瞬变电磁水平分量在采空区探测中的应用

徐 洁

（山西省地球物理化学勘查院，山西运城044004）

1 概述

近几年，在煤矿安全生产中电法已发挥了较大作用，特别是瞬变电磁法，在煤矿采空区及其积水情况探测中有很好的效果，可以确保煤矿的安全生产，可为矿区带来巨大的经济效益和社会效益。

瞬变电磁法勘探有以下优点：①采用同点组合观测，对异常响应较强，分辨能力较强；②低阻目标地质体在瞬变电磁法施工中的反应比较明显；③施工效率较高，相对于其他物探方法来说，瞬变电磁法施工效率很高并且成本不是很高；④剖面测量工作和纵向的测深工作同时进行并且完成，可以形成视电阻率断面图，丰富解释手段；⑤瞬变电磁法资料处理可以进行地形矫正，经过地形矫正后，可以消除地形影响。

在过去的很长一段时间，人们对瞬变电磁法的研究基本停留在计算出电磁场的相关量，但对资料的解释还局限在单一分量上(以垂直分量为主)，已经无法满足资料解释精度的要求和目前的生产勘探需要，同时也造成巨大的信息浪费。但当前的瞬变电磁仪能够实现三分量同时采集，因此，联合水平分量，综合垂直分量和水平分量进行处理与解释，进一步提高解释精度，在理论和实践方面都将具有十分重要的意义。本文将结合应用实例对水平分量研究效果进行分析[2]。

2 基本理论

瞬变电磁法也称为时间域电磁法，它的生产过程是先铺设一个不接地回线，然后向不接地回线供电用来发射一次脉冲磁场，利用接收回线线圈观测在供电间歇期的二次涡流场,上述就是瞬变电磁法的基本原理。

当供电电流断开时，供电电流从最大值突然变为0，这时因为供电电流所产生的一次场会立刻消失变为0，但是感应二次场会根据导体和地质体的电性参数，而有一个瞬变的过程，感应的二次场不会直接变为0，这个过程的快慢与地质体的电性参数有关。地质体的导电性越好，感应涡流的热耗损越小，它的瞬变过程则越长。这种感应涡流瞬变的过程，在地质体上方和下方空间形成相应的瞬变磁场，在脉冲电流关断期间在观测地下的瞬变二次磁场，根据地质体空间位置以及导电性能的不同，观测到的二次磁场也不一样，通过采集、分析及研究二次磁场的时空变化，进行正反演计算后，便可以得出地下地质体的拟视电阻率断面形态，发现地质体异常，从而确定我们需要探测的目标体比如煤矿采空区、富水区等的位置和大小。

2.1 均匀大地瞬变电磁响应

2.1.1 均匀大地瞬变电磁响应过程

1979 年美国的科学家M.N.Nabighian 提出利用等效代替计算均匀大地的晚期瞬变电磁响应的计算方法。在发射回线中的供电电流突然断电后，下半空间中为了维持磁场产生了感应电流，这一瞬间电流集中在发射回线线圈附近，并且按照r-4的规律衰减(r为发射回线线圈中心到测点的距离)。然后电流开始逐渐向下半空间深入扩散，在断电后的任一晚期时间内，感应涡流呈多层环形。涡流场将随着时间的延长向下及向外扩散，并变形为圆电流环，发射电流关闭后几个不同时刻的电流环的示意图如图1所示。

图1 半空间的等效涡流环

从图1中可以看出，等效电流环就像是从发射回线线圈中吹出来的一个个“烟圈”，所以地下螺旋电流向下向外扩散的这个过程被成为“烟圈效应”。这些不同时刻的圆电流环反映了不同深度地层的感应电流，时间越久，所观测到的有效深度就越深。其极大值将向从发射线圈中心起始与地面成30°倾角的锥形斜面向下传播，该极大值在地面的投影半径为：

整个环带各涡流层的总效应就是感应涡流场在地表引起的磁场，它的等效电流为：

它的半径a以及所在深度d的表达公式为：

式中：σ——均匀大地的导电率；

μ0——磁导率。

我们可以把所谓的“烟圈”认为是二次发送线圈，它在某观测时刻的半径、电流和深度可以根据公式（2）、（3）和（4）算出，便可以计算出在某时刻地面测点的响应值，以及响应值随着时间变化的规律。

2.1.2 均匀大地上垂直磁源瞬变电磁场的计算方法

首先计算频率域电磁场，然后对频率电磁场做逆傅立叶变换再计算瞬变电磁场。表达式为：

式中：t——时间；

ω——角频率。

2.2 导电球体在高阻围岩中的表达式

假设在发射回线线圈的正下方，有一个电导率为σ，半径为a，中心埋深为h的球体，它的瞬变电磁场的表达式为：

（1）重叠回线装置下：

公式(9)中的R为发射回线线圈的半径，当使用方形回线时，取τ为确定V(t)衰减速度的特征参数，被称为时间常数，对于球体为：

（2）中心回线装置下：

式中：r——接收探头线圈的半径。

从以上公式可见在t≫τ的晚期条件下，V(t)按公式后半部分进行计算，前半部分可以舍去，所以V(t)照指数规律衰减。在早期和中期的条件下，V(t)的响应的计算要用到公式前半部分的参数和后半部分的参数，它是很多指标衰减参数的总和。

3 应用实例

下列图件是利用瞬变电磁法在某矿区进行采空区探测的应用实例。如下SX1 线、SX2 线是为了对比分析采空区瞬变电磁响应特征所设计的试验线。图2 为TEM 垂直分量视电阻率图，图3 为TEM 水平分量多测道图。

SX1、SX2 线垂直某煤矿一主井巷道上方，两线相距25m。根据已有资料，4 号煤埋深100m 左右，9 号煤埋深在150m 左右。井口位置在150 点处，在两条线的145、160 点处地表发现裂缝，图中斜线网格代表地裂缝，网格部分代表推断采空位置。

从图 2 上可以看到，在 SX12 线 150～155 点，埋深约120m 处，由4 号煤层底板等高线图可知此深度为4号煤赋存位置，视电阻率横向上有变化，呈现相对低阻异常，视电阻率等值线形态表现为略向下弯曲，推断为采空区。推断采空位置（图中网格部分）与实际调查地裂缝位置对应较好。SX13 线在其附近的位置也出现了低阻异常，等值线曲线形态同样向下弯曲。与SX12线视电阻率异常有很好的对应关系，可以证明采空区的可靠性。

由于瞬变电磁二次场随着时间的衰减在高阻层衰减较快,在低阻层衰减较慢，因此在高阻层得到的二次场电压值小，在低阻层得到的二次场电压值大。对应在剖面图上看到的就是低值响应部分是高阻层，高值响应部分是低阻层。在多测道电阻率剖面图上,不仅能看到各测点垂直方向电性变化情况，还能看到不同深度沿水平方向上的电性变化情况。

从图3 SX1、SX2 线TEM 水平分量多测道图可以发现，对应垂直分量视电阻率断面图出现高阻异常的点位，水平分量数值变低，与垂直分量断面图对应关系较好。这说明TEM 水平分量对采空区探测也具有较高的分辨率，是调查煤层采空区较好的一种勘探方法。

图2 SX1、SX2线TEM垂直分量视电阻率断面图

4 结束语

本文介绍了瞬变电磁水平分量在采空区探测中的应用效果，并与垂直分量视电阻率断面图效果进行了简单对比，结果证明瞬变电磁水平分量对采空区探测也具有良好的效果。由于水平分量在横向上具有更高的分辨率，因而对采空区的推断更具准确性。因此，瞬变电磁水平分量在采空区探测中能够起到良好的效果。

图3 SX1、SX2线TEM 水平分量多测道图