复杂地形条件下瞬变电磁法中心回线装置发射线框大小选取研究

宋 伟，邓刘洋

(中煤科工集团 重庆研究院有限公司，重庆400037)

1 引 言

瞬变电磁法是一种建立在电磁感应原理基础上的时间域人工源电磁勘探方法，相比频率域电磁法，其研究的是纯异常响应的二次场，极大地简化了对异常响应的研究，具有更高的探测和分辨能力[1,2]。自二十世纪七十年代被引进国内以来，由于其独特的优势得到了迅猛的发展，特别是在煤田水文地质勘查方面，瞬变电磁法已经成为最主要的物探方法[3-6]。瞬变电磁法观测装置有中心回线、重叠回线、分离回线、大定源回线、偶极等多种，其中中心回线装置由于发射中心与接收中心重合，收发距为零，使得其体积效应小，分层能力强，并且对于深度在1 000 m以内的目标体都能进行探测[7]，因此在中浅层的煤田水文地质勘查中应用得最多[8]。我国煤炭资源丰富，广泛分布于全国各地，很多煤矿位于地形复杂的山区，地形高程起伏大，而煤层一般在地下成层分布，起伏变化较小，这就导致煤层埋藏深度变化较大。在这种条件下，使用瞬变电磁法中心回线装置勘探煤层采空区或积水区等顺煤层分布目标体时，采用某一固定大小的发射线框往往无法满足探测要求，这时需要综合考虑盲区、最大勘探深度等因素，在不同埋设范围内采用不同大小的发射线框，以达到最佳的探测效果。

2 勘探深度影响因素

瞬变电磁法发射线框大小设计需要统筹考虑最小勘探深度(即盲区)与最大勘探深度两个影响因素，使得勘探目标体位于最小勘探深度与最大勘探深度之间，为保证勘探效果还应与勘探最大深度边界保留一定距离。瞬变电磁法盲区主要受关断时间和覆盖层电阻率的影响，理论上可按式(1)进行计算[9]。

(1)

式中，Dmin为盲区深度，单位m；ρ为覆盖层电阻率，单位Ω·m；tmin为关断时间，单位μs。

勘探目标确定后，覆盖层电阻率随即确定，因此影响盲区大小的主要因素是关断时间。关断时间主要与发射回线的电感和电阻有关，不同的仪器其关断时间也不一样，可以用式(2)、式(3)进行估算[10]。

(2)

(3)

式中，L为发射回线的电感，单位H；R为发射回线电阻，单位Ω；n为发射回线扎数；b为发射回线边长，单位m；r为单根发射回线截面半径，单位m。

一般在进行勘探之前，发射回线所用电线规格已经确定，即单位长度电阻、截面半径等为定值，地面勘探中也通常使用单扎线圈，因此影响关断时间的主要因素就为发射线框边长。

最大勘探深度主要受发射线框大小、发射电流大小、覆盖层电阻率、环境噪声水平等因素影响，理论上可以按式(4)进行计算[1]。

(4)

式中，Dmax为最大勘探深度，单位m；I为发射电流，单位A；b为发射回线边长，单位m；ρ为覆盖层电阻率，单位Ω·m；η为环境噪声水平，单位V/m2。

同样勘探目标确定后，覆盖层电阻率、环境噪声水平随即确定，勘探仪器选定后其发射电流一般变化也不会太大，且其对勘探深度的影响远小于发射线框大小的影响，所以主要影响勘探深度的因素就是发射线框的大小。

3 实例分析

在山西某矿采用瞬变电磁法中心回线装置探测3号煤层采空积水区，探测仪器采用加拿大凤凰公司生产的V8电法工作站，配套T4发射机。勘探区位于中低山丘陵地带，区内沟谷及山梁发育，沟谷多呈“V”字形展布，地形切割较深，地表最高点高程1 060 m，最低点高程637 m，地表最大高差达到423 m，地形极为复杂。3号煤层勘探区内最小埋深40 m，最大埋深480 m，平均埋深300 m，埋深差最大达440 m。

根据地质条件，为同时满足目标体最小埋深和最大埋深，并留有一定余地，需将勘探盲区控制在30 m以内，勘探最大深度控制在500 m以上。另外，有研究表明，目标层深度为最大勘探深度一半时，异常响应值最大，这时的勘探效果最好[11]，考虑平均埋深，因此最好将最大勘探深度扩大到600 m左右。

3.1 盲区深度计算

为得到V8电法工作站T4发射机关断时间随发射线框大小变化的特点，实测发射线框边长从50 m开始每次递增50 m直至600 m的关断时间，实测结果如表1所示，试验中发射电流均维持在12A左右，采用8平方铜芯发射线缆。

表1 关断时间随发射线框边长变化关系

得到关断时间后，就可以根据式(1)估算盲区深度。覆盖层电阻率可以根据勘探区地表岩土层性质估算。勘探区地表大面积基岩出露，局部为第四系地层，地表基岩由于风化作用，裂隙较为发育，有地表水渗入，电阻率较完整岩石低，但较第四系地层高，估算电阻率为100 Ω·m左右，第四系地层有黄土覆盖，电阻率较低，估算电阻率为30 Ω·m左右。根据式(5)计算得到的盲区深度如表2所示：

从计算结果中可以看出,当测框小于100 m时盲区深度可以基本满足浅部区域的探测要求。

表2 盲区深度计算

3.2 最大勘探深度计算

对于最大勘探深度，V8电法工作站操作手册中给出了一个与式(4)类似的勘探深度计算公式，可以用于参数设计时估算勘探深度，如式(5)和式(6)所示。

(5)

(6)

其中，D为勘探深度，单位m；ρ为估算背景电阻率，单位Ω·m；t为最晚可观测时间，单位ms;μ为空气中的磁导率，值为4π×10-7H/m；I为发射电流，单位A；b为发射回线边长，单位m；η为环境噪声水平，单位V/m2。背景电阻率可以根据地层信息进行估算，勘探区地层由老至新依次为奥陶系中统峰峰组(02f)、石炭系中统本溪组(C2b)、石炭系上统太原组(C3t)、二叠系下统山西组(P1s)、二叠系下统下石盒子组(P1x)、二叠系上统上石盒子组(P2s)、第四系中、上更新统(Q2+3)和第四系全新统(Q4)，3号煤层位于山西组下部。地层从浅往深电阻率逐渐增高，估算背景电阻率为150 Ω·m左右。环境噪声水平通过实测得到为1×10-8V/m2左右。发射电流预设为12 A，通过计算得到最大探测深度如表3所示，最大勘探深度与发射线框边长关系曲线如图1所示。

表3 最大勘探深度计算

图1 最大勘探深度与发射线框边长关系曲线Fig.1 Relation curve between maximum exploration depth and side length of transmitting wire frame

从关系曲线中可以看出，当发射线框较小时，最大勘探深度随边长增长较快，当边长增长到一定程度后，最大勘探深度的增长变缓。计算结果表明,当发射线框边长大于400 m时勘探深度即能达到600 m。另外，需要注意的是V8电法工作站T4发射机最晚观测时间受发射频率的影响，25 Hz发射频率的最晚观测时间为6.28 ms，接近表3中550 m边长发射线框对应的最晚可观测时间，也就是说当发射线框边长超过550 m时，估算的最晚可观测时间已超过仪器允许的最晚观测时间，需按仪器最晚观测时间来估算最大勘探深度。

3.3 试验对比分析

图2 勘探区分布示意图Fig.2 Distribution of exploration area

本次试验选取在山西某煤矿地面瞬变勘查工区内进行，井田内地层总体为一走向北东倾向北西的单斜构造，地势东北高西南低，地层倾角约1°～4°，伴随发育有宽缓的褶曲，未发现断层、陷落柱存在，未见岩浆岩侵入。勘探区分布见图2。工区内基岩大面积出露，在Ⅱ、Ⅲ号勘探区(矿井东北部)主要出露二叠系上统上石盒子组，岩性主要由砂岩和粉砂泥岩组成。在I号勘探区(矿井西南部)主要出露二叠系下统下石盒子组砂(泥)岩与第四系土层。

如图2所示，勘探区由3块不规则区域构成，其中Ⅱ、Ⅲ号勘探区为目标层(3号煤层)深埋区，I号煤层为浅埋区。共计布设72条瞬变测线，2个钻孔试验点。其中462#钻孔位于矿井北端，钻孔见3号煤深度为1 005.88 m，B2-1#钻孔位于矿井西南角，见煤深度为747.006 m。局部测网及试验点分布见图3、4。图中红色圆点为瞬变电磁测点，红色粗实线为勘探区边界，黑色间断线为矿区边界，L为测线编号。

图3 B2-1#钻孔试验点位置Fig.3 Location of test points of borehole B2-1

图4 462#钻孔试验点位置Fig.4 Location of test points of borehole 462

综合盲区和最大勘探深度的计算分析结果，在3号煤层埋深40 m至200 m的浅埋区域选取50 m和100 m两种线框进行实测对比分析试验，试验点选择在B2-1号钻孔旁，此处3号煤层埋深132 m。在3号煤层埋深200 m至480 m的深埋区域选取400 m和500 m两种线框进行实测对比分析，试验点选择在462号钻孔旁，此处3号煤层埋深440 m。试验发射频率均采用25 Hz，发射电流维持在12 A左右。试验数据采用TEMPro软件进行处理，并与钻孔资料进行对比处理成果如图5和图6所示。

图5 浅埋区钻孔试验点成果Fig.5 Results of drilling test points in shallow buried area

浅埋区试验成果显示，50 m边长发射线框勘探盲区为20 m，最大勘探深度为248 m；100 m边长发射线框勘探盲区为28 m，最大勘探深度为361 m。可以看出，试验得到的盲区和最大勘探深度同估算结果相差不大。与钻孔资料对比可以发现，视电阻率在地表较低，随深度增加，视电阻率也随之上升，符合地层地电特性。由于100 m边长发射线框盲区较50 m边长线框增加不多，也能满足勘探要求，而且边长越长，发射能量越大，异常反应值也随之增大，抗干扰能力也更强，因此在40 m至200 m的浅埋区采用100 m边长的发射线框更为合适。

深埋区试验成果显示，400 m边长发射线框勘探盲区为81 m，最大勘探深度为707 m；500 m边长发射线框勘探盲区为93 m，最大勘探深度为784 m。可以看出，试验得到的盲区和最大勘探深度比估算结果要稍大。与钻孔资料对比可以发现，视电阻率在浅层较低，在深部变高，同样符合地层地电特性。由于400 m边长发射线框已能达到最大勘探深度要求，抗干扰能力较500 m边长发射线框降低也不多，并且边长越长施工难度越大，因此在200 m至480 m的深埋区采用400 m边长的发射线框更为合适。

图6 深埋区钻孔试验点成果

图7 L58测线拟视电阻率断面

图8 L6测线拟视电阻率断面Fig.8 Pseudo apparent resistivity section of L6 survey line

3.4 剖面成果分析

图7为瞬变电磁L58测线拟视电阻率断面图。如图所示，该测线区域煤层深埋(约320～425 m)，二叠系中上部有局部低阻异常，推测为岩层裂隙水所致；在山西组底部、3号煤层附近视电阻率值异常变化，相对二叠系中部全部为低阻反映，推测为老空区积水所致。经查阅地质资料，测线位于2002年前本矿井采空区，采动后工作面局部低洼处积水，整个采动区域较为潮湿。测线拟视电阻率断面图解释成果表明在深埋区采用400 m边长发射线框取得较好的探测效果。

图8为瞬变电磁L6测线拟视电阻率断面图。如图所示，测线区域煤层埋深较浅(约50～100 m)，地表视电阻率偏低，其中二叠系中上部区域部分视电阻率较低，推测为各岩层裂隙水所致；在山西组底部、3号煤层附近，测线里程490～560 m范围，局部存在明显低阻反映，推测为老空区积水所致。查阅地质资料发现，该区域位于原小窑破坏区，周边区域为1999年以前小窑大面积采空区。测线拟视电阻率断面图解释成果表明在浅埋区采用100 m边长发射线框取得较好的探测效果。

4 结 论

1)通过理论计算公式，分析了瞬变电磁法中心回线装置勘探盲区和最大勘探深度的各种影响因素，结合实际工程应用，验证了最主要影响因素为发射线框边长的结论。

2)在复杂地形条件下的试验分析中，通过实测得到了V8电法工作站在一定条件下不同发射线框边长对应的关断时间，计算得到了对应的勘探盲区深度与最大勘探深度。

3)根据目标体埋深，在不同区域进行发射线框边长参数选取试验，通过单点试验及测线拟视电阻率断面图分析最终确定了合理的边长参数。

4)总结了一套合理的测框大小选择方法，旨在得到最佳勘探效果，为同类型勘查工程提供参考。