瞬变电磁法在锶矿采空区中的应用研究

吴月雷 WU Yue-lei；刘孟举 LIU Meng-ju；周琦斌 ZHOU Qi-bin；何晓峰 HE Xiao-feng

（重庆市大足天青石矿业有限公司，重庆 402359）

0 引言

资源开采给社会带来巨大财富的同时也给人们的生产和生活带来了巨大的安全隐患。关于采空区造成的人员伤亡和财产损失国内外报道甚多，采空区已成为影响现在矿山安全生产的主要危害源之一。这些采空区使矿山开采条件恶化，造成矿层变形破坏，相邻作业区采场和巷道维护困难；大面积冒落和岩移，引起地表塌陷，危及地面农田及建筑；采空区突然垮塌的高速气浪和冲击波造成井下连通作业场所人员伤亡和设备破坏；采空区老窿积水形成突水隐患等等，给矿山生产和安全带来严重影响，并造成环境恶化、矿产资源严重浪费[1-3]。

地球物理方法在地下采空区精细探测中发挥着重要作用。当前，用于采空区探测的地球物理方法主要有高密度电阻率法和瞬变电磁法等方法。王丽红将高密度电阻率法和瞬变电磁法方法用于煤矿采空区应用研究，结合具体工程案例，验证方法有效性[4]；韩自强采用矩形大定源回线TEM 全区视电阻率法在煤田采空区勘探中取得应用[5]；郭伟立利用瞬变电磁法监测采空区中煤矿含水情况，较好解释采空区地质问题，取得令人满意的探测结果[6]；陈卫营利用瞬变电磁法多装置探测技术在煤矿采空区应用，研究结果表明电性源瞬变电磁法具有探测深度大、施工方便、工作效率高等优点，是一种可用于深部采空区探测的值得推广的电磁方法之一[7]；常规瞬变电磁法在强干扰环境中应用受限，抗干扰能力差；受关断时间和线圈互感影响，浅部盲区大，分辨率低。瞬变电磁法数据处理通常采用全区视电阻率计算或者线性迭代反演方法。全区视电阻率计算方法只能用于异常定性判断，不能反映目标体准确深度信息。线性迭代反演方法需要计算雅可比矩阵，计算速度受限[8]。

高密度电阻率法是通过向地下供直流电，然后利用电极测量两点之间的电位差进行探测。这种方法需要一定的场地空间，并且需要布置电极，野外工作效率低，具有一定的破坏性也不容易进行施工。目前，对于地下空间200 米以内的探测深度，瞬变电磁法是首选方法之一。瞬变电磁法是通过不接地回线或接地线源向地下发送一次场，在电流关断间歇期间内接收感应二次场的变化[9-10]。该方法的优点是纯二次场观测，其分辨率高、探测深度深，对低阻异常体敏感。传统瞬变电磁法主要应用于空旷山区，勘探仪器主要采用国外设备，电流关断时间很长，造成浅表的异常信息丢失，形成了瞬变电磁的探测盲区。此外，国外仪器采样率非常低，不能有效采集异常体的信息，所以不适合在窄小的、强干扰的城市调查中进行探测。近年来，吉林大学林君院士、重庆大学付志红教授、中南大学席振铢教授和中国地质大学（武汉）梁庆九等人在国产化浅层瞬变电磁仪器研制上取得了非常突出的成就。其中，重庆大学付志红教授及其团队等人在瞬变电磁发射机高速关断技术、线圈消互感技术、高速采样率以及数据处理反演等方面取得了重大进步，为实现地下采空区精细探测提供了强有力的保障[11-12]。

本文结合承担锶矿采空区调查项目，采用浅层高分率瞬变电磁系统，对采空区段进行探测，并将探测结果与实际地质资料进行比较，结合现场资料验证了瞬变电磁法探测结果的准确性。

1 瞬变电磁法原理和数据处理方法

瞬变电磁法（Transient Electromagnetic Method，简称TEM）是利用不接地回线或接地电极向地下发送脉冲式一次电磁场，用线圈或接地电极观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场的空间和时间分布，来解决有关地质问题的时间域电磁法。目前，该方法已成为浅地表工程地球物理调查的重要方法之一，被广泛地应用于工程、水文地质调查，环境调查等诸多领域。图1 表示发射电流关断后，不同时刻地下等效电流环的分布示意图。从图中可以看到，等效电流环像从发射回线中“吹”出来的一系列“烟圈”。因此，将地下涡旋电流向下、向外扩散的过程形象地称为“烟圈效应”[8]。

图1 瞬变电磁场“烟圈效应”

传统的瞬态电磁数据处理方法是采用烟圈快速成像技术。该方法是一种半定性和定量的粗糙处理方法，具有精度低，对异常目标深度不敏感的缺点。烟圈快速成像理论的计算公式如下。某时刻烟圈的垂直深度dr和垂直传播速度v 为[13]：

其中ρ 为均匀半空间的电阻率，单位为Ω·m；t 为采样延时，单位为ms；μ0为真空中的磁导率。

通过计算化简，可以得到视电阻率ρr和视深度Hr计算公式，如下：

其中，titj为相邻时间道的采样时间，并且tj＞ti，ρi和ρj为相邻时间道的全区视电阻率，tij是ti和tj的算术平方根。

本文采用非线性粒子群优化算法进行反演计算。粒子群优化算法核心思想是：将鸟或鱼简化为粒子，粒子的位置代表最优化问题中的可能解，食物的位置代表最优解，所有粒子在一定的规则下，向着最优解位置运动[14]。

在寻优开始时，粒子群算法首先在搜索区域范围内随机初始化m 个粒子，作为迭代初始值。然后粒子根据公式（5）实时更新自己的速度及位置：

式（6）中，j 为搜索空间的维度，c1和c2为学习因子，r1和r2为（0，1）之间均匀分布的两个随机数。Xu（2020）在文章中详细的探讨了粒子群优化算法的参数选择和反演拟合精度，得出该算法是一种高效、准确的全局优化算法[15]。

通过汉克尔变换和余弦变化求解瞬变电磁时间域响应，构造如下目标函数为：

其中d（v，t）表示野外实测数据，X（v，t）表示正演数据，模型输入为电阻率和层厚参数。

本文采用拖曳式高分辨瞬变电磁系统进行野外采集工作（图2）。该系统由瞬变电磁主机、收发一体线圈、数据处理与成像软件组成，采用了自主知识产权的“恒压钳位”高速线性关断和无损消互感技术，结合高密度高动态信号采集，具有极强的浅层和高分辨探测能力，拖曳式观测模式极大提高了工作效率，整套系统轻便小巧、实用高效，便于野外作业[10]。

2 调查区概况和资料处理

重庆市大足天青石矿业有限公司，为多年开采的集体小矿山整合的新建矿井，生产规模40 万t/年。本次物探工作南翼测区在215 勘探线附近，矿井南翼边界与何家湾锶矿边界之间区域的无名矿井。矿井口高程438.6m，该矿井为90 年代私人办锶矿，开采矿体I，开采标高约+430 至+390m，开采方式地下开采，开拓方式斜井开拓方式，采矿方法为房柱采矿法，由于区内资源枯竭于约2006 年闭坑。总体走向31～38°，倾向南东，倾角较平缓12～18°，开采三叠系下统嘉陵江组二段二加三亚段（T1j2-2+3）的I 号矿体，含矿段顶板岩性为白云岩、盐溶角砾岩、灰岩和泥岩。矿区地下水类型为松散岩类孔隙水、碳酸岩类岩溶水、砂岩裂隙水，矿井开采矿层位于嘉陵江组二段，该段岩溶裂隙、溶洞和溶蚀现象发育，为矿井主要充水含水层，地面降水经溶裂隙、溶洞进入矿井；现井筒封闭，预测所掘井巷和采空区均有可能积水。

本次瞬变电磁法共完成5 条剖面，测线总长度4500m。资料整理时通过数据解编、坏点剔除、中值平滑滤波及数据网格化等一系列步骤，形成反演断面图数据，进一步绘制瞬变电磁法反演断面图（图3）。从图3 中可以看出，在L1、L2、L3 测线测试范围内，水平距离100-300m 之间，高程在347-408m 之间，每个剖面都存在封闭低阻异常，推测为采空区域，异常区域视电阻率值极低区域范围不大，推测采空区富水量不大。在L4、L5 测线未发现明显封闭低阻异常（图4 和图5），推测该区域未发现采空区。

图4 WT4 瞬变电磁反演成果图

综合5 条测线，推测了采空区走向大致为北东方向，往在建矿区外围延伸，分布高程范围为347-408m，大约70×120m 范围。

3 结论

本文将高分辨瞬变电磁系统应用到煤矿采空区探测调查中，对瞬变电磁法采集的数据进行一维反演处理。将得到的反演结果和已知地质资料进行比较分析，验证了瞬变电磁法探测结果。通过本次工程探测结果表明，高分辨瞬变电磁系统在煤矿采空区调查中具有效率高、分辨率强、抗干扰能力强等优点，能够准确而直观地反映出地下采空区分布范围和空间展布情况。本文的研究工作为地下煤矿采空区和病害体等调查提供了更高效的方法和技术。