瞬变电磁法与沉降监测探查煤矿沉降盆地的应用

祁 宁，沈楷宇，李 星

(陕西煤田地质勘查研究院有限公司，陕西 西安 710021)

0 引言

煤矿井田普遍存在老窑采空与邻近新采工作面之间的沉陷联动影响。矿方往往只针对正在开采或准备开采的工作面实施监测，忽略了周边以往采空区的影响。从而因沉陷联动影响产生的地质灾害的发生几率增加，对于沉陷区域范围内的建筑物、河流、地质构造等产生不同程度的影响。首先利用瞬变电磁勘探对工作面区域范围内的老窑采空区进行探查确定其位置、埋深、形态大小，然后布设沉降监测点，在开采过程中实施监测，研究新采空的沉陷对老采空区及周围地层的影响规律。

1 原理

沉降监测是定期观测监测点相对于基准点的高差，并求得该点不同时期的高程变化，即为该点的沉降量。通过沉降量可以求出监测差、沉降速度、部分倾斜量、相对弯度等，为监测分析提供更为翔实的数据。从初始观测数据到最后一次观测数据根据对应公式可以计算出下沉量、水平移动量、斜率、曲率、水平变形、下沉速率等参数，而结合已知资料可计算下沉盆地的边界角、移动角、裂缝角等所需参数。

瞬变电磁法也称时间域电磁法(Time-Domain Electromagnetic Methods)，简称TEM，是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法，瞬变电磁法的基本原理就是电磁感应定律。衰减过程一般分为早、中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小；而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。使用方法原理如图1所示。

图1 使用方法原理示意Fig.1 Principle of use

2 数据采集

2.1 数据整理

TEM：数据整理前，首先对其逐点进行整理，即检查数据质量，剔除不合格数据，并对合格进行编录，整理成专用数据处理软件所需要的顺序和格式，再对数据进行滤波，以滤除或压制干扰信号，恢复信号的变化规律，突出地质信息，再利用专用软件转换得到ρs(t)(视电阻率)和hτ(t)(视深度)等参数。解释流程如图2所示。

图2 TEM资料处理解释流程Fig.2 TEM data processing and interpretation process

TEM勘探野外采集的数据为感应电动势。横坐标为算术坐标，表示观测二次场的时间；纵坐标为对数坐标，表示归一化感应电动势。一般须将感应电动势转换为视电阻率，转换公式如下

(1)

式中，μ0=4π×107H/m；ST为发送回线面积，m2；SR为接收线圈面积，m2；t为测道时间，s；V(t)/I为归一化感应电动势，是瞬变值。

沉降监测：观测站控制点连接测量就是把观测站控制点与基础控制网点进行联测，确定观测站坐标系统；建立与矿井开采工程的相互位置关系。观测站控制点连接测量平面按照四等卫星定位测量的技术要求观测，高程以一个观测站控制点高程为基准联测该区域其它观测站控制点，构成四等水准闭合环。采用四等卫星定位测量平面连接测量时，其数据采集、处理与分析评价的技术流程如图3所示。

图3 岩移观测资料处理解释流程Fig.3 Process and interpretation process of rock movement observation data

2.2 资料解释

TEM：各种数据和图件构成了资料分析的素材，与已知资料综合分析推断解释才是最终目的，物探资料综合分析和推断遵循由点及线、由线及面、由简单到复杂、已知到未知逐步类比展开的原则。首先对与测区相关的已知资料进行分析，突出具体特征，归纳普遍规律，确定标志层位，标定探测深度，圈定异常范围，随之是异常确认和可靠性评级，最后进行合理的地质推断。

沉降监测：地表移动盆地稳定后的移动和变形分布规律与煤层倾角、开采厚度、开采深度、采区尺寸、采煤方法、顶板管理方法、松散层厚度等地质采矿因素有关。彬长矿区均为一次采全高采煤，全部垮落法管理顶板，影响分布规律的地质采矿因素主要是煤层倾角、采区尺寸、开采深度和采动程度。选择3个地表移动观测站中曲线形态较理想，规律表现明显的观测线进行分析总结。

3 实际应用研究

3.1 地质背景

地层特点：监测区所属陕西彬长矿区井田黄土高原地区，地表大部分地区被第四系黄土及新近系红土所覆盖，在红岩河下游及其支沟出露有白垩系下统洛河组和华池组。钻孔揭露的地层由老至新依次有三叠系上统胡家村组(T3h)，侏罗系下统富县组(J1f)，中统延安组(J2y)、直罗组(J2z)、安定组(J2a)，白垩系下统宜君组(K1y)、洛河组(K1l)、华池组(K1h)，新近系(N)及第四系更新统(Qp1、Qp2、Qp3、)和全新统(Qh)。

构造特点：区内含煤地层延安组直接或间接的沉积基底为三叠系上统胡家村组，其顶面起伏形态与上覆地层起伏形态大体一致，并受其控制。区内构造总体走向NNE，向斜两翼宽缓，倾角为1°～6°。南玉子向斜在西部表现较为明显，向东逐渐消失。地震资料显示区内构造简单，地层平缓，无明显断裂构造。

煤层：本区4号煤层为绝大部可采煤层，1号煤层和2号煤层为大部可采煤层，3号煤层和4下1号煤层为局部可采煤层，4上1号、4上2号、4上号和4下2号煤层仅个别点可采。

水文特征：直接充水水源包含工作面采掘过程中扰动影响范围内的各个含水层，即侏罗系中统延安组含水层、侏罗系中统直罗组含水层、白垩系下统宜君组含水层、白垩系统下统洛河组含水层，充水方式为顶板进水型。

3.2 参数的确定

TEM：野外数据采集使用美国Zone公司生产的GDP-32Ⅱ多功能电法工作站，其电磁传感器最具特色的技术和优势是可提供目前世界上最大面积(40 000 m2)的TEM探头，具有宽频带、低噪声、滤波措施增强抗干扰能力。

经过对已知采空区域和未采空区域的试验分析比较，总结出适合测区的仪器施工装置为大定源回线。仪器参数为发射线框600 m×600 m、发射频率4 Hz、供电电流18 A、采样延迟350 μs、叠加次数256次。

岩移监测：采用华测X90 GPS接收机，华星A12RTK、徕卡TS02全站仪、苏一光DSZ2水准仪，监测网布设为工作面、老窑采空区半条走向观测线和整条观测倾向线，监测点布设为25 m/个。

根据收集到的相邻煤矿的已有参数，结合《煤矿测量规程》及《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》有关规定，具体参数取值如下：

基岩移动角β=γ=δ=70°～75°=72°；冲积层移动角φ=45°；煤层倾角α=2°；最大下沉角θ=90°-0.6α=88.8°；移动角修正值(走向Δδ，倾向上山Δγ，倾向下山Δβ)Δδ=Δγ=Δβ=20°；平均厚松散层厚度h=200 m；平均开采深度H0=650 m。

3.3 老窑采空区的圈定

老窑采空区视电阻率等值线解释示意图，如图4所示。采空区位于未开采工作面的相邻东侧图上反映了个电性层分布特征。根据本区内以往地质资料结合电性资料解释，圈定采空异常区阈值范围为ρ≥350 Ω·m。工作面采用自然垮塌方式形成采空区，在垮塌过程中采空区周边形成了破碎带，故圈定的采空异常范围会略大于巷道范围。本次瞬变电磁勘探圈定的采空异常范围基本一致，证明此种探查方法对采空异常区的圈定合理有效。

图4 老窑采空区视电阻率等值线解释示意Fig.4 Apparent resistivity contour of old kiln goaf

3.4 移动盆地稳定后主断面内移动和变形分布规律

图5为最后一次监测数据成果运用计算机反演所得工作面沉陷范围示意图，图中工作面的沉降量变化范围为0～1 850 mm。全区沉陷整体走势为自北向南逐渐增大，整体沉陷趋势为北部下沉量高于南部，因受松散层、基岩覆盖层厚度的影响，走向方向沉降量和沉陷范围呈现出北部大于南部，倾向上因受东侧老窑采空区的影响，沉陷边界范围东侧大于西侧，测区内最大下沉区域范围在中部4103开采工作面，沉降量为1 500～1 850 mm。

图5 4101、4102、4103、4104工作面沉陷范围综合解释示意Fig.5 Subsidence range of working faces 4101，4102，4103 and 4104

4 结语

在煤矿采空区的探查中采用瞬变电磁法，能有效地查明老窑采空区的空间分布位置，效果明显，是一种高效、便捷的地球物理勘探方法，结合沉降监测能基本圈定沉陷盆地的影响范围、沉降量及预计的结果，定量地研究受开采影响的地表移动在时间和空间上的分布规律，可以指导建筑物下、铁路下、水体下的开采活动，判断建(构)筑物采取维修、加固措施的方法和时机，作为沉陷影响村镇或就地重建、异地搬迁、采取地下开采措施时的参考。