瞬变电磁法技术在煤矿探测中的应用

摘 要：本文通过瞬变电磁法又称时间域电磁法，简称TEM，属于电磁感应类探测方法。地面采用多组接收线圈采集、信号多通道接收及资料处理方法介绍，通过该技术在乌苏四棵树煤矿探测井田东南部井下小窑积水及其范围的应用实例，论述其地质效果。实践表明该技术在煤矿井下采空区积水、火烧区富水性探查方面效果明显。

关键词：瞬变电磁法;电磁感应;采空区积水;火烧区富水性

1 瞬变电磁法勘探原理

瞬变电磁法遵循电磁感应原理，就是导电介质在阶跃变化的电磁场激发下而产生的涡流场效应，即利用一个不接地的回线或磁偶极子（也可以用接地线源电偶极子）向地下发射脉冲电磁波作为激发场源（习惯上称为“一次场”），根据法拉第电磁感应定律，脉冲电磁波结束以后，大地或探测目标体在激发场（即“一次场”）的作用下，其内部会产生感生的涡流，这种涡流有空间特性和时间特性。又称为时间域电磁法，是一种重要的时间域电磁勘探方法;它是利用接地导线或不接地回线，向地下发送脉冲电磁场，在一次脉冲电磁场的间歇期间通过观测与研究二次涡流场随时间的变化规律，来探测地下介质电性的物探方法。中心回线方式是瞬变电磁测深方法最常用的装置形式之一，由于该方法观测的是纯二次场，可在近区观测，它以分层能力强、精度高等特点，被广泛用于能源、矿产、水文、工程、环境等领域。一般来说，探测目标的几何规模越大、埋藏越浅、导电性越好则二次场的信号越强、持续时间越长，但在实际工作中选取取样数尽可能多一些，以提高观测范围，而叠加次数则希望取得少些，以提高观测速度，反之，探测目标的几何规模越小、埋藏越深、导电性越差则二次场的信号越弱，持续时间越短。通过观测和研究“二次场”的空间分布特性和时间特性，在测区范围边界区域作针对性地层电阻率试验，可以推测解译测区地层或地质目标体的几何和物性特征，以减小实际勘测中的相对误差。

2 技术试验

本次探测采用多组接收线圈采集信号，为避免因接收线圈参数不一致导致接收的二次场信号受到影响，需要对使用的接收线圈进行一致性检测。

2.1 接收线圈一致性。本次探测采用多通道接收，必须保证各通道信号在相同测点时采集数据的一致性。图1为各接收线圈的一致性对比，由该图可见，各道信号吻合性较高，在有效信号段内，各道信号基本一致，说明本次勘探采用的接收线圈一致性较高，可以投入使用。

图1 接收线圈一致性对比图

2.2 电性标志层。测区主要含煤地层为中侏罗统西山窑组上段，是以粉砂岩和泥岩为主的沉积岩层，本次勘探目标煤层B5煤层和B6煤层均位于该层段。该层段上部地层是以砂砾岩和风化岩层为主的头屯河组和第四系地层，其下部西山窑组下段为一套以粉砂岩和泥岩为主的地层段，再往下是侏罗统三工河组，该组主要由炭质泥岩、煤线和砾石层组成。从以上岩层沉积的岩性特征可以看出，测区内从浅至深岩层电阻率大体应呈现高阻-低阻-高阻的分布特征。

头屯河组及第四系地层均表现为相对高阻，西山窑组上段视电阻率相对降低，下段整体表现为相对高阻。根据三工河组岩性判断，其电阻率应为相对高阻。根据各地层视电阻率的相对关系，可选取西山窑组上段地层为电性标志层。

2.3 试验结论。根据本次试验中衰减曲线可以看出，360m×360m发射线框在采用合适的发射电流时，信号强度比240m×240m发射线框要强，因此在抗干扰方面，本测区的360m×360m发射线框要优于240m×240m发射线框。再从视电阻率曲线对比可以看出，360m×360m发射线框所反映出来的视电阻率曲线更符合本测区地层发育的电性特征，因此，本次探测将采用360m×360m发射线框进行。

以上分析表明，地面瞬变电磁法能较好反映测区地层的电性特征，测区内采用360m×360m的外框、8.333H的发射频率能反映出地层与异常体的电性信息，可作为本次工程的野外数据采集参数。

3 数据采集及处理

瞬变电磁仪野外观测的是垂直磁感应场的归一化感应电动势值，每个观测点记录的参数为：时间道、采样开始时间、采样窗口宽度、发射电流、归一化感应二次场、转换的磁感应强度值等如下图。

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根据以上采集及处理步骤，最后将所得数据以切片等值线图的形式绘制出来。

4 工程应用

根据现场调查，原联营煤矿主采煤层以B5煤为主，且开采时间较长，由于缺失该矿的开采分布情况，因此探查B5煤层采空区积水情况是本次探查工作的主要任务之一。该层段的视电阻率值在23到36之间变化，平均视电阻率值为29，根据试验和反演参数确定地层视电阻率值在23～26之间为低阻异常区，26～32之间为过渡区，32以上为高阻区。根据上述划分标准可为两个区：即推断火烧富水区和推断采空积水区。

5 结语

由于瞬变电磁法是基于岩层导电性异常的间接探测，数据的采集、处理、分析、推断等环节都可能存在不确定因素，仅从物探异常特征本身很难确认低阻异常是由砂岩裂隙水还是采空区积水引起，即异常的多解性不能完全排除。除了对电磁法探测能够明确的采空区和积水区予以重视外，特殊条件下为了增大安全系数，对疑似采空区按采空区对待、含水区按积水区对待，所处层位按照最具安全危险性的上层对待，必要时予以钻探验证。