彭星亮，席振銖，王 鶴，申建平，侯海濤,3，高 遠(yuǎn)

(1.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410083；2.湖南煤田地質(zhì)勘查院，湖南長(zhǎng)沙410014；3.湖南五維地質(zhì)科技有限公司，湖南長(zhǎng)沙410205)

1 概述

地質(zhì)災(zāi)害是指由于自然或人為作用，在地球表層比較強(qiáng)烈地破壞人類生命財(cái)產(chǎn)和生存環(huán)境的巖土體移動(dòng)事件。通常意義上的地質(zhì)災(zāi)害主要是指危害人民生命和財(cái)產(chǎn)安全與地質(zhì)作用相關(guān)的災(zāi)害,如崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂縫、地面沉降等，而地面塌陷、地裂縫、地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)生在采空區(qū)周圍。人類開采煤礦、鐵礦、銅礦、鈾礦、磷礦以及鹽礦等資源和能源后，地下采場(chǎng)、硐室以及巷道等在地下巖層間形成一定的空間，空區(qū)上方巖層在重力作用下發(fā)生垮塌，造成上覆巖體失去原有平衡狀態(tài)而在一定程度上發(fā)生位移、變形，巖石的完整性和連續(xù)性也遭到破壞，致使巖層破碎和出現(xiàn)大量的空隙和裂隙。未探明的采空區(qū)是鐵路、公路、高樓、廠房以及水壩等建筑工程的地質(zhì)病害。隨著國(guó)家建設(shè)的推進(jìn)，采空區(qū)地質(zhì)病害的危害日益凸顯，其造成了大量的財(cái)產(chǎn)損失、重大人員傷亡事故以及嚴(yán)重的社會(huì)矛盾[8]。因此，探明采空區(qū)的空間分布范圍、以及充填屬性對(duì)保護(hù)國(guó)家財(cái)產(chǎn)、愛護(hù)人民生命以及維護(hù)社會(huì)和諧穩(wěn)定具有重要意義。

2 地質(zhì)災(zāi)害物理探測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查，主要是采用采礦情況調(diào)查、工程鉆探以及地球物理勘探的方法，部分情況下還會(huì)進(jìn)行變形觀測(cè)、水文實(shí)驗(yàn)等。常規(guī)的地球物理勘探方法主要有反射地震法、地質(zhì)雷達(dá)法、瞬變電磁法和高密度電阻率法等探測(cè)方法[4]。采空區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)體縱、橫向遭到破壞發(fā)生劇烈變化，不再是均勻?qū)訝罘植?，反射地震法是基于層狀均勻地質(zhì)模型，其適用于層狀均勻地質(zhì)條件下，在地質(zhì)條件復(fù)雜的采空區(qū)勘探效果不佳。而基于高頻電磁波理論的地質(zhì)雷達(dá)，這是一種運(yùn)用高頻無(wú)線電波來(lái)確定地下介質(zhì)內(nèi)部分布的地球物理勘探方法，其通過向地下介質(zhì)發(fā)射一定強(qiáng)度的高頻電磁脈沖(幾十兆赫茲至上千兆赫茲)，在電磁脈沖向地下傳播時(shí)，遇到不同電性介質(zhì)的分界面即產(chǎn)生反射或散射，通過接收到的電磁波信號(hào)根據(jù)電磁波雙程走時(shí)的差值，以此來(lái)確定探測(cè)目標(biāo)的埋藏深度。由于地質(zhì)雷達(dá)采用的是高頻電磁波，根據(jù)趨膚深度的計(jì)算公式，其最佳探測(cè)深度范圍只有不到10m，特別是在表層有低阻覆蓋層的地質(zhì)條件下，探測(cè)深度則更小(一般為2～5m)[10]，在采空區(qū)探測(cè)中存在很大的局限性。高密度電阻率法是探測(cè)采空區(qū)、地質(zhì)巖溶、地質(zhì)斷裂構(gòu)造等非常好的方法之一，但是受場(chǎng)地條件制約較大[9]。傳統(tǒng)的瞬變電磁法在采空區(qū)探測(cè)中發(fā)揮了巨大的作用，但是在探測(cè)的早期階段（過渡過程階段），受到發(fā)射和接收線圈之間耦合的影響，導(dǎo)致探測(cè)初期采集數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定，進(jìn)而產(chǎn)生了瞬變電磁探測(cè)盲區(qū)，影響了采空區(qū)的淺部勘查[1]。

上述常規(guī)物探方法的不足之處和地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查過程中遇到的民房建筑、交通道路、復(fù)雜山體以及電磁干擾等因素制約這些物探方法的開展，有必要發(fā)展采空區(qū)探測(cè)新技術(shù)。等值反磁通瞬變電磁技術(shù)的出現(xiàn)，解決了傳統(tǒng)瞬變電磁法中過渡過程的影響，消除了瞬變電磁探測(cè)盲區(qū)。等值反磁通瞬變電磁法突破了高密度電阻率法、地質(zhì)雷達(dá)以及淺層地震探測(cè)地質(zhì)災(zāi)害技術(shù)瓶頸，有效解決了淺層地質(zhì)災(zāi)害探測(cè)的技術(shù)問題。

3 等值反磁通法瞬變電磁方法原理及優(yōu)勢(shì)

3.1 等值反磁通法瞬變電磁方法原理

等值反磁通瞬變電磁法（Opposing Coils T ransient Electromagnetics,簡(jiǎn)稱OCTEM）是以相同線圈通以反向電流時(shí)產(chǎn)生等值反向磁通的特性為依據(jù)，發(fā)射線圈采用2個(gè)上下平行共軸的相同線圈，測(cè)量時(shí)分別通以方向相反大小相等的電流作為發(fā)射源，接收線圈在2個(gè)發(fā)射線圈的中心位置，即在該雙線圈源合成的一次場(chǎng)零磁通平面上，消除了發(fā)射線圈一次場(chǎng)的影響，測(cè)量其對(duì)地中心耦合的純二次場(chǎng)的一種新的瞬變電磁探測(cè)方法[7]。相比于傳統(tǒng)的瞬變電磁法，等值反磁通瞬變電磁法接收線圈處于一次場(chǎng)零磁通平面上，當(dāng)發(fā)射電流關(guān)斷時(shí)，接收面的一次場(chǎng)磁通為零，接收線圈自身不會(huì)產(chǎn)生電磁振蕩，接收信號(hào)是地質(zhì)體渦流響應(yīng)。由于消除了接收線圈一次場(chǎng)的影響，OCTEM實(shí)現(xiàn)了0～100m淺層勘探。

OCTEM采用上下大小相同的微線圈，其發(fā)射電流相同，方向相反，因此在上下微線圈的幾何中心水平面和無(wú)窮遠(yuǎn)處一次垂直磁場(chǎng)為零，但是其它空間存在一次垂直磁場(chǎng)，發(fā)送電源斷開后，近地表發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)最大，因此，在變化時(shí)間相同的情況下，在近地表產(chǎn)生的感應(yīng)渦流最大形成極大值面，與此同時(shí)，其產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)也最強(qiáng)，隨著關(guān)斷間歇的延時(shí)，又產(chǎn)生新的感應(yīng)渦流極大值面，并逐漸向遠(yuǎn)離垂直發(fā)射線圈的方向擴(kuò)散，擴(kuò)散速度和極大值的衰減幅度與大地電阻率有關(guān)，大地介質(zhì)影響渦流擴(kuò)散速度和衰減幅度的參數(shù)主要是大地的電導(dǎo)率和局部良導(dǎo)體的埋深，而均勻大地介質(zhì)的電導(dǎo)率一般情況視為常數(shù)，局部地質(zhì)體的電導(dǎo)率、規(guī)模、埋深、形態(tài)等參量的變化是渦流極大值面擴(kuò)散速度和極大值的衰減幅度變化的主要因素。不考慮其它因素，一般來(lái)說(shuō)，局部地質(zhì)體電導(dǎo)率越大，擴(kuò)散速度和極大值的衰減幅度越小。

3.2 OCTEM與高密度電法分辨率的對(duì)比

M.N.Nabighian把渦流極大值面擴(kuò)散形象比作為“煙圈”[5]，OCTEM采用對(duì)偶中心耦合裝置減小了“煙圈”擴(kuò)散角度，有效提高渦流水平聚集，從而提高了瞬變電磁法的橫向分辨率。OCTEM對(duì)偶中心耦合裝置的分辨率只與其實(shí)際測(cè)量時(shí)的點(diǎn)距H有關(guān)（一般分辨率等于點(diǎn)距H），而H只需滿足H＞R的條件，R為微線圈的直徑大?。ㄖ睆叫∮?.0m）。由于OCTEM的分辨率與地形無(wú)關(guān)，在地質(zhì)情況較為復(fù)雜的地質(zhì)災(zāi)害區(qū)，可以通過減小點(diǎn)距H從而達(dá)到提高分辨率的效果。

高密度電法的分辨率與測(cè)點(diǎn)的密度相關(guān)（電極距a的大?。?，與裝置的類型相關(guān)，也與地形相關(guān)，復(fù)雜地形對(duì)其分辨率有較大的影響，如地形凸起、地形凹陷都會(huì)導(dǎo)致其均方根RMS誤差增大，使其分辨率降低，以至實(shí)際探測(cè)出的異常體形態(tài)與真實(shí)形態(tài)存在一定的差異。在地質(zhì)災(zāi)害區(qū)，由于地形復(fù)雜，這對(duì)高密度電法的分辨率以及精度影響都很大。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 工程概況

探測(cè)區(qū)位于湖南省衡陽(yáng)市常寧市某鎮(zhèn)，總體構(gòu)造為向斜構(gòu)造?？碧絽^(qū)地層自下而上有二疊系、三疊系和第四系。其中上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M上段為主要含煤地層，巖性以砂巖和粉砂巖為主，表現(xiàn)為低電阻率電性。

由于受到煤田采空區(qū)的影響，該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為井水水位下降了6m而干沽，影響到該地區(qū)數(shù)百居民的生產(chǎn)生活用水，且出現(xiàn)了地面變形，其中3棟居民房屋墻體開裂、地面鼓起，給居民造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失。

為了查明采空區(qū)垮落帶及充水情況，地下巖溶的發(fā)育規(guī)模、發(fā)育程度、分布深度、隱伏斷層及破碎帶特征等，在該區(qū)運(yùn)用OCTEM和高密度電法進(jìn)行地面地球物理探測(cè)，具體的測(cè)線布置如圖1所示。

4.2 OCTEM儀器介紹

本次OCTEM勘探使用的是湖南五維地質(zhì)科技有限公司研發(fā)的HPTEM-08型高精度瞬變電磁系統(tǒng)。該系統(tǒng)創(chuàng)新地運(yùn)用等值反磁通技術(shù)（OCTEM）消除發(fā)射線圈和接收線圈之間的感應(yīng)耦合，利用對(duì)偶中心耦合原理提高了橫向分辨率，采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的微線圈對(duì)偶磁源、高靈敏度磁感應(yīng)傳感器、高速24位數(shù)據(jù)采集卡以及高密度測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)了淺層高精度瞬變電磁勘探。HPTEM-08型高精度瞬變電磁系統(tǒng)由HPTEM天線、發(fā)射、接收信號(hào)的儀器主機(jī)、12V外接電池和操作所用電腦組成，如圖2所示。

圖2 HPTEM-08高精度瞬變電磁儀

4.3 OCTEM和高密度電法對(duì)比解釋

測(cè)區(qū)內(nèi)對(duì)OCTEM S7線和高密度電法G7線的反演剖面圖進(jìn)行了對(duì)比，如圖3所示，宏觀上二者都反映了含煤地層的分布趨勢(shì)，整體表現(xiàn)為地電阻特性，煤層上覆地層電阻率相對(duì)較高。煤層未開采之前，地層比較完整，電阻率等值線光滑連續(xù)，沒有明顯的擾動(dòng)，煤層開采之后，含煤地層形成空腔，地層內(nèi)部巖石強(qiáng)度和內(nèi)聚力降低，上方巖層在重力的作用下發(fā)生移動(dòng)變形，當(dāng)移動(dòng)變形作用強(qiáng)烈發(fā)生塌陷時(shí)，巖層的完整性和連續(xù)性遭到了破壞，波及到地表時(shí)，地面出現(xiàn)了塌陷、裂縫等地質(zhì)災(zāi)害。采空區(qū)垮落帶及充水等地質(zhì)災(zāi)害在電阻率等值線圖上表現(xiàn)為等值線擾動(dòng)和低電阻特性。按照這一原則，圈定了1號(hào)和2號(hào)異常，地表表現(xiàn)為塌陷和裂縫，OCTEM和高密度電法都很好地反映了這2個(gè)異常。但是OCTEM反映的更細(xì)膩，更好地反映了異常的形態(tài)。

測(cè)區(qū)內(nèi)對(duì)OCTEM S8線和高密度電法G8線的反演剖面圖進(jìn)行了對(duì)比，如圖4所示。宏觀上二者都反映了含煤地層的分布趨勢(shì)，細(xì)節(jié)上也很好地反映了煤層采空后采空區(qū)垮落帶及充水等地質(zhì)災(zāi)害引起的異常，在圖中表現(xiàn)為3號(hào)、4號(hào)和5號(hào)異常，其中OCTEM對(duì)這3個(gè)異常都有很好地反映，而高密度電法只反映了3號(hào)和5號(hào)異常，考慮到采空塌陷區(qū)發(fā)生在村莊附近，高密度電法受到房屋、地形、接地等因素的影響，因此不能很好地反映4號(hào)異常。

5 結(jié)論

（1）當(dāng)煤田采空等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生在村莊附近時(shí)，對(duì)當(dāng)?shù)鼐用裰苯佑绊戄^大。高密度電法雖然能夠很好地探測(cè)地下采空、裂縫等地質(zhì)災(zāi)害，但是受到場(chǎng)地限制、接地情況等不利因素的影響，測(cè)線在布置中往往偏離實(shí)際需要，甚至有時(shí)候不得不發(fā)生彎曲，繞開障礙物，這極大地影響了高密度電法數(shù)據(jù)的反演深度和精度，而OCTEM儀器輕便，采用單點(diǎn)測(cè)量模式，不受上述不利因素的影響。

（2）OCTEM采用等值反磁通技術(shù)，消除發(fā)射線圈和接收線圈之間的感應(yīng)耦合，利用對(duì)偶中心耦合原理提高了橫向分辨率，能很好地探測(cè)煤田采空等地質(zhì)災(zāi)害。

（3）OCTEM與傳統(tǒng)的高密度電法相比，二者均能探測(cè)煤田采空等地質(zhì)災(zāi)害，但是前者的分辨率更高，在場(chǎng)地限制較大的情況下，操作更靈活。