瞬变电磁法在长治矿区含水采空区的探测应用

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[摘要]文章通过长治矿区含水采空区特点，在大定回线源装置和重叠回线装置对比试验的基础上提出使用小线圈重叠回线装置瞬变电磁勘探方法进行含水采空区的探测。结合勘探实例就小线圈重叠回线装置瞬变电磁法的数据处理和解释方法进行了探讨。

[关键词]含水采空区 小线圈重叠回线 瞬变电磁法

[中图分类号]P412 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-7-243-2

1 引言

长治矿区属华北地层区山西地层分区长治小区，地层出露由东向西，由老到新为：上元古界震旦系，古生界寒武系、奥陶系、石炭系、二迭系，中生界三迭系，新生界第三系、第四系。含煤地层为二迭系山西组和石炭系太原组。山西组由灰色、灰白色砂岩，灰黑色泥质岩及煤层组成，下部的3号煤层（俗称香煤）厚度大而分布广，整个矿区稳定可采。太原组为一套砂岩、泥岩、石灰岩及煤层组成的含煤沉积岩系，煤层及其顶板石灰岩（北部层数多，南部层数少）频频出现而显出其典型特征，下部的15-3#煤层为全区稳定可采，6、9、14、15-2#煤层仅局部可采。3#煤层深度介于0-700m，3#煤层在矿区东部埋深浅，多有老窑采空区存在，在煤层深度大的局部地段采空区形成积水，与含水断层裂隙和陷落柱形成同层3#煤层和下部煤层开采的水害。

为了矿井生产安全，原有矿井恢复生产和现有矿井采掘前都要进行水害预测，东部矿井主要对采空区的含水性探测，西部矿井主要对断层、岩层裂隙和陷落柱的含水发生进行探测。采空区含水性探测一般具有埋藏浅、地表条件复杂的特点，一般采用瞬变电磁勘探方法，也是这篇文章的讨论重点。

2 瞬变电磁方法试验

瞬变电磁勘探发送一次场有电性源和磁性源两种，由于勘探区地形起伏大、地表电性条件变化大、接地电阻高，选择使用线圈发送一次场的磁性源装置。为了寻求最佳的勘探装置，就大定回线源和重叠回线装置进行了对比试验。大定回线源使用长600m、宽300m的长方形线圈发送，电流11A；接收使用等效面积为2000m2的探头，接收范围为发射线圈中央的长200m、宽100m区域。重叠回线使用10匝边长2m正方形线圈发射、20匝边长1m正方形线圈接收，电流4.5A。图1是两种方法同一测线段的视电阻率拟断面图，两种方法从浅到深视电阻率由小到大的变化特征一致，150m以深视电阻率等值线基本反映了地层（15#煤）的产状，浅部对地层的倾向反映不明显。但这两种方法也有本质的区别：

⑴受大定回线源体积效应的影响，电阻率等值线变化平缓，不利于小采空区含水引起异常的识别。多匝小线圈的重叠回线电阻率等值线变化剧烈，易受地表附近浅部不均匀电性体的干扰。

⑵两种装置发射、接收场源的空间位置关系不一样，产生的异常形态也不完全一样。以1780号点15煤附近电阻率等值线为例，大定回线源为局部的高阻，而1740处为局部低阻。重叠回线在1780处为局部低阻，1760处为局部高阻。这样两种不同装置采空区含水异常的解释原则就不一样。

⑶大定回线源的关断时间约为80微秒，10匝2米边长正方形线圈的关断时间约25微秒，利于浅部含水采空区的解释。

考虑到长治煤矿区人文活动频繁，地面建筑物多，各种电磁干扰复杂，适合选择多匝小线圈重叠回线装置的瞬变电磁进行含水采空区的探测。

3 数据处理与解释

瞬变电磁法观测数据是各测点各个时窗用发射电流归一化的二次场感应电压，最终的解释要将它转换到视电阻率—深度来解释采空区的含水性。因此实行目标数据处理更适合采空区含水性探测，主要内容如下。

⑴二次场感应电压由于信号小，易受各种人文电磁干扰，小线圈重叠回线受浅地表电性不均匀地质体影响大，采用直接的畸变数据剔除和非线性滤波两种方法相结合的方式对二次场电压进行处理。图2是畸变数据剔除和滤波前后感应电压多测道曲线，滤波处理后（b）曲线平缓规整，异常的显示突出，利于后续的处理解释。

⑵视电阻率的反演处理。磁源瞬变电磁的反演方法较多，常用的感应电压直接转换法、烟圈效应等效法、浮动薄板等效法、视总纵向电导法、拟博斯谛克反演法和层状介质正反演法等，通过处理试验，认为拟博斯谛克反演法适合长治矿区的采空区含水性探测。图3是位于长治的晋煤集团某矿应用拟博斯谛克反演法得到的视电阻率测深曲线与测井曲线对比，受过渡过程、关断效应等的影响，浅部视电阻率小于测井曲线统计得到的电阻率，深部视电阻率与测井曲线统计得到的电阻率相当，在山西组底部（3#附近）和本溪组地层附近形成2个视电阻率低的电性标志层，说明选择的反演方法合理。

⑶煤层在一个勘探区层状特征明显，采空区位于这样的层状介质中，拾取各测点煤层处的视电阻率，形成顺层视电阻率数据。在平面上就视电阻率进行滤波、统计分析、局部异常数据提取等综合分析处理，形成顺层视电阻率富水性分析图，数值低的地段是可能的含水异常发育地段。

瞬变电磁对含水采空区的解释主要依据测线多测道曲线、测线视电阻率拟断面图和顺煤层视电阻率富水性分析图。含水采空区具有低电阻率外还具有高极化率这个特点，导致重叠回线装置激发极化效应大于瞬变电磁二次场本身的响应，形成含水采空区上二次场感应电压低的异常，这与一般只具有低电阻率特点的矿体异常响应是相反的。也就是说含水采空区的多测道曲线解释原则是二次感应电压中间低两侧高的“U”形或“V”形特征，视电阻率拟断面图的解释原则是高阻异常或高阻至低阻变化的急剧变化带。

4 探测成果

应用瞬变电磁法重叠回线装置在长治矿区的潞安集团的3个煤矿、晋煤集团的2个煤矿和地方3个煤矿进行了采空区含水性探测，基于安全考虑，稍有异常显示的地方都进行含水采空区解释，异常验证率约75%，没有由于没有解释含水异常引起的突水事故。图4是晋煤集团在长治整合的某煤矿3#煤采空区含水异常图，区内高压线和村庄特别多，没办法开展大定回线源装置的瞬变电磁勘探，使用多匝小线圈的重叠回线装置取得了令人满意的勘探成果，南部解释的4个面积大、富水性相对较强的含水异常已经得到的探放水验证。

5 结论

通过长治矿区煤层采空区分布特点和地面条件的分析，就提出使用的瞬变电磁方法进行了装置试验，选择小线圈重叠回线装置瞬变电磁法进行含水采空区的探测。结合小线圈重叠回线装置瞬变电磁在含水采空区上二次场感应电压响应的特点，探讨了该装置的含水采空区瞬变电磁数据处理、解释方法。8个煤矿的探测实例表明上述方法得到的成果可靠，有效地预测了含水采空区的分布。

参考文献

[1]牛之琏编著.时间域电磁法原理[M].中南大学出版社，2007年12月第1版.

[2]霍全明，王玉海，罗国平，冷广升著. 瞬变电磁法在煤矿水害预测防治中的应用[M].西北工业大学出版社，1994年3月.

[3] 罗国平，张春燕，李旭.采空区含水性探测的综合电法勘探应用研究[J].中国煤炭地质，2013，Vol25，No.1.