瞬变电磁法在采空区探测中的应用

亓 吉 华

(山西省地质勘查局二一三地质队,山西 临汾 041000)

0 引言

瞬变电磁法是一种全新的地球物理勘探方法，该方法以岩石导电性差异(电阻率大小)为应用前提，属时间域电磁感应。煤系地层最明显的特点是在竖直方向上层状分布而在水平方向上相对均一。当存在岩溶洞穴、煤矿采空区、断层或裂隙带等局部异常体时，如果异常体充水，在瞬变场和直流电探测资料上呈现低视电阻率异常反应；如果局部异常体不充水，则表现为高视电阻率异常反应。根据以往经验，电阻率大小依次为煤层>砂岩>泥岩。煤层及其充气的采空区或巷道与其周围介质相比是绝对的高阻物性反应，因此，探查煤矿采空区可用查找高阻异常区来间接实现。而在煤矿采空区充水的条件下则表现为明显的低阻异常反应。

1 基本原理

向布设于地面的回线发送一个电流脉冲方波，将产生一个向地下传播的一次磁场，在该磁场的激励下，地质体内部可形成涡流，其大小取决于地质体的导电性能。该磁场消失后，涡流不会立即消失，而是进入一个衰减的过程，在此过程中又产生一个向地表传播的，不断衰减的二次磁场，并通过地面的回线装置接收。按不同的延迟时间测量二次感应的电动势，便可得到二次磁场随时间衰减的特性曲线，该曲线反应地质体导电性的分布状况。如若不存在良导体，涡流将快速衰减；若存在良导体，则在电源切断的瞬间，涡流可维持较长的时间，因此其衰变速率较为缓慢，如图1所示。在此过程当中，电磁能量在介质中不断消耗，其频率较高的电磁波仅集中于地表附近，而较低频部分则向深处传播，且分布范围逐渐扩大。

瞬变电磁仪器选用Terra TEM(见图2)，该仪器由澳大利亚联邦科学工业研究院研发，具有便携式接收机和发射机为一体的特点，以及良好的用户使用界面。探头选用国产TEM-7K型(见图3)。

2 工程实例

在山西省中阳县金罗镇张子山村东南部有一个范围较大的积水区，系华润联盛集团苏村煤矿采空造成地表沉降形成的。为了控制村庄东部的采空区边界，共布置测线3条，每条测线长450 m。从图4～图6可知，三条测线表现出基本一致的电性变化：在小号点(0 m～100 m)地层电阻率由浅至深大致呈递减的趋势，而测线剩余部分的电阻率在浅部为低阻，中间深度处为高阻，深部又变为低阻。根据前文所述，当煤层未被开采时，含煤的石炭系地层呈高阻反应，而煤被采后形成的富水采空区呈低阻反应。因此，可以推断1线～3线的小号区域可能存在富水采空区，并且注意100 m～150 m范围内半高阻区域，此范围可能为采空区与稳定地层的过渡区域，或者该区域煤层已被开采，但并未出现大面积塌陷形成富水采空区。

3 结语

根据对瞬变电磁及直流电测深探测成果的分析，基本可以认为，当地下煤层被采空后，造成的地层岩石力学破坏，致使地下出现塌陷并波及至地表。稳定的石炭系地层遭破坏后，岩石间裂隙增大，形成良好的富水及导水区域，造成电法勘探的低阻反应，与稳定含煤地层的高阻反应形成强烈的对比。因此，在进行采空区解释时，以可采煤层的电性高低为判断标准，即高阻反应时解释为未采的稳定地层，低阻反应时解释为采空区。