瞬变电磁法在煤矿采空区探测中应用
摘 要 介绍了瞬变电磁法的基本原理、技术和方法。基于富水老空区与围岩在视电阻率值上的明显物性差异，利用瞬变电磁法在同一深度视电阻率切片图以及同一测线视电阻率等值线图中的低阻异常来圈定采空区，为钻孔位置确定提供依据，以确保煤矿安全高效的开采。
关键词 瞬变电磁法；视电阻率图；采空区
中图分类号 P631.325文献标识码 A文章编号 1673-9671-(2012)072-0180-03
煤矿开采过后形成大量的采空区，采空区常有积水存在，给各矿井安全生产带来极大的安全隐患，因此，及时查清煤矿采区范围内的采空积水情况，进行探放水工作，排除安全隐患，保证煤矿安全生产是十分必要和紧迫的。瞬变电磁方法在资源勘探、构造探测、环境调查与监测和水文与工程地质调查等领域被广泛的应用，尤其是在地下水探测方面有良好的效果，在煤炭开采过程中用于探测煤层顶底板含水层富水区的分布情况，构造的导、含水情况，老窑采空区富水性及导水通道等。本文结合某矿区采空区内水文探测实例，分析总结了瞬变电磁法探测采空富水区的实用性和有效性。
1 瞬变电磁法基本原理
瞬变电磁法（Transient Electromagnetic Method，简称TEM）属于电磁感应类探测方法，它遵循电磁感应原理，其机理就是导电介质在阶跃变化的电磁场激发下而产生的涡流场效应，即利用一个不接地的回线或磁偶极子（也可以用接地线源电偶极子）向地下发射脉冲电磁波作为激发场源（习惯上称为“一次场”），根据法拉第电磁感应定律，脉冲电磁波结束以后，大地或探测目标体在激发场（即“一次场”）的作用下，其内部会产生感生的涡流，这种涡流有空间特性和时间特性。其大小与诸多因素有关，如目标体的空间特征和电性特征、激发场的特征等，而且因为热损耗的缘故会逐渐减弱直至消失。人们虽然不能直接测量这种涡流的大小，但是可以利用专门仪器观测这种涡流产生的电磁场（称为“二次场”）的强弱、空间分布特性和时间特性。
针对一次脉冲信号所激发的二次场信号表示为：
（1）
式中：μ0—磁导率；M—发送线圈磁矩；q—接收线圈等效面积；ρ—地层电阻率；t—时间。
2 瞬变电磁法处理与解释
2.1 数据处理
瞬变电磁法观测数据是各测点各个时窗（测道）的瞬变感应电压，需换算成视电阻率、视深度等参数，以便对资料进行解释。
视电阻率计算公式为：
（2）
式中t为时窗时间，m为发射磁矩，q为接收线圈的有效面积，V（t）是感应电压。视纵向电导Sτ和视深度hτ的计算表达式为：
（3）
（4）
式中V（t）/I是归一化感应电压，A为发射回线面积，d(V(t)/I)/dt是归一化感应电压对时间的导数。
上述视电阻率、视深度是处理应得到的基本参数，根据资料的实际情况应进行滤波、一维反演等处理，直至获得合适的解释数据。
2.2 成果解释
1）垂直断面与水平切面解释相结合。视电阻率—深度拟断面图是基础，从横、纵两个方向同时直观地反映地层的电性变化特征，可以提供层位划分、层位追踪、深度确定、异常圈定等方面的诸多信息，如果把已知钻孔、断层、煤层和其它特征层的地质信息附加其上，即可构成综合拟断面图。视电阻率异常平面图反映某高程（层位）岩层的电性分布和变化特征，常用来分析和确定地质异常体的平面分布位置、规模范围、走向延伸等情况，形象地称之为水平切片，根据需要原则上可以提供任意高程的水平/顺层切片，视电阻率平面等值线异常图是资料分析和成果表现的主要图件。
2）电性解释与综合地质分析相结合。由于受目前技术手段和技术水平的限制，所获得的各种原始信息及经过处理的探测成果数据资料等，均存在一定的局限性或片面性，特别是电磁法勘探成果还存在一定的多解性。但从地质规律而言，这些资料信息均存在着一定的内在联系。在电磁法资料解释的基础上，对煤矿勘探和生产中所获取的钻探、巷探及采掘揭露的各种地质资料信息，采用多种方法（如数理统计、地质统计、数学模拟等）进行综合、集成分析和处理，结合电磁法解释成果，运用地质理论进行综合地质分析，去粗取精，去伪存真，从中提取有用的地质信息，并通过建立特定的数学地质模型，总结和研究勘探区范围内的构造发育和煤层厚度变化等地质规律，反过来对瞬变电磁勘探成果进行分析对比，进一步细化资料解释，得出符合地质规律的电磁勘探结果，以提高成果的精度和可靠性。
3 应用实例
3.1 仪器选择及参数设置
本次勘探采用的仪器是加拿大GEONICS公司生产的PROTEM67瞬变电磁系统。该系统包含了PROTEM瞬变电磁仪接收机和PROTEM57/67发射机。
PROTEM瞬变电磁仪具有很多独特的优点。例如：PROTEM的关断时间最小可短至2.5μs甚至更短，这样便能获得早期信息，提高浅层分辨能力；PROTEM中应用了很多技术，以提高其信噪比，并且其动态范围达到132dB；为了提高勘探深度使用加大发射线匝尺寸和降低可分辨信号电平（它取决于仪器的精度）的方法等等。PROTEM瞬变电磁仪的技术指标和稳定性是最高的。它可实现三分量观测，有30个观测门，接收线圈带有极低噪声的前置放大器，具有多种提高信噪比功能。有三种不同类型的发射装置，即TEM47、TEM57-MK2和TEM67，其相应的勘探深度可达150 m，500 m和1500 m以上。
3.2 测区内基本地质概况
区域范围内，含水（层）岩组自上而下有：第四系松散岩类含水岩层、第三系泥灰岩、砾岩岩溶孔隙～裂隙含水岩组、侏罗系上统砾岩孔隙～裂隙含水岩组、侏罗系中统马凹组砾岩类含水岩组、侏罗系下统义马组底砾岩类含水层。本矿及邻近矿井生产实践表明，上述各含水岩（层）组中，对开采2-3煤层有直接充水作用的，主要为侏罗系中统马凹组砾岩类含水层、侏罗系下统义马组底砾岩类含水层。
3.3 采空区地球物理特征
不同的岩层具有不同的电阻率，电法勘探就是通过测定地下不同地点不同深度的电阻率值间差异来达到寻找目标地质体的目的，在理论上，干燥的岩石、煤层和空气的电阻率相对极大，但实际上岩石中的孔隙、裂隙总是含有若干水分，随着岩石的湿度或者含水饱和度的增加，其电阻率将会急剧下降。煤层围岩在岩层完整时其含水性较低，电阻率值较高，如果它们受到各种地质作用的影响，产生破碎裂隙或溶蚀，这将导致其含水性显著增加，岩石的导电性就会显著增强，其电阻率值将会明显降低。一般来说，含水断层和含水岩层的电阻率远小于周围不明显含水围岩的电阻率，这是通过电法勘探评价断层和含水层富水性的物理依据。换言之，寻找煤层顶底板富水区和断层含水性的问题就转换为寻找含煤岩层中低阻异常分布的问题。
3.4 探测结果分析
据各测点视电阻率值反演结果，对于区内各测线均制作了瞬变电磁视电阻率断面图，可以对区内各测线视电阻率反演结果进行对比解释。下述剖面图纵坐标表示标高，横坐标表示测点桩号，图中蓝色表示低阻，红色表示高阻。
图1（a）视电阻率断面图，视电阻率值剃度变化基本是连续和平滑的。煤系地层视电阻率等值线变化梯度方向是：从大桩号向小桩号逐渐降低，这种视电阻率变化形态符合测区地质资料显示的地层情况。图1（b）1800线视电阻率断面图，与煤系地层视电阻率值剃度变化方向基本都是一致的：从大桩号向小桩号逐渐降低，反映出地层倾向是由北向南倾斜的。这种视电阻率变化形态和推出地层倾向符合测区地质资料显示的地层情况。图1（c）1760线视电阻率断面图中可以看到黑色线条标志的2-3煤层位置，视电阻率等值线基本上是连续的，无较大的畸变形态出现。只是剖面的小桩号5120点附近电阻率值有明显锯齿状畸变，推测该区域有地层遭到破坏的可能。图1（d）1400线视电阻率断面图，该剖面图中，视电阻率等值基本是连续的、光滑的，推出在该剖面图所在的区域无明显的低阻异常区发育。剖面中有几处较高阻的区域，如5200点附近区域视电阻率值与围岩比稍高，解释该区域有煤层采空区存在，因其不富水，而又是一个较为独立的空间，这种采空区一般是较高阻的，在视电阻率形态上类似于剖面图中的表现形式。
根据任务需要，依据矿方提供的综合柱状图，煤层上覆泥岩层厚约70 m，切取煤层上方80 m顺层切片应该能反应煤层顶板砂砾岩层富水性特征。故提取了测区内2-3煤层上80 m视电阻率顺层切片图，在顺层切片图上可以较为清晰的分辨低阻异常分布位置
情况。
在2-3煤层上80m视电阻率顺层切片图4中，圈定6处低阻异常区，其中左下方低阻异常较为明显，推测富水可能性较大。根据视电阻率顶板上80 m顺层切片图低阻异常发育情况，制作了2-3煤层顶板富水性分布示意图，见图3所示。
根据地质任务要求，提取了测区内2-3煤层顺层视电阻率顺层切片图，在顺层切片图中，可以较为清晰的分辨低阻异常分布位置情况。
图4显示该区域存在煤层采空区且具有一定的富水性，所以2-3煤层视电阻率顺层切片图在这个区域有低阻异常反应。同时由于煤层的开采，造成煤层顶板砂岩裂隙较为发育，形成顶板低阻异常区。据2-3煤层视电阻率顺层切片图低阻异常发育情况，制作了2-3煤层采空区低阻异常分布示意图（如图5所示）。该层位的低阻异常区很可能是煤层采空富水区。
4 结论
应用结果表明，瞬变电磁法可以用于煤矿采空区探测，能准确确定异常的位置，同时工作效率高，施工简单。且划定的异常范围已大部分被矿方钻探资料所验证，从而也证明了该方法的实用性和可行性。相信随着该技术的不断完善，在煤矿开采中的水害防治和地质保障方面，会取得更好的效益。
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