瞬变电磁探测在煤矿采空区积水边界探测中的应用

瞬变电磁探测在煤矿采空区积水边界探测中的应用

董远浪

中煤科工集团重庆研究院有限公司重庆400039

摘要：社会经济的快速发展，对煤矿采空区积水边界探测带来了新的机遇与挑战，有必要对瞬变电磁探测技术展开深入研究与探讨，并采取最优化的实施措施，达到事半功倍的探测效果。本文首先介绍了技术方法选择以及使用仪器及工程布置问题，并研究了资料解释及钻探验证，望该课题的研究，对后续相关工作的实践能够起到借鉴与参考作用。

关键词：瞬变电磁探测；煤矿采空区；积水边界；探测

1前言

在煤矿采空区积水边界探测工作中，瞬变电磁探测的应用是一项综合性较强的系统性工作，如何取得最为理想的效果，保证顺利进行，备受业内人士关注。本文从实际出发，结合相关先进理念，对该课题进行了深入研究，阐述了个人的几点认识。

2概述

覆盖层、基岩裂隙和岩溶发育与完整基岩之间有着较大的物性差异（如介电常数、电阻率等），覆盖层及基岩裂隙和岩溶发育带的电阻率较完整基岩电阻率低，从而形成了不同的电性界面。当井下的煤被采出后，在岩体中形成一定规模的空间，使周围应力平衡状态被打破，产生局部的应力集中，采空区在地应力的作用下发生形变、断裂、位移、冒落，形成了冒落带、裂隙带、变形带，其影响范围超过了采空区范围，直接影响了其电性分布状态，形成的高阻体与围岩电性形成明显的差异。在地下水积聚及地表水沿裂隙向采空区渗透，采空区显现的视电阻率将发生明显变化，由高阻异常体转变为低阻异常体。这些地球物理特征为开展地球物理勘探提供了前提条件。

3技术方法选择

在煤炭采空区的地球物理勘查中，通常可以采用瞬变电磁法、高密度电阻率法、放射性土壤氡气测试法及地质雷达法等勘查手段。瞬变电磁法（TransientElectromagneticMethod，TEM），观测纯二次场，具有对低阻含水体灵敏度高、受体积效应影响小、纵横向分辨率高等优点，与直流电法相比，他能够穿透高阻屏蔽层，对高阻屏蔽层下伏地层或构造有较好的分辨能力，易受到外界的干扰，但在外界干扰小，地势开阔的地方优势较大，如探测深度大、易于发现构造和地下水等；高密度电法跟地质雷达法由于受到探测深度的限制，在多层采空区并存的情况下，分辨率极低；放射性土壤氡气测试法基本不受电磁场及居民区的干扰，这可以弥补电法勘探的不足，但氡气测量只能确定平面异常范围，无法确定异常深度。因此，本次工作才用瞬变电磁法。

根据本工作区的地质情况特点和地层电性分布特征，采空区充填空气的情况下，二次场信号衰减数据变化较快，所观测的二次感应电压信号弱；采空区充填水的情况下，二次场信号衰减相对较慢，所观测的二次感应电压信号强。其电性分布情况为在没有采空区的情况下，视电阻率呈均匀分布或是均匀变化；在有采空区，但不充水的情况下，视电阻率呈现为高阻异常；在采空区充水的情况下，视电阻率呈现为低阻异常。

4使用仪器及工程布置

本勘查区施工的瞬变电磁探测仪器为澳大利亚EMIT公司生产的SM24瞬变电磁仪测量系统。SM24仪器接收部分使用16通道的接收机，24位AD转换；探头有效接收面积为10000平方米的TEM-3垂向Z分量接收探头；发射部分使用ZT-30发射机，可以用电池或者发电机供电，输出电流可达30A。

根据踏勘情况及时对现场地形地貌进行综合分析，在矿区已知采空区内对瞬变电磁仪器进行稳定性、噪音测试分析，通过选择多种不同的参数（叠加次數、发射频率、关断延时、发射电流、采集频率、装置类型等）组合进行对比试验，最终选择采用效果最佳、施工效率高的施工装置。本次施工布置基本覆盖隧道及隧道左右50米的范围，对隧道穿过的采空区达到全覆盖。

5资料解释

当勘探区井下的煤被采出后，在岩体中形成一定规模的空间，使周围应力平衡状态被打破，产生局部的应力集中，采空区在地应力的作用下发生形变、断裂、位移、冒落，形成了冒落带、裂隙带、变形带，其影响范围超过了采空区范围，直接影响了其电性分布状态，形成的高阻体与围岩电性形成明显的差异。在地下水积聚及地表水沿裂隙向采空区渗透，采空区显现的视电阻率将发生明显变化，由高阻异常体转变为低阻异常体。

从本次瞬变电磁探测成果看，在3线、5线23号点—26号点（水平范围）、标高为1970米—2010米（垂直范围）区域的视电阻率呈高阻的异常，结合地质资料在该范围内有煤矿采煤巷道，并且从视电阻率断面图可以看出在其他范围内并无明显异常，总体的视电阻率呈中高阻的均匀变化，故推断解释该异常范围为煤矿的采空区。

由于该异常为高阻异常，推断解释该采空区为无水采空区。根据不同高程的平面图推断解释受采空区影响的区域（平面范围：1线23号点—26号点、3线23号点—27号点、5线23号点—26号点、7线23号点—25号点；垂直范围：标高1970米—2010米）。

6钻探验证

物探成果解释都存在多解性问题，为了能更好的确定采空区的分布情况，布置的3个钻孔对瞬变电磁勘探成果圈定的异常区域进行了钻探的验证，除了一个钻孔采空区不明显外，其余两个都充分验证了本次物探成果的准确性。

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。

在采空区的探测中不但要考虑测区的物性条件，还要考虑物探方法的适用性，必须针对测区特点选择合适的工作方法。在条件允许的情况下应该采用多种物探方法进行综合探测，互为补充，互相验证，才能提高采空区的探测精度[2]。

7结束语

总之，在当前各种条件下，瞬变电磁探测在煤矿采空区积水边界探测中的应用实践中依旧存在着多方面的问题，我们应该从这些问题的实际情况出发，深刻分析其产生的多方面原因，统筹并进，多措并举，克服该项工作中的诸多难点问题，进而获得最为优化可行的探测实施策略与效果。

参考文献

[1]吴德胜，吴丰收，等.隧道煤层采空区的探测技术[J].物探与化探.2016（21）：88-89.

[2]李坚等.小煤窑采空区物探技术在铁路工程地质勘察中的应用[J].物探与化探，2012.

[3]李志华.铁路煤矿采空区的综合物探研究.[J].物探与化探，2012.

基金项目号：2016zx05045006-007