基于瞬变电磁法和同位素测氡法的煤层综合探测

商宇航， 刘春雨， 邰振华， 刘世明， 杜添添

(1.黑龙江科技大学 矿业工程学院, 哈尔滨 150022; 2.黑龙江省煤田地质物测队, 哈尔滨 150001)

杨涧煤矿位于宁武煤田北部，属兼并重组煤矿，含煤地层为石炭系上统太原组，主要岩性为灰白，浅灰色粗粒砂岩、中粒砂岩，深灰色细粒砂岩、粉砂岩、砂质泥岩及煤组成，水平、波状和斜层理发育。共含煤层21层，其中稳定可采煤层8层，分别为3#、8#、10#、11#、12-1#、12-2#、13#、15#煤层。

同位素测氡法确定的是平面异常，无法确定深度，但其基本不受电磁场及居民区干扰，可以弥补瞬变电磁法的不足[1-4]。笔者采用瞬变电磁法和同位素测氡法联合约束的基本模式对测区进行综合勘探，推断3#和8#煤层采空区、富水区及采空积水区的位置，为下部煤层安全开采提供地质依据。

1 瞬变电磁法和同位素测氡法基本原理

1.1 瞬变电磁法

不同的岩层具有不同的导电性，进而表现为具有不同的电阻率。一般情况下，泥岩、中粗砂岩、砾岩、煤层、灰岩其电阻率值依次增高，但泥灰岩电阻率略低于煤层电阻率。煤系地层和奥灰岩地层均属于沉积地层，空间分布为层状分布，地层致密完整时横向导电性均匀分布，而不同横向坐标的纵向导电性变化规律相近[5-7]。如果岩层中有充水裂隙或岩溶存在，水体的导电性较好，与围岩产生电性差异，岩层的电阻率随裂隙水、岩溶水的矿化度与饱和度升高而降低[8]。煤层开采后，形成采空区，岩体发生不同程度的破坏和变形，致使采空区上部地层的地球物理特征发生显著变化[9-10]。从瞬变电磁勘探的角度，可将采空区分为未充水和充水两种情况分析：当采空区未充水时，其电阻率明显高于围岩的电阻率；当采空区充水时，由于地下水富含各种离子，受外界激发后，局部导电性增加，电阻率将明显低于围岩电阻率[11]。图1为瞬变电磁激发原理。

图1 瞬变电磁激发原理示意

由图1可见，在地表敷设不接地线框，输入阶跃电流，当回线中电流突然断开时，在地下半空间将激起感应涡流以维持断开电流前已存在的磁场，并且此涡流场随时间以等效涡流环的形式向下、向外传播。利用不接地线圈或地面中心探头观测二次涡流磁场或电场的变化情况，能够反映出浅层至中深层的地电结构。

图2概述了瞬变电磁法的数据处理与解释流程，且处理和解释始终同步进行。当测区存在人为干扰时，需采用低通滤波压制噪声等高频干扰。而后，依次做时间校正、视电阻率计算和时深转换等基础处理，计算出视电阻率和视深度。

图2 瞬变电磁法数据处理流程

视电阻率计算公式为：

(1)

式中:μ0——磁导率；

t——时窗时间；

m——发射磁矩；

q——接收线圈的有效面积；

V(t)——感应电压。

视纵向电导Sτ和视深度hτ的计算表达式为

(2)

(3)

式中:V(t)/I——归一化感应电压；

A——发射回线面积；

d(V(t)/I)/dt——归一化感应电压对时间的导数。

后续的正、反演计算采用迭代模式完成，不断修改地电模型，直至模拟电性曲线与实际电性曲线的拟合度达到预设标准，最后形成能够有效反映地下电性分布的视电阻率断面图[12]。若要显示煤层或者目标层的横向电性差异，可使用相应层位的视电阻率绘制顺层平面图。

1.2 同位素测氡法

氡(222Rn)是铀系的子体，也是唯一呈气态的惰性气体，可以由地下深部迁移至地表，并携带出地层深部信息。氡衰变过程释放出α粒子。α粒子减速后形成大量氡核，可将氡及其子体极化，并在电场力和范德华力的作用下，与氡及其子体相互作用形成“团簇”，如图3所示。当“团簇”结合的氦核达到一定数量时，氡就将随之向上运移，形成明显的向上运移气流。

图3 He和Rn形成“团簇”示意

氡气浓度与岩性存在一定的关系，如放射性物质含量较高的岩浆岩，氡值较高，而沉积岩的氡值较低。煤层开采形成大面积采空区，促使地质体发生变形，从而改变了地下气体的运移与集聚环境，放射性氡气通过采空区的储气、集气及通道作用，向采空区运移、集聚，在地表形成一个与采空区形态相对应的氡气异常区。因此，测量地表氡元素的浓度(实际是测量氡及其子体衰变所释放的射线的强度)，可以用于圈定采空区的平面位置。

2 探测工作量与质量评价

2.1 瞬变电磁法工作量与质量评价

瞬变电磁勘探在全区均匀布设测点，构成线距20 m、点距20 m的测网。实际完成3 804个测点(包含336个干扰点)、质量检查点156个(干扰区质量检查点13个)，完成试验点238个、试验物理点851个(干扰区内65个)，总计完成物理点4 811个，覆盖1.458 85 km2。

全区测深点已经过三级质量验收。其中，对非干扰区测点(3 468个)进行评级，甲级测点2 942个，乙级测点526个，甲级率84.83%，乙级率15.17%。

依据《地面瞬变电磁法技术规程》(DZ/T 0187—1997)，质量评价主要以系统检查观测来衡量。

全区各检查点上各观测道的均方误差M计算公式为：

(4)

式中：Nj(ti)——第j点第i测道原始观测数据；

Nj′(ti)——第j点第i测道系统检查观测数据；

n——参加统计计算的测道数。

质量检查143个，占野外资料采集数据(除336个受高压线影响的点外)的4.12%，总均方相对误差为6.36%，数据质量符合《煤炭电法勘探规范》(MT/T898—2000)及《设计》要求。

2.2 同位素测氡法工程及数据质量评价

本次采用TYHC-1活性炭测氡仪进行测量数据，同位素测氡法以网状进行数据采集，线距40 m，点距20 m，共布置31条测线(2条重复观测线)，测点1 287个(重复观测点84个，室内重复测量点77个)。

室外质量检查通过重复测量完成。在同一条线的相同点位置重复布设活性炭吸附器，将两次测氡数据对比分析，结果表明，测量数据整体形态基本一致，每点的氡值差异在一定的范围内波动，氡值异常区范围相近，测量数据准确可信。室内以系统检查观测来衡量，质量检查点的测量数据应符合放射性测量的统计涨落规律。放射性测量数据服从泊松分布，满足下列关系式，即

(5)

检查点测量数据质量误差的衡量公式为

(6)

式中，σ——均方误差。

相对标准误差计算公式为

(7)

式中：nc——放射源加本底时的计数率；

nb——本底的计数率；

tb——确定nb所花费的时间；

tc——确定nc所花费的时间。

本次同位素测氡法野外重复观测点84个，占全区设计物理点总数的7.0%；室内共施工检查点77个，占全区观测工作点总数的6.4%，均符合规范要求。

3 资料解释

3.1 视电阻率与同位素测氡对比分析

选择研究区内两条较为典型的地电断面(161线、185线)进行详细分析与解释。断面中等值线颜色从蓝色—青色—淡紫罗兰色—橙色—红色的渐变，代表了视电阻率由低—较低—较高—高的渐变过程。

3.1.1 161线

图4是161线视电阻率断面(黑粗线为煤层底板)，图5为161线测氡曲线。

图4 161线瞬变电磁视电阻率拟断面

图5 161线测氡剖面

从纵向上看，由浅部到深部视电阻率值基本为“低—高—低”的变化特征，符合相应地层的电性分布特征。从横向上看，3#煤层底板附近，1 420—1 600段和1 640—2 000段为视电阻率低值区，幅值小于98.9 Ω·m，推断为采空积水区，2 020—2 240段为视电阻率高值区，幅值105～140 Ω·m，推断为采空区；8#煤层底板附近，1 420—1 680段、1 780—1 860段及2 020—2 240段均处于高值区，视电阻率值为105～140 Ω·m，推断为采空区。

在图5中，1 260—1 620号点段氡值较高，均超过600个计数/3 min，且波动较大，仅1 400和1 540测点氡值低于异常下限值，但不影响曲线整体形态，根据已有地质资料和矿方提供的采掘资料，推断为采空区。

3.1.2 185线

图6为185线视电阻率断面，图7为185线测氡曲线。从纵向上看，由浅部到深部视电阻率值基本呈现“低—高—低”的变化特征，符合相应地层的电性分布特征。从横向上看，采用与161线相同的推断方法，在3#煤层底板附近，1 240—1 600段、1 640—1 860段及1 920—2 060段为采空积水区；在8#煤层底板附近，1 240—1 560段和1 940—2 060段为采空积水区，1 600—1 700段为采空区。

在图7中，1 420—1 600号点段、1 660—1 760号点段及1 820—2 020号点段氡值较高，均超过600个计数/3 min，且波动较大，仅个别测点氡值低于异常下限值，不影响曲线整体形态，推断为采空区。

图6 185线瞬变电磁视电阻率拟断面

图7 185线测氡剖面

3.2 顺层视电阻率分析

图8为3#煤层顺层视电阻率切片，勘探区北部以低阻为主，南部主要为高阻区。结合实际开采资料，将视电阻率大于150 Ω·m的区域划为3#煤层采空区；将视电阻率值为75.0～98.9 Ω·m的区域划分为富水区，将视电阻率值小于75 Ω·m的区域划分为采空积水区。

图8 3#煤层顺层视电阻率切片

图9为8#煤层顺层视电阻率切片，幅值同样呈现北低南高的特征。

图9 8#煤层顺层视电阻率切片

结合实际开采资料，将视电阻率值大于150 Ω·m的区域划为8#煤层采空区；将视电阻率值为75.0～98.9 Ω·m的区域划分为富水区，将视电阻率值小于75.0 Ω·m的区域划分为采空积水区。

3.3 同位素测氡浓度平面特征分析

同位素测氡法以氡气浓度等值线为分析依据，与瞬变电磁综合解释，如图10所示。反映了勘探区内同位素氡气浓度分布特征。依据各测氡曲线异常带的划定结果、生成同位素氡气浓度的平面分布特征，结合瞬变电磁勘探解释结果，将氡值大于650个计数/3 min以上的区域划为采空区。对比顺层视电阻率与氡气浓度区域特征，推测的采空区位置基本一致，可信度较高。

图10 勘探区内氡气浓度分布平面

3.4 煤层综合推断成果图

依据瞬变电磁法与同位素测氡技术的断面、平面解释结果，分别得到3#煤层、8#煤层的综合推断成果图见图11、图12。图中，红色网格区域为采空区，青色网格区域为富水区，蓝色网格区域为采空积水区。采空区为CK，采空积水区为CKJS，富水区为FS，由上到下、由左到右进行编号。综合分析3#、8#煤层视电阻率与氡浓度分布特征，图11圈定了3#煤层采空区3处，采空积水区1处，富水区4处；图12圈定了8#煤层采空区4处，采空积水区2处，富水区6处。本次圈定的采空区与现存的地质、采掘资料基本吻合，部分采空积水区和富水区得到了生产验证，推断成果可信度较高。

图11 3#煤层综合推断成果图

图12 8#煤层综合推断成果图

4 结束语

阐述了瞬变电磁法和同位素测氡法的测量原理，并将两种方法综合应用于杨涧煤矿3#、8#煤层，对测量数据进行相应处理，获得了各测线的视电阻率拟断面图、顺煤层等值线图及氡气浓度分布平面图。结合地质资料，推断3#、8#煤层的采空区、积水区、富水区分布情况，部分推测结果得到了实际生产的证实。本研究成果可为整合井田的采空区治理、灾害预测和开拓设计提供地质依据。