大定源回线电磁物探技术在采空区的应用

2024-01-29秦江平

西部探矿工程 2024年1期

秦江平

（山西泽泰安全技术咨询有限公司，山西太原 030024）

查清采空区的地质情况对于保障矿井安全生产有着重要的意义。瞬变电磁物探对煤矿井下采空区的探查有着成熟的应用实例[1-2]。其中最常见的大定源回线瞬变电磁物探技术因其具有藕合度高、异常波动明显、发射回线铺设方便、物探准确率高的优点，普遍作为工程勘探、地质探测等勘探任务的首选[3-4]。然而大定源回线的信号传递具有复杂性，技术人员对所采集的数据处理方式和解释并不相同，普遍仅对“晚期”电阻率进行解释，很大程度上限值了电磁物探的准确性。宝欣煤矿位于沟谷较多的太岳山系霍山东部，地形起伏较大，条件复杂[5]。由于目前矿井采掘现状发生了较大改变，为保证矿井安全，将重点查明矿区内2#、3#煤层存在的采空区及积水情况，并分析其含水层的水域特点。

1 大定源回线瞬变电磁法工作原理及装置

1.1 大定源回线变电磁法探测原理

大定源回线是地面瞬变电磁物探的一种常见采空区物探技术，通过对回线电圈频率域内的电磁响应进行计算，并将函数结果与采集数据的垂直分量进行拟合，从而确定准确的电磁感应。宝欣矿地面具有面积大、勘探深的特点，因此选用大定源回线形式进行施测。

1.2 大定源回线施工工艺

针对宝欣煤矿本次的探测任务和地电的连接条件，选择大定源回线装置。如图1所示，在布线时，将发射回线铺设成定长的方形线框，该范围组成探测的发射范围；再将发射范围进行九宫格等分，接收探头放置于方形框的中心位置。中心处的接收装置包括接收探头及接收机，本次勘探接收范围为线框中心九分之一面积。

图1 数据采集接收范围示意图

1.3 施工设备

如图2所示，V-8多功能电法仪是由加拿大凤凰公司研发生产，所配备的V-8专配的线圈，接收面积相当于10000m2。本次进行探测的新款V-8 在轻便坚固前提下，配备了触摸式防水ASCII 键盘和高清屏幕，并支持采集系统和GPS 同步（误差不超过0.2μs），方便操作员进行数据的收集与处理。设备具有3 个磁道和7 个电道，为探测设备的下一步连接提供了充足的端口。

图2 V-8多功能电法仪

2 采集数据的处理

在保证探测数据收集完善、信息准确的基础上，需要结合勘探区的地形地质特点，建立针对性的数据处理流程和信息解释原则。

2.1 数据处理方法

由于物探范围较广，为保证数据的客观性将采用人机对话的方式对所收集的数据进行筛选。实测过程中要保证重点测道的稳定性，对重点测道所收集的数据需在去掉极值后再进行圆滑处理。与矿井已知物探结果进行对比分析可知，高斯低通滤波与移动平均相结合的处理方式具有良好的抗干扰性和信号强化作用。因此当所收集的数据信号较弱时，需使用高斯低通滤波、距离加权滤波对信号过滤后再进行加强。

2.2 信息解释原则

在数据处理完成后，需要对数据所传达的信息根据以下原则进行解读：由已知推断未知、由点线计算面积、从简单到复杂、从局部到全局。整理完成数据后，对勘探区内可能存在的异常区进行复查校验，并根据地质资料分析异常区域的合理性和规律性。最后绘制成视电阻率断面图和平面图，再结合矿井地质资料成果确定采空区、断层、陷落柱、富水区的数量、范围和分布规律。

2.3 电阻率示意图解读原则

根据视电阻率高低可以确定采空区的位置、深度、范围及积水量，未充水的采空区在瞬变电磁剖面上显示出相对较高视电阻率；而充水采空区则表现为相对较低视电阻率。在TEM 拟断面图上，电阻率值的变化随与地层受采空区影响的大小有关，当受地质构造影响较小时，视电阻率值变化趋势较为稳定，通常等值线呈层状分布；反之当地层受采空区影响较大时视电阻率则出现较强的波动。根据山西煤田地质的普遍规律，宝欣矿区采空区电性上应为低阻表现。

3 测区视电阻率断面图的分析

本次重点观测的测区分为北翼二区和北翼一区两部分，在测区视电阻率断面图中，Y坐标轴表示高程，X坐标轴表示测点，断面图黑色实线为地表的K8砂岩及2#、3#煤层底板等高线。

3.1 北翼一区探测概况

图3（a）是位于北翼一区中部的TEM60线视电阻率断面图。从纵向上看，从浅到深其拟视电阻率整体基本呈现由低—中—较高—高的电性特征。从横向上看，780～980m、1600～2280m 位置K8砂岩及2#、3#煤层附近拟视电阻率呈现明显的下凹趋势，并出现扭曲、变形，且阻值较周围明显较低，由已有地质资料及矿方井下调查和探水成果推断，780～980m异常区域是K8砂岩富含水所致、1600～2280m异常区域是煤层采空所致。

图3 北翼一区视电阻率断面图

图3 （b）是位于北翼一区中部的TEM84 线视电阻率断面图。从纵向上看，从浅到深其拟视电阻率整体基本呈现由低—中—较高—高的电性特征。从横向上看，K8砂岩及2#、3#煤层附近拟视电阻率分布较均匀，等值线均呈层状均匀体反映，拟视电阻率没有明显的下凹趋势，未发现明显的异常区。

3.2 北翼二区探测概况

图4（a）所示为位于北翼二区南部的TEM5 线视电阻率断面图。从纵向上看，从浅到深其拟视电阻率整体基本呈现由低—中—较高高的电性特征。从横向上看，540～680m 位置K8砂岩及2#、3#煤层附近拟视电阻率呈现明显的下凹趋势，并出现扭曲、变形，且阻值较周围明显较低，由已有地质资料及矿方井下调查和探水成果推断是煤层采空所致。

图4 北翼二区视电阻率断面图

图4（b）为位于北翼二区中部的TEM13 线视电阻率断面图。从纵向上看，从浅到深其拟视电阻率整体基本呈现由低—中—较高—高的电性特征。从横向上看，100～550m、700～980m 位置K8砂岩及2#、3#煤层附近拟视电阻率呈现明显的下凹趋势，并出现扭曲、变形，且阻值较周围明显较低，由已有地质资料及矿方井下调查和探水成果推断是煤层采空所致。

3.3 结果分析

本次资料处理与分析，对比已知地质资料，综合利用线试验电性参数结合数理统计法确定异常划分依据。图5 是本次勘探区K8砂岩及2#、3#煤层顺层视电阻率等值线平面图。在测区中共发现7处明显低阻异常区域。根据已有地质资料及矿方井下调查和探水成果，YC1、YC3、YC6、YC7 范围内及周边均存在采空区，推断为采空区引起的低阻异常；YC2、YC4、YC5未进行采动，推断为K8砂岩含水层富（含）水引起的低阻异常。