瞬变电磁法在双鑫煤矿采空区的应用

冯春孝，娄佰信

（河南省地球物理空间信息研究院，河南郑州 450009）

1 概况

2021 年7 月份以来，郑州地区频繁出现降雨等极端天气，双鑫煤矿井下涌水量及水文地质条件已发生明显变化，为探明勘探范围内二1 煤层老窑采空积水区分布情况，确保复工复产矿井安全，在勘探区内开展物探工作。

常用于低阻体勘探的电磁法主要有广域电磁法测深（WFEM）、大地电磁测深（MT）、音频大地电磁测深（AMT）、可控源音频大地电磁测深（CSAMT）、瞬变电磁测深（TEM）、高密度电阻率法等勘探方法，其中WFEM、MT、AMT 及CSAMT主要用于寻找大深度地质异常体，双鑫煤矿老窑采空区约150 m 以浅，埋深相对较浅，不适合选用上述方法；TEM 和高密度电阻率法对埋深较浅低阻异常体都具有较好的勘探效果，但高密度电阻率法受施工场地条件影响较大，且其勘探深度与布设的电极长度有很大关系，勘探区内有多处村庄，布设不便，因此不适合使用。与TEM 对低阻异常体具有较好的识别作用，其灵敏度、信噪比、纵向分辨率高抗干扰能力较强，纯二次场观测以及对低阻体敏感，几乎不受场地条件的限制，工作效率高，尤其在周围岩体电阻率电性差异较大时成图效果更优良，是探测岩溶、采空区、活动断层、低阻异常体的有效手段。综合对比各种方法优缺点，此次勘探采用TEM 作为此次勘探的技术手段。

2 地质及地球物理特征

区内基岩为第四系黄土覆盖，地层从老到新有奥陶系中统马家沟组（O2m）、石炭系上统本溪组（C2b）、太原组（C2）、二叠系下统山西组（P1s）、下石盒子组（P1x） 及第四系（Q）。

利用电法勘探解决地质问题的前提条件是目标地质体和围岩存在电性差异，理论上讲，干燥的岩石的电阻率为无穷大，但实际上岩石孔隙、裂隙总是含水的，并且随着岩石的湿度或者含水饱和度的增加，电阻率急剧下降。当地下煤层被开采后，在地下岩体中形成一定的空间，在重力作用下，采空区上方的岩层由于失去支撑而产生断裂，造成采区上覆岩体不同剧烈程度的破坏和移动，破坏了天然岩体的结构而出现大量的空隙、裂隙，当采空区的孔隙被水或泥质充填后，其电阻率呈现低阻现象，该区域的岩体电阻率低于周围相对完整岩层的电阻率。区域边缘，由于岩体移动程度低和裂隙数量少，电阻率的差异相对不大，在电阻率等值线图上呈现层状延伸。各沉积地层物性统计见表1，勘探区内地层之间存在明显的电性差异，具备开展物探工作的地球物理条件。

表1 各沉积地层物性统计Table 1 Statistical table of physical properties of each sedimentary strata

3 TEM 勘探原理

瞬变电磁法是一种时间域的人工源地球物理探测方法，基本原理是测量脉冲源所感生的随时间变化的二次场。

这些变化的二次场是脉冲源所感生的涡流场在地下扩散过程中地电介质的电磁散射场，包含了丰富的地电信息，通过对这些信息的提取和解释，达到探测地下电性介质的目的，其工作原理如图1、图2 所示。

图2 瞬变电磁观测原理Fig.2 Transient electromagnetic observation principle diagram

4 测线布设及试验

4.1 测线布设

图3 为勘探区工程布置图，此次瞬变电磁勘探共布设测线30 条，线距40 m，点距20 m，测线方向呈东北西南向。

图3 工程布置Fig.3 Engineering layout

4.2 试 验

为选取适合勘探区的施工参数，在已知钻孔附近开展试验工作，主要试验发射线圈（Tx） 大小、频率、发射电流、积分时间、增益及高压线干扰等施工参数。

4.2.1 噪声调查

对于瞬变电磁法而言，电磁噪声不能被有效压制既影响数据的观测精度，又会降低数据质量，关系到发射磁矩大小和发射频率的选择，噪声水平调查是必须进行的工作之一。其方法是接收机空采，记录环境噪声。

图4 为噪声-延时分布图。从图中可以看出，噪声水平在1 nT/s 上下，晚期道数据若进入噪声水平范围内则弃而不用。

图4 噪声水平Fig.4 Noise level

4.2.2 频率

根据测区勘探深度要求及干扰情况，对5 Hz和25 Hz 两个频率进行对比。视深度的估算公式如下：

式中：H 为勘探深度，m；t 为取样道时间，ms；ρa为取样道时间t 时的视电阻率，Ω·m。

5 Hz 与25 Hz 衰减曲线比较如图5 所示。

图5 频率对比曲线Fig.5 Frequency comparison curve

2 个频率观测值除早、晚期道有差异外，中期道的观测值基本一致。早期道的差异是关断时间不同引起的。25 Hz 晚期道数据均处于噪声水平之上，5 Hz 晚期道数据尾部位于噪声水平内，抗干扰能力弱。

通过视深度公式计算，25 Hz 勘探深度约为350 m，能够达到勘探深度要求。综上所述，此次勘探选择25 Hz 作为本工区的工作频率。

4.2.3 供电电流

电流的大小同样影响着勘探深度，电流太小相同线框发射磁矩小，压制干扰能力弱，致使晚期道过早的进入噪声水平；电流过大，关断时间较长，减少浅部信息。电流大小对比曲线如图6 所示，本区噪声约为1 nT/s，相同线框大小情况下，发射电流为16 A 时，对干扰的压制能力强，为保证数据质量，达到勘探目的层深度，选取不小于16 A 的发射电流以达到抑制噪声的效果。

图6 电流大小对比曲线Fig.6 Comparison curve of current magnitude

4.2.4 增益

在同一位置，增益分别采用20、22、24进行一次数据采集，采集时间为120 s，频率25 Hz，观测对比结果如图7 所示。

图7 增益对比曲线Fig.7 Comparison curve of increment

在试验过程中，调整磁道增益（22～24），观察采集界面中的信号范围（峰- 峰值），通过对比分析，增益为22和24时，所采集的数据曲线基本重合，选择22即可保证早期道数据不溢出、晚期数据数据不进入噪声水平，保证数据采集的稳定性。

4.2.5 积分时间

从理论上讲，多次叠加对消除人为干扰效果好，图8 是不同积分时间下的数据，60、80、120 s 三种积分时间衰减曲线完全重合，数据质量较好。为保证施工效率，选取不低于60 s 作为此次施工的积分时间，在遇到干扰较大时，延长积分时间，增大叠加次数，保障数据采集质量。

图8 积分时间对比曲线Fig.8 Comparison curve of integral time

4.2.6 发射线框

图9 是发射线框分别为400 m×400 m 和340 m×340 m 的感应电压衰减曲线及晚期视电阻率曲线。两种发射线框数据均很稳定，晚期道数据基本重合，兼顾施工效率，选择400 m×400 m，作为本工区施工发射线框。

图9 发射线框大小对比曲线Fig.9 Comparison curve of emission wireframe size

4.2.7 高压线影响范围

图10 为距离高压线路0 ～60 m 的测点曲线。如图所示，高压线正下方早期3 道数据受到干扰；距高压线20 m，早期2 道数据受到干扰；距高压线40 m，早期1 道数据受到干扰；距高压线60 m，数据正常。据相关规范，可判定高压线对数据的影响范围为高压线下左右40 m。

图10 高压线试验Fig.10 High voltage line test

5 成果解析

经数据处理分析，结合地质任务，选定了此次勘探的工作参数，发射线框大小为400 m×400 m，频率为25 Hz，电流不低于16 A，积分时间不低于60 s，增益22。

5.1 反演电阻率断面图解析

图11 为1040 线电阻率断面图，位于工作区最西北部。横轴为测点点号，纵轴为海拔高程，细虚线为地表高程线，实线为二1 煤。从图中可以看出，电阻率等值线整体变化特征为从浅到深其电阻率基本呈现由低阻到高阻的电性变化特征，符合沉积地层电阻率变化特征。图中点号1420～1600、1660～1740（图中虚线圈定区域），二1 煤层附近存在明显的电阻率向下凹陷，呈现低阻异常，推测为含水层富水导致的低阻异常区。其中1420～1600点电阻率较低，推测为强富水区域；1660～1740点电阻率相对较低，推测为弱富水区域。

图11 1040 线电阻率断面图Fig.11 Resistivity section diagram of No.1040 line

图12 为1720 线电阻率断面图，位于工作区中东部。横轴为测点点号，纵轴为海拔高程，细虚线为地表高程线，实线为二1 煤。从图中可以看出，电阻率等值线整体变化特征为从浅到深其电阻率基本呈现由低阻到高阻的电性变化特征，符合沉积地层电阻率变化特征。图中点号1100～1220（图中虚线圈定区域），二1 煤层附近存在明显的电阻率向下凹陷，呈现低阻异常，根据矿方提供的采掘情况，1160～1260 点为原米村煤矿采空区位置，推测该处异常为煤矿采空后顶板塌落后上部水源通过采动裂隙渗入巷道所致，其电阻率相对较低，推测为低阻异常区域；1280～1460 点电阻率呈现相对高阻，根据采掘情况推测此处应为保护煤柱及采掘巷道的综合地电反应；图中点号1480～1560（图中虚线圈定区域），二1 煤层附近存在明显的电阻率向下凹陷，呈现相对中阻，该处数据受电磁干扰，根据采掘情况可知，该处为煤矿老旧采空区；图中1600～1620 点电阻率呈现相对高阻，推测此处煤层未经开采。

图12 1720 线电阻率断面图Fig.12 Resistivity section diagram of No.1720 line

图13 为2080 线电阻率断面图，位于工作区最东南部。横轴为测点点号，纵轴为海拔高程，细虚线为地表高程线，实线为二1 煤。从图中可以看出，电阻率等值线整体变化特征为从浅到深其电阻率基本呈现由低阻到高阻的电性变化特征，符合沉积地层电阻率变化特征。图中1100～1140 号点电阻率曲线煤层附近电阻率呈相对高阻现象，为该处煤层未经采动的地电反应；1240～1380（图中虚线圈定区域） 号点，二1 煤层附近存在明显的电阻率向下凹陷，呈现低阻异常，根据采掘情况可知，1160～1220 点、1260～1380 点为已知采空区位置，推测该处低阻异常区为煤层采动后，上部水源通过采动裂隙进入老旧采空区，其电阻率较低，推测为采空积水区域。

图13 2080 线电阻率断面图Fig.13 Resistivity section diagram of No.2080 line

5.2 反演电阻率断面图解析

如图14 所示为煤层顺层切片图，根据反演电阻率等值线图推测存在5 出低阻异常区域。其中B1、B5 低阻异常区域反演电阻率相对较低，上述区域地表为塌陷坑塘，坑塘内有大量地表水，推测此处地表水通过塌陷裂隙进入采空区内，为采空区积水区域；B2、B3、B4 低阻异常区域反演电阻率相对较高，推测此处为弱水异常区。

图14 煤层顺层切片Fig.14 Coal seam bedding slice diagram

6 成果验证

矿方根据勘探结果在2080 线1320 点开展钻探验证工作，如图15 所示。经验证，煤矿采空区内含有大量积水。

图15 勘探成果验证孔Fig.15 Exploration results verification hole

7 结语

此次瞬变电磁勘探，共发现双鑫煤矿勘探区内采空积水区2 处，低阻异常区3 处，经钻探验证勘探成果真实可靠。煤层采空积水后，采空区呈低阻的电性特征，利用瞬变电磁法寻找低阻异常体从而寻找煤矿采空区及采空积水区有很好的勘探效果，表明瞬变电磁法可以在其他类似领域寻找地下水资源问题提供参考。