复杂地形小回线瞬变电磁法探测采空区试验研究

牟 义 ，张永超 ，邱 浩 ，游 超 ，李 杰 ，徐东晶

（1.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013；3.山东科技大学 地球科学与工程学院，山东 青岛 266590）

大定源回线和中心回线等大回线发射装置作为主要的地面瞬变电磁法探测装置，研究、应用均较为成熟，井下瞬变电磁法由于井下空间的限制，采用重叠回线或偶极回线等小回线发射装置作为主要的井下探测装置，在掘进迎头超前探测和回采工作面区域探测研究、应用较为广泛，成为井下探测采空区、含水体的主要物探手段。但由于地面地形等一些特殊条件的限制，部分区域大回线地面瞬变电磁法现场布置受到限制，因此，部分学者将井下小回线瞬变电磁法引入到地面上，进行了初步研究。徐正玉等[1]采用非线性粒子群优化算法进行反演计算，验证小回线瞬变电磁法方法有效性和准确性，并以重庆大学校园防空洞和某城中村地表塌陷地质灾害勘查为例，开展小回线瞬变电磁法实验研究，取得较好的效果；连晨光等[2]分别计算了瞬变电磁法线圈边长为 1～5 m时相应的自感、互感值及其相对误差，并分析了各种计算公式的适用性，给出了合适的小回线电感计算公式；韦乖强等[3]通过小线框瞬变电磁法在贵州某矿开展的探测实践及对比分析研究，证实小线框瞬变电磁法在地形复杂、构造发育、噪声干扰严重的地区开展勘查工作具有绝对优势；齐朝华等[4]以内蒙古某煤矿水文勘探为例，分别进行大定源回线装置和重叠回线装置试验，对比2 个装置对含水异常的响应特征，多匝小线框重叠回线装置相比大定源回线装置占地面积小，体积效应小，异常特征更明显。通过以上研究可以看出，专家们从理论计算、反演算法、现场试验对比等方面初步开展了小回线瞬变电磁法在地面开展的可行性，但从数值模拟、现场试验综合分析可行性及采空区探测应用方面均研究较少。为此，在前人研究基础上，开展数值模拟、现场试验，综合研究分析小回线瞬变电磁法可行性，并进行现场应用。

1 试验区概况

试验区位于千树塔井田，地表全部被新生界松散沉积物覆盖，主要有第四系全新统风积沙、现代冲洪积层、中更新统离石组，新近系上新统静乐组等，钻孔揭露的地层还有：侏罗系中统直罗组、延安组，下统富县组。井田内侏罗系中统延安组（J2y）的3、4、6、9 号煤层为区内可采煤层，3 号煤层本次研究的主要目的层，该煤层在井田内除东南部自燃外，全区可采，煤层厚度变化在9.75～11.21 m 之间，平均10.61 m，由东南向西北增大，变化规律明显。3 号煤层埋深147.43～271.25 m，一般200～260 m，底板标高变化在1 082～1 120 m 之间。煤层结构简单，无夹矸。煤层直接顶板以泥岩为主，粉砂质泥岩、粉砂岩次之，少量粉砂岩、中粒长石砂岩；底板以泥岩、粉砂质泥岩为主，粉砂岩、泥质粉砂岩次之。煤层与其顶底板均为明显接触。井田东南部由于3 号煤层自燃，其顶板烧变岩垮塌，造成岩石破碎，节理、裂隙发育，结构松散，形成火烧岩区孔洞裂隙水，成为地下水的良好通道和水源。原小煤窑开采3号煤，形成了分布不清的小窑采空区，形成的垮落带及导水断裂带，可能沟通冒裂带内的不同基岩含水层使地下水直接进入矿坑，也会对地表陕京二线管线造成安全隐患。为了查清采空区分布情况，为后续治理提供依据，需要采用瞬变电磁法进行地面物探。而由于地形起伏较大，存在断崖，落差较大，原有的瞬变电磁法大定源回线和中心回线等大发射线圈无法布置，而小发射线圈在井下探测中经常用到，因此，本次将井下小回线用于地面复杂地形区域进行试验，确定试验参数，对3 号煤采空区进行探测。

2 瞬变电磁法小回线可行性数值模拟

本次进行一维层状介质瞬变电磁正演，适用于相关的理论研究、工程设计等领域。软件首先采用汉克尔变换求得层状介质的电偶源频率域响应，然后采用余弦变换得到电偶源的时间域响应，最后采用高斯—勒让德积分将电偶源耦合为回线源，最终得到层状介质的定源（中心）回线瞬变电磁响应[5-6]。软件支持并行计算，同时能实现斜阶跃关断效应的计算，具有计算速度快、结果精度高等特点。根据试验区的地层和电性特征建立数值模型，模型对应地层从上往下简化为6 层，数值模型参数见表1。

表1 数值模型参数Table 1 Numerical model parameters

主要针对发射线圈尺寸、采空区电阻率、采高和关断时间等参数进行数值模拟，主要数值模拟方案如下：①发射线圈尺寸：固定采空区电阻率10 Ω·m、采高10 m、关断时间1×10-5s，发射线圈尺寸分别为2 m×2 m、3 m×3 m、5 m×5 m、10 m×10 m、50 m×50 m、100 m×100 m、200 m×200 m、500 m×500 m 等8 个值；②采空区电阻率：固定发射线圈尺寸3 m×3 m、采高10 m、关断时间1×10-5s，采空区电阻率分别为2、5、10、20、50、100、200、500 Ω·m 等8 个值；③采高：固定发射线圈尺寸3 m×3 m、采空区电阻率10 Ω·m、关断时间1×10-5s，采高分别为1、2、3、5、7、10、15、20 m 等8 个值；④关断时间：固定发射线圈尺寸3 m×3 m、采空区电阻率10 Ω·m、采高10 m，关断时间分别为1×10-7、1×10-6、1×10-5、1×10-4、1×10-3、1×10-2、1×10-1、1×10-0s 等8 个值[7-8]。

发射线圈尺寸、采空区电阻率、采高和关断时间等参数数值模拟的归一化电压衰减曲线分别如图1～图4。

图1 不同发射线框尺寸衰减曲线Fig.1 Attenuation curves of different emission wireframe sizes

1）发射线圈。由图1 可以看出，随着发射线圈尺寸的增大，整体归一化电压不断增大，早期场受一次场影响时间也越来越长，晚期场受干扰影响越来越小，曲线越来越平滑，可以看出2 m×2 m 线框尺寸衰减时间＜0.1 s，3 m×3 m、5 m×5 m、10 m×10 m 衰减时间介于0.1～1 s，其他尺寸衰减时间＞1 s，因此，衰减时间＞0.1 s 的线框尺寸均满足探测要求，考虑到现场地形影响，因此，线框尺寸选取3 m×3 m。

2）采空区电阻率。由图2 可以看出，选用3 m×3 m 发射线圈，针对埋深超过200 m 的不同电阻率采空区均有明显的电性差异，随着采空区电阻率的增大，整体归一化电压逐渐降低，特别是对低阻采空区响应特征更明显，说明线框尺寸为3 m×3 m 的小回线可以有效探测目标层位深度。

图2 不同采空区视电阻率衰减曲线Fig.2 Apparent resistivity decay curves of different goafs

3）采高。由图3 可以看出，选用3 m×3 m 小发射线圈，对不同采高的采空区也有明显电性特征区别，随着采高的不断增大，归一化电压也不断增大，说明3 m×3 m 小发射线圈可以分辨大于1 m 的采空区，采高越大，分辨特征越明显。

图3 不同采高衰减曲线Fig.3 Attenuation curves of different mining heights

4）关断时间。由图4 可以看出，针对3 m×3 m 小发射线圈，不同关断时间观测到二次场归一化电压也不一样，关断时间越短，观测到的整体归一化电压值也越大，关断时间＜1×10-5s，归一化电压值增大趋势变缓，基本稳定，说明3 m×3 m 小发射线圈选取小于1×10-5s 的关断时间，可以观测到稳定的二次场衰减曲线。

图4 不同关断时间衰减曲线Fig.4 Attenuation curves of different off-time

根据数值模拟结果，结合仪器装备性能，选用3 m×3 m 小发射线圈可以有效探测超过200 m深度、采高超过1 m 的采空区，针对充水采空区导致电阻率降低的采空区有更明显的效果，设置关断时间＜1×10-5s 时，在有效观测时间0.001～0.01 s 区间均出现明显的采空区反应。因此，通过数值模拟，可以确定小回线用于地面探测是可行的。

3 瞬变电磁法参数优化试验

试验线选择在已知采空区地段，位于测区西北部，跨过13302 工作面，测线长度400 m，点号1～27，完成物理点27 个。由西向东布设，1 号～12 号点为已知采空区地段，21 号点为QH1钻孔。试验点选择在试验线21 号点，进行参数试验。试验线及试验点位置如图5。

图5 测区及试验线布置图Fig.5 Relative position diagram of test line

3.1 发射框尺寸

发射线框边长会直接影响勘探深度，在相同频率下，线框边长越大，探测深度越深[9-10]。为了满足深度要求，选用了2 m×2 m、3 m×3 m、5 m×5 m 3 种发射线框进行试验，以达到最理想的试验效果。2 m×2 m、3 m×3 m、5 m×5 m 发射线框试验图分别如图6～图8。

图6 2 m×2 m 发射线框试验图Fig.6 2 m×2 m launch wireframe test diagram

图7 3 m×3 m 发射线框试验Fig.7 3 m×3 m launch wireframe test

图8 5 m×5 m 发射线框试验Fig.8 5 m×5 m launch wireframe test

由图6～图8 可见：在相同参数，发射频率8 Hz、电流8 A 情况下，2 m×2 m 探测深度能达到220 m，3 m×3 m 探测深度能达到330 m，5 m×5 m 探测深度能达到560 m；2 m×2 m 探测深度较浅，5 m×5 m 探测深度较深，结合地质资料，目的层埋深240 m 左右，即3 m×3 m 线框可满足本次工作需求。

3.2 发射频率

从理论上讲在外部其他条件恒定的情况下，随发射频率的逐渐降低探测深度逐渐增加，在相同时间段内包含的采样点数越少，同时由于频率越低其采样时间越长，因此会包含更多的外部随机干扰，尤其是在各频率尾部有效信号值微弱时，会受到外部的强烈干扰而导致尾部道无效[11-12]。

发射频率可以反映发射信号与地质体的耦合程度，一般频率高与埋深较浅的地质体耦合程度较好，频率低则与较深地质体耦合程度好。选用4、8、16 Hz 3 种频率进行了试验。不同发射频率衰减曲线如图9。

图9 不同发射频率衰减曲线Fig.9 Attenuation curves of different transmit frequencies

由图9 可见，4 Hz 在接近104μs 以后出现随机干扰，有效衰减时间过短，证明其频率不适合本测区的电性反应条件。8 Hz 和16 Hz 在104μs以后尾部信号出现较小波动干扰，证明有效信号的总体衰减趋势特征已经被完整采集。但16 Hz较8 Hz 衰减曲线可利用有用信号更多，衰减曲线更为圆滑。因此，本次发射频率选择为16 Hz。

3.3 发射电流

在其他参数相同时，较大电流可以获得较深的地质体反映信号，较小的电流则获得较浅地质体的反映信号。同时发射电流的选择一要考虑所发射的电流能够持续长时间的稳定，保证设备正常；二要考虑场区内的干扰因素，所发射的电流要有足够的抗干扰能力，能保证取得良好的原始数据[13]。结合本区目的层埋藏深度较深的情况，发射电流分别选用5、8、10 A 3 种电流进行试验。不同发射电流衰减曲线如图10。

图10 不同发射电流衰减曲线Fig.10 Attenuation curves of different emission currents

发射电流为5 A 时，尾部信号强度低，有效衰减时间变短，曲线不圆滑。8、10 A 有效衰减时间较长，采集信号较强，衰减曲线比较圆滑，根据本项目的地质任务特点以及设备良性运作，最终选择8 A 左右发射电流来完成本测区地质任务。

3.4 叠加次数

试验选在同一点，参数相同情况下分别采用叠加次数5 次、10 次、15 次进行试验，不同叠加次数衰减曲线如图11。

图11 不同叠加次数衰减曲线Fig.11 Attenuation curves of different stacking times

由图11 可见：叠加次数越多曲线越圆滑，兼顾采集效率，本次工作叠加次数采用15 次，即可满足本次试验要求。

3.5 方法有效性

地层已知性试验是地球物理勘查的一个重要依据，它是在得知地质资料的前提下在物探范围或者附近寻找一地势平坦，存在异常的地段进行试验[14-15]。试验选择在由矿方提供的已知采空区地段，位于测区西北部，跨过13302 工作面。试验的目的是对比探测方法有效性，校正反演程序中的参数，使反演结果更接近实际本区地层电性特征。本次已知性试验采用优化试验选取的参数，选取发射线框边长3 m×3 m，叠加次数15 次；发射频率16 Hz，发射电流≥8 A（发射机控制），其它参数由仪器内部设置自动调节变化。试验线瞬变电磁视电阻率拟断面等值线图如图12。

图12 试验线瞬变电磁拟断面等值线图Fig.12 Transient electromagnetic pseudo-section contour diagram of the test line

由图12 可以看出：电性反映特征明显，层位清晰，各地层视电阻率由浅至深呈低阻～中阻～高阻的反映，符合区域地层的电性参数反映特征。其中，3 号煤层在1～12 号点附近电性发生变化，呈现相对高阻异常，与已知采空区吻合较好。3 号煤层在15～19 号点附近电性发生变化，呈现相对高阻异常，推测为采空区塌陷拉动引起。

通过本次已知性试验充分确定小回线地面探测是行之有效的，验证了数值模拟和现场试验的成果，并确定了最佳施工参数：发射线框边长3 m×3 m，叠加次数15 次；发射频率16 Hz，发射电流≥8 A（发射机控制）。

4 瞬变电磁法探测成果

4.1 剖面成果

本次瞬变电磁法勘探，点距均为20 m，各测线剖面视电阻率等值线图中横坐标为测点号，纵坐标为标高，图中红色～绿色～蓝色的过渡表示视电阻率值由高～中～低的变化[16]。图中黑色线为3 号煤层位置。测区地层自下而上有侏罗系、新近系和第四系。瞬变电磁资料视电阻率表现为：上部的低阻区域为第四系地层的电性反映，中部中阻区域为新近系地层电性特征，下部中高阻区域反映了侏罗系地层的电性特征。结合测区范围内地质资料和调查情况，选择典型剖面进行解释。380X线瞬变电磁法勘探剖面视电阻率等值线图如图13。

图13 典型剖面视电阻率等值线图Fig.13 Typical profile of apparent resistivity contour diagram

图13 中上部为低阻反应，视电阻率值在60～80 Ω·m 之间，分析为第四系松散覆盖层的电性反应；中部电性为中阻，分析为新近系静乐组电性反应；下部为中高阻反应，视电阻率值一般大于160 Ω·m，分析为侏罗系综合电性反应。从横向上看，3 号煤层在1～3、7～18 号点附近呈现相对高阻反应，结合已知资料，推断为煤层采空区异常引起。

4.2 平面成果

首先依据各测线瞬变电磁测量剖面视电阻率等值线图对测区内可能存在的异常区进行分析；其次结合3 号煤层做视电阻率顺层切片对圈定的范围进行分析解释，初步确定采空异常区范围；最后通过对采掘情况、以往地质勘探资料、煤层埋深等进行分析对比，同时参考剖面视电阻等值线图及试验结论得出的内容确定了对高阻异常区的划分为：3 号煤层电阻率≥200 Ω·m 为采空异常区。

依据上述分析方法和异常划分原则，对不同层位的视电阻率顺层切片异常进行了圈定，3 号煤层视电阻率顺层切片图如图14。

图14 3 号煤层视电阻率顺层切片图Fig.14 Apparent resistivity of 3# coal seam along the seam

图14 中红色～黄色～绿色～蓝色的过渡表示视电阻率值由高～中～低的变化，粉色虚线区域为高阻异常区。3 号煤层划分出相对高阻异常区5 个，编号为A1～A5。

本次工作在地面调查以及收集已有资料和调查访问的基础上，采用地面瞬变电磁法勘探手段查明测区范围内3 号煤层采空异常区域，完成了本次勘探任务。3 号煤层共圈定解释了5 个异常区，编号为A1～A5，各异常区性质、面积详见表2。

表2 3 号煤层异常区推断成果表Table 2 Inference results of abnormal area of 3# coal seam

5 结 语

1）通过设置不同发射线圈尺寸、采空区电阻率、采高和关断时间等模型或观测参数，建立数值模型开展数值模拟，模拟结果发现采用3 m×3 m 小回线发射线圈可以有效探测深度200 m、采高超过1 m 的采空区，并且充水采空区探测效果更好，电性特征变化更明显；在关断时间小于1×10-5s 时，在有效观测时间0.001～0.01 s 区间均出现明显的采空区异常反应，通过数值模拟，可以确定小回线瞬变电磁法用于地面探测是可行的。

2）通过对发射框尺寸、发射频率、发射电流及叠加次数等进行现场试验，优化试验参数，分析得出采用小回线发射线圈边长3 m×3 m、叠加次数15 次、发射频率16 Hz、发射电流≥8 A 等参数，可以达到最佳探测效果，也验证了小回线瞬变电磁法地面探测是可行的。

3）将数值模拟和现场试验参数应用到现场观测中，通过分析现场应用剖面和平面成果图，确定3 号煤层电阻率≥200 Ω·m 为采空异常区，在3号煤层共圈定解释了5 个异常区，推断为采空区或烧变岩空隙，充分说明了小回线瞬变电磁法探测的可靠性，为油气管线下方采空区治理提供了准确的勘探资料。