李章波，陳　露

復雜地形下瞬變電磁法探測多層采空區(qū)積水

李章波1，陳露2

（1.中煤科工集團重慶研究院，重慶 400039， 2.西南石油大學 地球科學與技術學院，成都610500）

根據(jù)井田構造形態(tài)勘探線呈NE-SW向布置，瞬變電磁法測量采用40m×20m的網(wǎng)度400×400m發(fā)射線框，15A發(fā)射電流，8.333Hz發(fā)射頻率，420μ s采樣延遲時間等參數(shù)能夠取得最佳數(shù)據(jù)效果。資料處理時采用直接剔除畸變數(shù)據(jù)和非線性濾波兩種方法消除噪聲干擾，處理結果為5號煤層含水異常區(qū)有14個，其中2個富水性強，5個富水性中等；8號煤層含水異常區(qū)有10個，其中1個富水性強；1個富水性中等；富水性中等以上的區(qū)域面積為113 281m2。經(jīng)礦方實際掘進證實了研究成果的準確性。

瞬變電磁；多目標層；老空水；技術參數(shù)

瞬變電磁法（TEM）是利用不接地回線向地下發(fā)射階躍波形電磁脈沖，激發(fā)地下導體產(chǎn)生感應渦旋電流，在渦流電流激發(fā)的二次磁場沒有立即隨一次場的消失而消失時，及時接收二次磁場并研究其與時間的變化規(guī)律，從而確定地下目標體的電性分布結構及空間形態(tài)的地球物理勘探方法[1]-[5]。它具有探測深度大、體積效應小、異常形態(tài)簡單、分層能力強等優(yōu)點，它對低阻充水斷層、充泥充水溶洞、破碎帶等不良地質(zhì)體反應靈敏，易于探測出低弱的電阻率異常，可有效的區(qū)分采空區(qū)及含水區(qū)，因而在煤炭行業(yè)應用廣泛。

探測研究區(qū)地理位置為東經(jīng)110°57′51″~110°59′56″，北緯37°41′03″~37°42′43″。為呂梁山系梁峁狀中低山黃土地貌，侵蝕切割強烈、沖溝發(fā)育，地形復雜、溝谷縱橫，不利于探測方法的實施和解譯。同時本次工作的目標層為5號、8號煤層采空區(qū)，埋深跨度大（180~520m），噪聲干擾強。因而需要對探測技術參數(shù)進行對比試驗和優(yōu)化選取。

1　地質(zhì)特征及其地球物理特性

1.1地形地貌

探測區(qū)屬呂梁山系，井田內(nèi)大部被黃土所覆蓋，黃土層受強烈的侵蝕切割，形成為典型的梁峁狀中低山黃土地貌，地形復雜、溝谷縱橫，地勢總體呈現(xiàn)為北高南低，最高點位于井田西南部，標高+1 114.6m，最低點位于井田中部的溝谷，標高+885.0m，最大相對高差229.60m。

1.2地質(zhì)特征

探測區(qū)地表大部區(qū)域為黃土覆蓋，基巖零星出露。井田內(nèi)發(fā)育的地層由老至新有：奧陶系中統(tǒng)峰峰組灰?guī)r、泥灰?guī)r、泥巖、角礫狀灰?guī)r；石炭系中統(tǒng)本溪組鐵鋁巖、灰?guī)r、泥巖、砂巖；上統(tǒng)太原組石英砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖及煤層；二疊系下統(tǒng)山西組砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖及煤層；石盒子組中細粒砂巖、灰綠色泥巖、砂質(zhì)泥巖；上第三系上新統(tǒng)粘土、亞粘土（含鈣質(zhì)結核層）；第四系中上更新統(tǒng)黃土；全新統(tǒng)砂礫石。

5號煤層位于山西組，埋深約180～200m，平均厚度7.21m；8號、9號煤層位于太原組，埋深約280～320m，平均厚度分別為3.21m、3.78m，8號煤層上距5號煤層約47m。

1.3地層地球物理特性

一般而言，灰?guī)r、煤層、礫石層、中粗砂巖、粉砂巖、泥巖電阻率依次降低，煤層的電阻率略高泥灰?guī)r[2-5]。在橫向上，煤系地層導電性具有均一性，當煤層中出現(xiàn)采空區(qū)時，則表現(xiàn)為異常高阻，當采空區(qū)充水時，則表現(xiàn)為異常低阻；通過對比探測到的電阻率的變化、異常，可得到異常分布形態(tài) ，進從而達到探測采空區(qū)和老空水的目的[2]-[5]。

探測區(qū)地層的電性特征表、圖1所示。

勘探區(qū)地層巖性、厚度及電阻率一覽表

2　工作參數(shù)研究

圖1　鉆孔柱狀圖與旁側(cè)測點視電阻率曲線對比圖

不同的探測區(qū)、不同的埋深、不同的地質(zhì)背景、不同的目的層與探測目標層數(shù)需選擇不同的工作參數(shù)，合理的工作參數(shù)是完成探測目的的關鍵因素。本次選取45個試驗點進行參數(shù)研究，檢查物理點61個。

2.1發(fā)射線框規(guī)格

一般而言發(fā)射線框面積越大，探測深度越深，但縱向分辨率隨之降低，同時降低施工效率。本次工作目的層埋深180m～320m，故選擇邊長為200×200m和400 ×400m的發(fā)射線框進行優(yōu)選。

采用同頻率25Hz、同發(fā)射電流15A、同采樣時間3min對邊長200m×200m和400m× 400m的發(fā)射邊框進行試驗，結果（圖2）表明兩種發(fā)射線框的起始有效數(shù)據(jù)點時間相同，400×400m線框的最后一個有效數(shù)據(jù)點時間比200×200m線框的晚十幾毫秒，說明前者對于晚期信號的干擾壓制效果好，能取得時間窗口更寬的原始數(shù)據(jù)，提高了勘探深度。因而應采用400×400m規(guī)格的發(fā)射線框。

2.2發(fā)射電流

圖2　發(fā)射線框?qū)Ρ仍囼瀳D

圖3　發(fā)射電流對比試驗結果

一般而言發(fā)射電流越大，一次場的影響越深，激發(fā)的二次場的強度也越大、持續(xù)時間也越久、勘測深度也更深。在發(fā)射線框為400×400m，同發(fā)射頻率、同采樣時間為3min時，對10A和15A的發(fā)射電流進行比選，結果如圖3所示。當發(fā)射電流為10A時（圖3a），原始衰減曲線末端數(shù)據(jù)出現(xiàn)蹦跳，數(shù)據(jù)離差較大，5Hz晚期道甚至出現(xiàn)負值（空缺，曲線不顯示）；而15A時（圖3b）晚期信號光滑、連續(xù)。可見，發(fā)射電流為10A時激發(fā)的二次場強度不夠，不能有效的壓制晚期信號的干擾，因而選擇發(fā)射電流為15A。

2.3發(fā)射頻率

發(fā)射頻率影響充電時間和量測時間，發(fā)射頻率低，充電時間和量測時間長，能接收到更深的信號（晚期信號），但淺部分辨率低；發(fā)射頻率高，充電時間和量測時間短，晚期信號效果差，但淺部分辨率高。在同發(fā)射線框（400×400m）、同發(fā)射電流（15A）、同采樣時間（3min）的情況下，對25Hz、8.333Hz和5Hz三種發(fā)射頻率進行比選，結果如圖4所示。

由圖4可知，發(fā)射頻率為25Hz時在100m深度處信號較密集，對淺部探測分辨率較高；發(fā)射頻率為8.333Hz和5Hz時，200m～400m深度處信號較密集，能很好的探測中深部目的層，但發(fā)射頻率為5Hz晚期信號強度低于背景噪聲，抗干擾能力差。根據(jù)本次工作目的層的埋深情況（180m-320m），最終確定發(fā)射頻率為8.333Hz。

2.4采樣延遲研究

采樣延遲影響不同深度信號的接收，采樣延遲越大采集的深部信息越可靠，在同發(fā)射邊框（400m× 400m）、同發(fā)射電流（15A）、同發(fā)射頻率（8.333Hz）情況下對采樣延遲時間為380μ s、400μ s、420μ s、440μ s進行比選試驗，試驗結果如圖5所示，可見380μ s、400μ s的采樣延遲信號很不穩(wěn)定，440μ s的采樣延遲信號衰減較快，420μ s的采樣延遲信號穩(wěn)定，故選擇采樣延遲時間為420μ s。

圖4　發(fā)射頻率對比試驗結果

圖5　采樣延遲對比試驗曲線圖

3　現(xiàn)場工作

3.1儀器設備

現(xiàn)場儀器采用加拿大鳳凰地球物理公司研制的第八代多功能電法系統(tǒng)（V8），由發(fā)射系統(tǒng)、采集（接收）系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、數(shù)據(jù)記錄處理系統(tǒng)組成；具有3個磁道、3個電道， 頻率范圍10 000Hz-0.000 05Hz （20000秒），工作溫度-20℃-+50℃；采用GPS同步，當GPS信號不好時，系統(tǒng)內(nèi)晶振時鐘會自動啟動同步；采用24位A/D轉(zhuǎn)換器，可保持最高動態(tài)范圍和分辨率；可接收多頻點信號，提高了測量垂向分辨率和勘探精度；可高精度同步疊加、掃頻，任意增加疊加次數(shù)和掃頻時間；采用大功率發(fā)射機，頻率高，可有效的避免干擾信號。

3.2測線布置

探測區(qū)地質(zhì)構造形態(tài)為一走向北東、向北西緩傾的單斜，褶曲不發(fā)育，地層走向變化不大，地層傾角為5°~8°。因此本次工作勘探線沿NE-SW向展布，采用40m×20m網(wǎng)度進行一次高密度面性量測，以提高對中小異常的分辨能力。

本次工作布置測線58條，剖面總長23 260m，測線物理點1 212個，另有檢查物理點61個，實驗點45個。

4　資料處理

圖6　資料處理流程圖

4.1技術措施與流程

探測區(qū)為黃土覆蓋的丘陵地貌，沖溝縱橫，交通繁忙，干擾噪聲大，因而采用直接剔除畸變數(shù)據(jù)和非線性濾波兩種方法進行數(shù)據(jù)預處理。最終采用TEMPRO及IX1D瞬變電磁法處理軟件進行數(shù)據(jù)處理，處理主要流程如圖6所示。

4.2資料解釋

資料解釋采取以下步驟：①解析多測道斷面圖和對應的視電阻率斷面圖；②將視電阻率、視深度做成一個瞬變電磁測深的三維數(shù)據(jù)體，根據(jù)從不同角度切取的視電阻率等值線平面圖進行富水異常的綜合解釋；③圈出含水異常帶。

1）多測道曲線：根據(jù)二次感應電壓表現(xiàn)為中間高兩側(cè)低的倒“U”形或倒“V”形特征解譯含水異常體，富水性越強，中間高與兩側(cè)低的變化幅度越大（圖7）。

2）等視電阻率斷面圖：當采空區(qū)或裂隙帶充水時，導電性加強，在電法剖面圖上表現(xiàn)為局部高電導、低電阻異常，視電阻率等值線上表現(xiàn)為“高-低-高”或圈閉狀低阻異常。

3）視電阻率順層水平切面圖：多測道曲線和等視電阻率斷面均是從測線剖面上進行的解釋，未考慮含水體的平面聯(lián)系，一般情況下，同一分布穩(wěn)定、完整的層位其電阻率值變化不大，反映在視電阻率圖上即等值線分布均勻、平緩；反之，若局部地層為富水和含導水構造區(qū)域，電性的均勻分布規(guī)律被打破，在順層切片圖上異常區(qū)就會呈現(xiàn)視電阻率值減小、等值線扭曲、變形圈閉或呈密集條帶狀等。

4.3地質(zhì)成果

5號、8號煤層探測結果如圖9所示（藍色為富水區(qū)），由圖9可知，5號含水異常區(qū)域14個，其中強含水異常區(qū)2個（深藍色）、中等含水異常區(qū)5個（淺綠色區(qū)域）、弱含水異常區(qū)7個（黑色圈定區(qū)域），強含水區(qū)面積22 563m2，中等含水區(qū)面積83 898m2，弱含水區(qū)面積69 535m2；8號含水異常區(qū)域10個，其中強含水異常區(qū)個（深藍色）、中等含水異常區(qū)個（淺綠色區(qū)域）、弱含水異常區(qū)8個（黑色圈定區(qū)域），強含水區(qū)面積3 587m2，中等含水區(qū)面積3 233m2，弱含水區(qū)面積37 005m2。

圖7　多測道曲線含水異常示意圖

圖8　含水異常的瞬變電磁等視電阻率斷面圖

5　結論

1）由于場地地形起伏大，溝壑縱橫，對比研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)射線框邊長為400×400m即可有效的壓制晚期信號的干擾，再放大線框邊長已無必要且影響施工效率。

2）考慮探測深度的要求和信號干擾的因素，瞬變電磁供電電流為15A時探測效果較好。

3）本次勘探目的層深度180~320m，對比研究發(fā)現(xiàn)發(fā)射頻率為8.333Hz時對目標層探測的分辨率較高，抗干擾能力強。

4）為了采集到可靠的深部信息，采樣延遲時間選擇為420μ s。

5）工區(qū)溝壑縱橫，交通繁忙，干擾信號多且較強，因而在數(shù)據(jù)處理時采用直接剔除畸變數(shù)據(jù)和非線性濾波兩種方法。

6）通過實驗選擇的以上瞬變電磁法參數(shù)，在研究礦井取得了良好的地質(zhì)效果?？碧浇Y果表明，工區(qū)內(nèi)5號煤層含水異常區(qū)有14個，其中2個富水性強，5個富水性中等；8號煤層含水異常區(qū)10個，其中1個富水性強，1個富水性中等。

7）成果驗證：在勘探研究報告提交半年后，據(jù)礦方反饋，在掘進8101運輸巷時，在8號煤層II號含水異常區(qū)外圍警戒線發(fā)現(xiàn)巖壁潮濕，打超前鉆，20m見老空（鉆桿推進速度明顯加快），22m見煤，25m見木屑卡鉆終孔，涌水量1.35m3每小時。表明本次勘探在研究礦井取得了良好的地質(zhì)效果，有效的指導了礦井巷道開拓，為煤礦安全生產(chǎn)提供了參考資料。

圖9　煤順層切片立體圖（上圖5號煤層，下圖8號煤層）

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The Application of TEM to the Detection of Multilayer Goaf Water under Condition of Complex Landform

LI Zhang-bo1CHEN Lu2
（Chongqing Research Institute， China Coal Technology & Engineering Group， Chongqing400039；2-Institute of Earth Science and Technology， Southwest Petroleum University， Chengdu610500）

the feasibility tests and the optimal selection of emission frame size， emission current， emission frequency， sampling delay time， exploration line arrangement， and data processing techniques are taken in order to detect the deeply buried and multi-layer goaf water under condition of complex landform by the TEM. The results show that it is efficient that the emission frame size is 400×400m， the ?emission current is 15A， the emission frequency is 8.333Hz， the ?sampling delay time 420μs. The Exploration line was arranged NE-SW direction according to the structural form in the mine field. Detection results show that there are 14 abnormal aqueous areas in the fifth coal seam area， 2 among which are strong rich water areas and 5—medium rich water areas. There are 10 abnormal aqueous areas in the eighth coal seam area， one among which is strong rich water areas and one medium rich water areas. The total size of medium to strong rich water areas is 113281m2. The mine actual excavation confirms the accuracy of the research results.

complex landform； multi-target layer； TEM； goaf water； technical parameter

P631,3+25

A

1006-0995（2015）03-0443-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2015.03.030

2014-05-29

李章波（1983-）男，四川內(nèi)江人，工程師，主要從事煤礦防治水方面物探工作