文件并获得视电阻率等值线图，如图6所示。

3.5 Voxler绘制三维地下采空区示意图

作为专业的3D可视化3D数据软件，Voxler提供了一种可视化3D数据的新方法。它可以显示streamline、vector graphic,Contour map、Isosurface、Cut plot、Three dimensional scatter plot、Direct volume rendering等。计算模型包括3D mesh generation、Resampling、image processing等。