重叠回线瞬变电磁法在采空区勘查中的应用

庄丁源

（1.吉林大学地球探测科学与技术学院，吉林 长春 130000；2.河北省地矿局国土资源勘查中心，河北 石家庄 055650）

在煤矿采空区探测中电法和电磁法勘探方面，易兵、刘四新等利用高密度电法对煤矿采空区进行了探测研究，取得了理想的效果；祁民、张宝林等利用高密度电法预测地下复杂采空区的空间分布特征，经钻孔验证，效果良好；王士鹏在水文地质和工程地质中应用高密度电法在寻找地下水，查明采空区，探测岩溶发育带方面得到了应用。瞬变电磁法由于其对低阻异常反应较好的特点，多应用于煤矿采空区勘探领域，本文通过开展重叠回线装置瞬变电磁法已知试验工作，介绍实际采空区勘探中的应用效果。

1 地质概况及地球物理特征

1.1 地质概况

（1）奥陶系（O）

奥陶系下统冶里组（O1y）：由深灰、浅灰色中厚层结晶灰岩和白云岩组成。

奥陶系下统亮甲山组（O1l）：上部为灰黄色，含燧石条带的白云质灰岩，钙质白云岩，下部多为深灰色泥质白云岩，夹燧石结核及透镜体。

奥陶系中统下马家沟组（O2x）：岩性为灰、黄绿色钙泥质白云岩、钙质页岩，浅灰黄色角砾状泥灰岩、夹白云岩和深灰色厚层状白云质灰岩、花斑灰岩。

奥陶系中统上马家沟组（O2s）：岩性为浅灰、杂色角砾状泥灰岩、白云质灰岩，深灰色厚层花斑状泥质白云质灰岩和深灰色厚层状灰岩。

奥陶系中统峰峰组（O2f）：主要岩性为浅白色、杂色角砾状泥灰岩、白云质灰岩，深灰色厚层灰岩、纯灰岩，花斑状白云质灰岩、夹角砾状泥灰岩、含铁质结核灰岩。

（2）石炭系（C）：为本区域主要含煤地层，总厚度为150m。

中统本溪组（C2b）：中、上部为深灰色、黄褐色砂质页岩、铝土页岩和砂岩组成。本区分布厚度10～110m。

上统太原组（C3t）：为本区主要含煤地层，由黑色页岩、灰黑色中细粒砂质石英砂岩、灰色钙质硬砂岩、薄层灰岩、泥岩及煤层组成，厚度30～90m。

（3）二叠系（P）

山西组（P1s）：为深灰、灰色砂质页岩，浅灰色、白灰色中、细粒砂岩，夹薄层黑色页岩及薄煤2～6层，其厚度均极薄，无开采价值。

（4）第四系（Q）

地表上覆地层主要为第四系冲洪积黄土状粉土，厚度45m左右。

1.2 地球物理特征

依据收集到的地质资料分析，结合地质、物探资料，确定本次工作工作区地球物理特征。

2 工作方法与资料处理

2.1 方法原理

本次瞬变电磁施工采用重叠回线装置测量，设备采用CUGTEM—8型瞬变电磁系统，该系统具有输出功率大、接收灵敏度高、采集时间长、探测深度大等优点，系统由发射机，接收机，发送回线，接收回线等组成。

（2）工艺缺点。钢丝绳围捆沉箱出运的施工程序繁琐，且大直径钢丝绳较为笨重，在围捆过程中需要人力较多，施工效率低下，且即使在沉箱边角处使用枕木隔开钢丝绳，仍然避免不了钢丝绳受力后对沉箱混凝土的挤压，造成箱身破损，给修复带来一定的难度。

图1为系统组成示意图。

表1 工作区物性参数统计表

图1 系统组成示意图

2.2 资料处理

（1）原始数据经预处理并进行格式转换后，采用浙江大学最新开发的CugTEm9pro瞬变电磁处理软件读入，进行曲线归一化处理、多项式拟合、滤波、绘制多测道图等。

（2）视电阻率计算及二维反演。视电阻率计算采用晚期视电阻率计算公式：

式中，t为测道时间，M为发送磁距，q为接收线圈的有效面积，V（t）为感应电压。实际观测的是归一化感应电动势V（t）/I，因此，上式的实际应用式为：

式中，A为发送回线面积，V（t）/I为观测值。

2.2 方法有效性试验

（1）试验测线布置。工作开始前，在已知区采空区布设1条试验测线线号S-1，测线长度190m，方向南北向，测点20个，点距10m。试验测线跨越1处已知采空区，测线所在部位在工作区具有地质代表性。

（3）试验参数。为保证探测深度，试验工作开始前，设计采用4套参数分别在试验测线上进行了实测，具体实验参数见表2。

（4）试验成果。对不同参数采集的数据处理后，形成4幅视电阻率等值线断面图。图2为S-1测线不同参数的视电阻率等值线断面对比图。对比4幅断面图发现，当采用发射电流100A，供电脉宽10ms，采样率4µS，叠加次数32，3m×3m线框重叠回线装置时，视电阻率等值线断面图对采空区电性特征反映更加明显，探测深度也可以达到设计要求。

表2 瞬变电磁法有效性试验参数表

图2 SY测线不同参数的视电阻率等值线断面图

根据上述试验成果，结合工作区地质、地球物理、地貌特征，最终确定工作区瞬变电磁探测参数见表3。

表3 瞬变电磁参数数据一览表

3 应用分析

通过方法有效性试验，证明了重叠回线装置在该区采空区探测的有效性，该装置能够完成本次勘探任务。本次工作在该工作区完成瞬变电磁测量1.92Km2，测点5152个。以L-20测线为例，简述工作区测量地电断面特征。

3.1 解释原则

依据前期试验资料，综合分析工作区瞬变电磁探测的低阻区域分布特征、井田地球物理特征及试验结果，将成果图上视电阻率值相对较低（小于60Ω·m）、断面上连续2个测点以上有低阻异常反映同时相邻断面（或更多断面）有低阻异常反映的面积比较大的绿色区域或数个相近的通过低阻区相连的小面积低阻异常所在区域划分为低阻异常区，一些面积较小、零散分布的低阻区因影响范围较小则不作为异常区处理。

3.2 成果

L-20测线断面的电性反映特征，图中异常区位于断面右侧，在55#～63#测点，其视电阻率值为60～80Ω·m与周边地层的120～180Ω·m差异明显，故推测该处为采空区异常引起，该异常垂向位于地面以下50～260m，且其垂向延展距离较长。由于工作区内地层主要以煤层及灰岩为主，该剖面整体分为绿色地租区、白色中阻区，黄色高阻区。收场地条件限制，工作区周边瞬变电磁场干扰较大，结合地质资料最终确定L-20线异常所处位置为某煤矿采空区范围。

图3 1块段8区在1S20测线断面的电性反映特征

4 结论与建议

4.1 结论

（1）通过在已知工作区内方法有效性试验工作，证明了重叠回线装置瞬变电磁在采空区勘探是有效的。

（2）重叠回线装置具有较好的便携性，对于地形环境较差地段具有较好的应用效果。

4.2 建议

（1）本次工作为进行钻探验证工作，建议在典型异常区开展钻探验证工作。

（2）本次工作部分测点收工作区的建筑物干扰较明显，建议后期对干扰较强测点进行剔除。