瞬变电磁法在沁裕煤矿工业性试验研究

胡海波

（山西兰花沁裕煤矿有限公司，山西晋城048212）

2000年以来，山西煤炭行业共进行过两次资源大整合，煤矿数量由原先的近3万座缩减到目前的1000余座[1]。在这些资源整合矿井中，普遍存在老空区资料缺失严重、井田边界划分不清、采空区积水量统计有误等情况，物探工作面临巨大挑战，地质勘探工作进度十分缓慢[2]。

同时，煤矿突水事故近年来屡屡发生，给企业安全生产造成了严重隐患，成为制约我国煤炭行业健康发展的关键因素。对煤矿采空区进行地面物探工作是防范煤矿采空区灾害特别是老采空区水害的有效技术。瞬变电磁法作为近年来发展迅速的一种物探方法，其在煤炭资源勘查、水害防治勘查等领域应用广泛，对于矿井水害事故的防治工作发挥了关键作用[3]。近年来，我国许多专家和学者在煤矿采空区地面物探理论及现场应用研究方面开展了卓有成效的工作。

1 矿井概况

山西兰花沁裕煤矿有限公司（以下简称沁裕煤矿）井田位于山西省晋城市沁水县内，井田面积为10.56km2，井田呈不规则多边形，东西最长约7.0km，南北最宽2.5km，生产规模90×104t/a。

由于沁裕煤矿现属基建矿井，为了提高全省资源整合矿井的水文地质勘探程度，有效地保证煤矿的生产和安全的需要，计划对井田内未来五年计划开采范围内（首采区）的煤层采空区积水做系统调查。

2 瞬变电磁法的工业性试验

2.1 试验目的与原则

根据瞬变电磁法规范，以及勘探设计方案的要求，为了提高本次沁裕煤矿地质勘探工作的准确性，将在展开野外数据采集工作之前安排工业性试验。工业性试验主要目的在于了解勘查区域的地质状况、施工条件、干扰因素以及煤层采空区的地理特征等。通过本次工业性试验，可以为勘探工作中仪器设备的选择、参数的设定提高具有实际意义的参考价值。整个工业性试验选在勘查区内已知采空积水区进行，遵循由已知到未知、由简单到复杂的原则进行。

2.2 试验内容

根据沁裕煤矿首采区的地质资料及瞬变电磁法的要求，工业性试验工作共包括仪器参数的试验和干扰水平调查两大内容。其中，采用IGGETEM-30B型瞬变电磁仪，仪器参数的试验以单点试验为主，包括发射边框、发射电流、发射时基、关断时间、延迟时间、叠加次数等；干扰水平调查是指通过调查勘查区的地电干扰情况，确定提高信噪比、压制干扰的措施。

3 试验工作及结果分析

根据沁裕煤矿首采区地表条件及已知资料，试验点选在勘查区内的980线880点。

3.1 仪器稳定性试验

为测试试验仪器的稳定性，本文将对同一测点使用相同的仪器，并设置相同参数进行测定，最终通过公式（1），计算多组采样数据的相对均方误差对仪器的稳定性M j进行分析。

式中：V j(t i)——仪器在第j点第i测道原始观测数据；

V j′(t i)——仪器在第j点第i测道复测数据；

∇j(t i)——V j(t i)与V j′(t i)的平均值；

n——参加统计计算的测道数。

如图1所示为瞬变电磁仪在试验点进行仪器稳定性试验的感应电压对比曲线图。从图中可以看出，试验点共完成2个，原测与复测的单支曲线基本一致，通过计算得出该试验点的采样数据平均相对均方误差为1.34%，仪器稳定性满足《规范》要求。

图1 仪器复测数据对比图

3.2 背景场值测定

背景场值测定目的在于当不发射一次场的情况下，对背景噪音进行测定，根据经验判断，试验点位置处叠加次数为1时，背景噪音电平在1nV/m2左右，峰值为30nV/m2左右，因此沁裕煤矿首采区内只需选择合理施工参数保证探测深度达到最深目的层时有效分辨电平大于30nV/m2即可。

3.3 线圈尺寸及仪器参数的选取

根据相关资料显示，结合沁裕煤矿所在沁水煤田的地面瞬变电磁勘探工作经验得出，数据采集方式选采用20m×20m5匝重叠回线进行为最佳。在试验点上对增益、叠加次数、测量延时进行试验，试验选择如下参数：

增益：1、10；

叠加次数：128、256、512；

测量延迟延时：0μs、50μs、120μs；增益对比：本次试验就增益为1、10进行了试验，采取从最大、最小两端开始逐渐逼近的方法。结果如图2所示：增益为10时，衰减曲线晚期道有跳跃；增益为1时衰减曲线圆滑，因此选择增益为1为数据采集参数。

图2 增益衰减曲线对比图

叠加次数的选择：在瞬变电磁法探测中，通过增加叠加次数的方法可以有效地压制游散的工业电流等随机干扰，以提高采集数据的信噪比。本次试验目的在于确定勘探范围内背景噪声的强度，确定压制随机电磁干扰的最少叠加次数。结果如图3所示，128及256次叠加曲线欠圆滑，512次叠加可有效抑制电线的影响。

图3 叠加256、叠加512次衰减曲线对比图

延迟时间的选择：在20m×20m多匝的重叠回线，发射电流5.5A、叠加次数512次、增益1的条件下，进行了采样延迟0μs、50μs、120μs的试验。试验结果如图4所示，0μs及50μs两种延迟时早期数据存在溢出或畸变现象，因此我们决定采用120μs延迟时。

图4 采样延迟时0μs、50μs、120μs衰减曲线对比图

3.4 单点反演

根据试验点的已知资料可知，2号煤层底板标高在967m。由该点反演电阻率曲线可见，曲线类型整体为HA型曲线，2煤层附近电阻率明显变高，由图5可见，本次实验采用的装置形式电阻率反演深度在400m左右，能够满足本次勘探深度的要求。

图5 980线880号点计算与反演电阻率曲线对比图

4 结束语

从上述试验工作分析可以得知，本次工业性试验工作达到了试验目的的预期效果，具体结论如下：

（1）采集电压数值的大小与关断、延迟时间关系密切，而与供电电流关系较小，野外采集使用IGGETEM-30B型瞬变电磁仪，较为合适的设置参数如下：增益为1；关断时间为120μs；叠加次数为512次。

（2）工作区内的游散电流干扰不大，噪音电平在1nV/m2左右，峰值为30nV/m2；

（3）瞬变电磁法结合已知资料进行了反演，反演深度最大可达400m以上，从深度上可进一步确定煤层采空层位。

因此，从工业性试验结果中可以看出，采用瞬变电磁法的重叠回线装置探测采空区、采空积水异常区等地质情况较为有效，选定的采集参数满足本次勘探要求，可以完成本次勘探任务。