基于瞬变电磁法和大地电磁法的煤矿积水采空区探测

林井祥，张立明，张继忠

(1.黑龙江科技大学 矿业工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022；2.北京安科兴业矿山安全技术研究院有限公司，北京 102299)

在煤矿建设和生产中，采空区积水是矿井水灾事故的主要原因之一。因此清楚地掌握采空区含水体的分布规律，是煤矿安全生产的依据[1，2]。当前主要使用地球物理勘探技术探测采空区含水体的分布规律，而最有效的地面地球物理探测方法主要是电法勘探，电法勘探的方法有很多种分类方式，按照产生异常电磁场的原因来分类，则可分为传导类电法、感应类电法[3]。由于井工煤矿开采形成的采空区相对深度较深，所以其更适用于感应类电法勘探[4，5]。瞬变电磁法和大地电磁法这两种电法是对煤矿采空区积水很敏感的感应类电法勘探方法，同时运用这两种方法进行勘探，互相验证探测结果的可靠性和准确性，能更准确地反映煤矿积水采空区情况[6，7]。

鉴于此，笔者在分析两种方法的基本原理和工作方法的基础上，结合鸡西矿区庆东煤矿工程实例，应用瞬变电磁法和大地电磁法对该煤矿勘探区进行地面综合物探，首先通过瞬变电磁法探测反演成果推断积水采空区和其他低阻异常区的位置，然后应用大地电磁法对该区域进行二次探测，将两种方法的反演成果与已知资料对比分析，进行钻探验证，比较两种方法在煤矿地区探测积水采空区的应用效果，为今后煤矿积水采空区探测提供依据与经验。

1 基本原理

1.1 瞬变电磁法基本原理

瞬变电磁法——基于电磁感应原理的时间域人工源电磁探测方法。它利用发送回线Tx(磁源)发送脉冲磁场(通常称为一次场)，在一次场关断的瞬间，由于作用在良导电矿体上磁通的变化，在良导电矿体中激励起的感应涡流，其是随时间衰变的涡流场，从而激励起随时间变化的感应电磁场(通常称为二次场)。由于二次场包含有良导电矿体形状、大小、位置及导电性等丰富的地电信息，在一次脉冲磁场的间歇期间，利用接收线圈Rx观测二次场(或称响应场)，通过对这些响应信息的提取和分析，从而达到探测目的[8]。

由于施工效率高，纯二次场观测以及对低阻体敏感，使得瞬变电磁法在当前的煤田水文地质勘探中成为首选方法。瞬变电磁法的野外勘查工作中通常采用重叠回线、中心回线、分离式回线装置和大定源回线装置[9]。

1.2 大地电磁法基本原理

大地电磁法——基于电磁感应原理，用于研究地球电性的一种地球物理方法。它利用宇宙中的太阳风、雷电等入射到地球上的天然电磁场信号作为激发场源，称为一次场，该一次场是平面电磁波，垂直入射到大地介质中，大地介质中将会感应出变化的电场即大地电流场，并产生二次电磁场，在地球内部，这种电磁场的分布取决于岩石的电性结构。在地面上单点观测天然交变电磁场互相垂直的Ex、Ey、Hx、Hy四个分量，分析研究地面波阻抗随频率的变化，可以探测出地球内部岩石电性随深度的分布规律[10]。

大地电磁法以其设备小巧轻便，工作方法简单，获取信息量大，资料直观易解释，在水文地质方面获得了广泛的应用。大地电磁法的野外勘查工作中通常采用带磁偶源电磁系统和无磁偶源电磁系统模式。

2 工作方法

2.1 瞬变电磁法工作方法

本次瞬变电磁法勘探选用大定源回线装置，采用加拿大GEONICS公司生产的PROTEM-57瞬变电磁仪，根据探测深度在地面铺设一个大线框，通过PROTEM-57瞬变电磁仪发射机给线框通以阶跃变化的脉冲电流，从而在地下介质中产生一次电磁场，再由感应激发极化作用产生二次电磁场，利用PROTEM-57瞬变电磁仪接收机对二次电磁场进行数据采集。通过betem软件对采集的数据进行整理、转换、编辑、滤波去噪、时深转换、反演等一系列处理，使用surfer软件绘制出视电阻率等值线图，最后结合地质资料对异常区域进行解释。瞬变电磁法工作方法流程如图1所示。

图1 瞬变电磁法工作方法流程图

2.2 大地电磁法工作方法

本次大地电磁法勘探采用EH-4大地电测勘探方法，它是直接记录天然场源的电磁信号，通过傅里叶变换，将时间域信号转换为频率域信号，从而得到X、Y方向上的电场强度Ex、Ey和磁场强度Hx、Hy计算卡尼亚电阻率从而反映地下物质的电性结构。仪器设备采用美国电磁研究机构EMI和电磁仪器制造商Geometrics公司联合研制的EH-4连续电导率剖面仪，为了弥补天然场源在高频段信号弱的缺点，配置了特殊的人工电磁波发射源，选用带磁偶源电磁系统模式，本次野外数据采集的主要方式是单点的张量观测，数据采集前进行平行试验、信号场选择等施工前准备工作，野外工作进行测线布置、数据采集以及数据预处理等工作，室内工作中采用与仪器所配套的IMAGEM软件对数据进行处理，在处理过程中，首先对野外数据进行去坏道、去噪等处理，然后进行一维及二维反演成像等处理，surfer软件绘制出视电阻率等值线图，最后结合地质资料对异常区域进行解释。大地电磁法工作方法流程如图2所示。

图2 大地电磁法工作方法流程图

3 工程实例

3.1 勘探区概况

勘探区为黑龙江省鸡西市鸡冠区庆东煤矿，该矿井设计生产能力为0.6Mt/a，现开采煤层为无夹矸的3#、4#煤层，3#、4#煤层均位于侏罗系上统鸡西群城子河组上部。该矿开拓方式为双斜井开拓，通风方式为中央并列抽出式通风，采煤方法为走向长壁后退式采煤法。井口高程为+295m，现开采水平为-65m。勘探区地形为山地，测区内有厂矿企业、高压线、水沟、铁路等。该矿现采煤层上部存在大量20世纪末和21世纪初小煤窑和该矿上部煤层开采遗留的老空区，积水情况不详，给该矿安全生产带来隐患。

3.2 勘探区地球物理特性

常见的岩石地层中，泥岩的视电阻率值最低、中粗砂岩的视电阻率值最高，粉砂岩居中。煤矿采空区不同物质其视电阻率值会有所不同，若出现裂隙、断层等构造时，该区域的空洞及其周边裂隙发育处的视电阻率值会高于完整岩石的视电阻率值，会出现视电阻率等值线波动和杂乱分布特性，并显示高阻异常。当煤矿采空区积水后，会使得原来煤系地层本身所具有的层状分布异同点被破坏，即在纵向上电阻率变化规律相同，横向上较为不同，视电阻率值将明显低于周围完整岩石的视电阻率值，表现出一定的低阻异常特征[11，12]。总之，煤矿积水采空区与其周边完整岩层存在导电性差异，因此该区具备采用瞬变电磁法和大地电磁法进行勘探的地球物理前提条件。根据勘探区经验统计和反演结果分析，主要岩层视电阻率值见表1。

表1 勘探区岩层视电阻率值统计表

3.3 瞬变电磁法勘探

根据工程探测深度需要，勘探区内瞬变电磁法共设计4个360m×360m线框，因该矿的煤层走向大致呈东西方向，勘探线呈南北向布置，相邻线距40m，相邻点距20m。勘探线由西向东编号为800E—1240E，点号由南向北编号为700N—1120N。总计测线12条，总长5040m，测点264个。勘探工程布置如图3所示。

图3 勘探工程布置

本次瞬变电磁法采用的PROTEM-57瞬变电磁仪，仪器具备探测精度高、受地形干扰小等优点。经过现场采集参数对比试验后，仪器设备主要工作参数见表2。

表2 PROTEM-57瞬变电磁仪工作参数表

通过运用PROTEM-57瞬变电磁仪对勘探区进行探测，采用BETEM反演软件对采集的数据进行处理，使用surfer软件成像出图如图4所示。

瞬变电磁法所得各测线视电阻率等值线图纵向上变化特征呈“低—中—高—中—低—中”变化，基本与地层电性特征吻合，横向上部分测线视电阻率等值线出现较明显的扭曲、变形，呈凹陷状，推断该处为采空区，同时部分测线均出现了明显的低阻异常反映且存在局部差异，据此推断出勘探区范围内存在1处积水采空区(如图4所示)。该处积水采空区在勘探区中深部-60～+80m高程之间，分布在1000E测线的880N—960N测点之间，沿测线向东有增加趋势，至1040E测线时主要集中在860N—1000N测点之间，至1080E测线时扩大至760N—1040N测点之间，至1120E测线时缩小至920—940N测点之间。

3.4 大地电磁法勘探

为了验证瞬变电磁法推断出的积水采空区的准确性，大地电磁法设计测线为瞬变电磁法推断出积水采空区分布范围的1000E—1120E测线，测点位置与瞬变电磁法测点位置一致，共计4条测线，总长1680m，测点88个。勘探工程布置如图5所示。

图5 勘探工程布置

本次大地电磁法勘探采用EH-4连续电导率剖面仪。这套仪器具备工作效率高，设备体积小重量轻等优点。经过现场采集参数对比试验后，仪器设备主要工作参数见表3。

表3 EH-4连续电导率剖面仪工作参数表

通过运用EH-4连续电导率剖面仪进行探测，采用IMAGEM 2D反演软件对采集的数据进行处理，使用surfer软件成像出图，得到4条勘探线的视电阻率剖面图(图6)。

图6 大地电磁法测线视电阻率剖面图

大地电磁法所得各测线视电阻率等值线图纵向上变化特征也呈“低—中—高—中—低—中”变化，横向上部分测线视电阻率等值线也出现了明显的低阻异常反映且存在局部差异，据此推断出勘探区范围内存在1处积水采空区(如图6所示)。该处积水采空区在勘探区中深部-40～+60m高程之间，分布在1000E测线的860N—940N测点之间，沿测线向东有增加趋势，至1040E测线时主要集中在840N—1000N测点之间，沿测线向东有缩小趋势，至1120E测线时缩小至900N—920N测点之间。

综合瞬变电磁法与大地电磁法的物探结果，4条重合的测线视电阻率剖面图的视电阻率变化特征基本相似，在纵向和横向上一致性好，基本与地层电性特征吻合，推断出积水采空区的分布范围也较为吻合，这说明两种方法的数据处理成果基本能反映勘探区内地层实际情况，用本次数据处理结果进行地质解释能够完成所承担的勘探任务。根据两种方法各自的特点，结合野外施工布置抗干扰情况，以瞬变电磁法的解释为主，确定积水采空区的范围；以大地电磁法解释为辅，进行验证补充解释，减少单一方法多解性带来的假异常情况。

3.5 与已知资料对比及钻探验证

根据现场勘查和矿方提供的水文地质资料及采掘工程图可知，在勘探区内1040E测线的840—920测点处为2004年炮采形成的1#、2#左五片采空区，推断积水采空区的导水通道主要是该测线附近的已知F3断层与采空区及上覆岩层裂隙形成的。

根据已知资料，结合两种物探方法的解释结果，最终选择在1040E测线960N测点处进行钻探验证。钻探结果显示：钻孔深度在160m处见空同时见水，验证钻孔情况见表4。

表4 钻孔情况一览表

根据以上分析结果，可见瞬变电磁法和大地电磁法两种方法推断积水采空区位置与现场实际资料及钻探揭露情况吻合，验证了这两种方法的有效性。

4 结 语

以鸡西矿区庆东煤矿工程实例，采用瞬变电磁法和大地电磁法探测积水采空区空间位置，通过结合已知资料及钻探结果进行对比分析。结果表明，两种方法探测的反演结果视电阻率变化特征基本相似，都能较好地反映出电性层在垂向上的分布规律，推断勘探区存在1处积水采空区的分布范围也较为吻合，与现场实际资料及钻探结果基本一致，验证了这两种方法的有效性。可见，瞬变电磁法和大地电磁法综合物探能够作为寻找煤矿积水采空区的有效方法，可为煤矿防治水工作提供技术支持，具有十分重要的工程应用价值。