EH4大地电磁探测技术在采空区探测中的应用*

张洋洋，张 峰

(1.中煤科工生态环境科技有限公司，北京 100013;2.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

传统探测采空区的物探方法有很多种，如地震勘探(包括反射法、折射法)[1]、电测深法、高密度电法、瞬变电磁法等。EH4电磁探测技术自上世纪九十年代引入我国，由于其仪器设备轻便，可对工作场地狭小的大埋深目标体进行勘测，并且穿透能力强，在浅部存在较低阻的情况下，仍能达到比较理想的勘探深度，分辨率较高，在采空区的探测中得到越来越广泛的应用[2-4]。

1 EH4大地电磁探测技术原理

EH4仪器设备轻便，工作能耗小，占用场地少，既可以做野外空旷地区的勘探，也适合狭窄场地的勘测。EH4应用大地电磁法的原理，使用人工电磁场和天然电磁场两种场源。EH4能同时接收和分析X、Y两个方向的电场和磁场，反演X-Y电导率张量剖面，EH4观测时间短，完成一个近1 000 m深度的测深点，一般只需15～20 min。对判断二维构造特别有利。EH4既具有有源电探法的稳定性，又具有无源电磁法的节能和轻便。

EH4系统就是基于大地电磁测深理论，通过测量相互正交的电场分量(Ex，Ey)和磁场分量(Hx，Hy)，计算地下地层介质视电阻率值，并根据地层介质电阻率的变化规律进而推断地下介质的结构、电阻率异常体、构造[5]。

2 工程概况

项目区位于工业广场内，人工建筑物分布密集，给物探野外测量和数据采集造成了一定难度。

根据地质采矿资料，区内曾有多处小煤窑开采，开采方法采用巷采或房柱式开采，开采时间较长，缺乏相关记录资料，采空区的数量及分布不明，对地面建构(筑)物存在着安全隐患，故对项目区进行采空区探测，查明其分布情况，为地表的安全施工提供必要的物探依据。

此次主要探查区内煤层和浅部锰铁矿采空区，岩性主要为砂岩、泥岩以及页岩。综合场地工作条件、地质资料及围岩的电性特征等，选择EH4大地电磁探测法对采空区进行探测。

3 工作方法

3.1 测线布置

根据现场条件布置测点，测点的实地布设以手持GPS定位，定向电偶极方向，用测绳测量电偶极距，并进行地形改正，磁棒离前置放大器至少5 m，两个磁棒水平放置并用泥土覆盖，消除风、人等干扰因素，Hx、Hy两磁棒相互垂直，误差控制在±1°以内，两磁棒间距离至少2 m，所有的工作人员离开磁棒至少5 m。

根据探测目的、探测条件和地形、地物等因素，选择电极距为20 m，测点距为10 m。电极布置方式采用“+”字型，能较好的克服表层电流场不均匀的影响。对于干扰比较严重的测量点，通过数据机外再处理，对各种噪声进行剔除，得到了较好的探测效果[6-9]。测线布置图如图1所示。

图1 测线布置示意图

3.2 数据采集

为确保获得高质量的原始数据，各测点均根据电磁场有效信号的强弱进行最佳增益设置；时刻对各测点的数据采集情况进行监测和检查，以保证整个勘测系统处于良好的工作状态；监视和检查各测点数据快速分析结果，采用多次叠加的方法对测量点进行数据采集，提高信噪比，并对认为可疑的测点数据进行电偶极检查并重新采集，进行对比验证。EH4系统在数据采集过程中是完全自动化(不可控)、可视化的，故不存在人为误差因素[10]。

4 采空区探测资料解释依据

第四系厚度和勘探目标深度较小，地下煤系地层岩性主要为泥岩、砂岩、页岩，采空区与围岩电阻率的差异是EH4大地电磁技术对本区域进行采空区探测的重要依据。

根据影响电阻率的因素，采空区的电阻率变化主要有三种形式：(1)低阻形式，采空区内充水，其电阻率明显降低，在视电阻率剖面图中出现封闭的低阻圈；(2)中阻形式(相对低阻)，即采空区局部弱含水或部分充填了泥质等导电性较好的介质，其视电阻率有所降低，在视电阻率剖面图中也出现一些相对低阻的封闭圈；(3)高阻形式，即采空区无充水，也未充填泥质等导电性好的介质，则其视电阻率将明显增大，在视电阻率剖面图中出现相对高阻的封闭圈。

5 成果解释

图2所示为L1测线EH4测深电阻率二维反演断面图，视电阻率变化范围1.34～162.19 Ω·m，从图上可以看出，沿测线方向+30 m附近从浅部往深部，发育一向东倾斜(大号点方向)串珠状低阻异常带，异常带两侧高低阻分布出现明显的位移，推测该串珠状低阻异常带为一断裂构造引起。在+40 m～+60 m段，在推测的断裂构造部位剖面电阻率呈局部低阻异常，该部位异常应与构造中充填泥质或少量积水有关。

图2 L1测线EH4测深电阻率二维反演断面图

图3所示为L2测线EH4测深电阻率二维反演断面图，电阻率变化范围6.35～376.59 Ω·m，从图上可以看出，沿测线方向+5 m附近从浅部往深部，发育一向东倾斜(大号点方向)串珠状条带状低阻异常带，异常带两侧高低阻分布出现明显的位移，推测该串珠状低阻异常带为一断裂构造引起。

图3 L2测线EH4测深电阻率二维反演断面图

在高程+875 m附近，横向式电阻率变化范围在50～375 Ω·m，该断面在沿测线方向的+50 m～+60 m段电阻率呈高阻异常，且电阻率等值线明显扭曲，推断为采空区，采空区表现为空洞形式，采空区电阻率与围岩电阻率相差较大，推断采空区未垮塌。

在高程+790 m处，横向式电阻率变化范围在80～200 Ω·m，电阻率等值线出现了由低阻向高阻的变化，该断面在沿测线方向的0 m～+15 m段电阻率呈相对高阻异常，且煤层顶板电阻率等值线明显扭曲，推断为采空区，且未垮塌。

经过对L1测线和L2测线的EH4测深电阻率二维反演断面图的数据解释，并结合地质资料，解释了一条断层，在L2测线解释了两处采空区，规模较小，呈现明显巷采特点，且开采时间较长，地表变形已经基本稳定，煤层采空区产生突然沉陷的可能性较小。锰铁矿采空区的埋深较浅，如垮塌影响范围较小，但应避免在其正上方进行施工。如在断裂构造上施工，应采取一定的安全技术措施，建议地表设置移动观测点，定期对其移动与变形进行观测，及时分析、总结观测资料，确保地面建(构)筑物的安全与稳定。

6 结 论

根据采空区以及浅部地层断裂构造与围岩的电性差异，应用EH4大地电磁探测技术对其进行探测，并获得了分辨率较高的电阻率二维反演断面图和可靠的地质解释成果，探测结果均得到验证，该技术具有分辨率高、仪器设备轻便、采集数据速度快等优点，已成为采空区及浅部地层断裂构造探测的有效技术手段。