煤礦老窯采空區地—井TEM響應特征

張建智,胡富杭,劉海嘯,邢國章

(1.中國煤炭地質總局 地球物理勘探研究院，河北 涿州 072750; 2.浙江華東建設工程有限公司,浙江 杭州 310014; 3.北京市地質工程勘察院,北京 100048)

0 引言

目前，隨著社會經濟發展和“青山綠水就是金山銀山”理念的貫徹，對礦山環境的恢復治理工作持續推進，對采空區的探查與治理提升到了新的高度，特別是在基建項目以及公路、鐵路穿越采空區時，采空區的精細探測對合理規避采空區或開展針對性治理有著重要意義。采空區探測主要采用鉆探和地球物理探測技術，從成本考慮，地球物理探測技術優勢明顯[1-5]。薛國強等[6]系統論述了地震法、高密度電阻率法、瞬變電磁法、探地雷達、微動、放射性方法等地球物理方法在煤礦采空區探測的效果和局限性，采空區精細探測仍需深入研究。

20世紀80年代瞬變電磁法引入我國，廣泛應用于金屬礦勘查、煤田水文地質勘探和采空區調查，取得了較好的應用效果。地—井瞬變電磁探測是將發射線圈布置在地面，接收探頭沿鉆孔按固定間距測量，接收探頭與產生異常響應的深部導體更接近，因而可獲得比地面瞬變電磁更強的異常信息[7]，有利于深部礦體的探查。地—井瞬變電磁在國外開發得比較早，20世紀80年代，澳大利亞MCI公司、加拿大CRONE公司和Geonic公司推出了商用地—井瞬變電磁系統。2018年，中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所推出了國產地—井IGGETEM4.0三分量系統[8]。張杰等研究了井中瞬變電磁數據采集技術和從定性分析到半定量解釋技術，并實現了異常的矢量交匯快速定位技術[9]；楊毅等實現了基于等效渦流的地—井瞬變電磁異常反演[10]；武軍杰等對電性源地—井瞬變電磁法三分量響應特征進行了分析[11]；孟慶鑫等研究了大地介質影響下的地—井瞬變電磁的正演模擬特征[12]。目前，地—井瞬變電磁勘探的數值模擬、處理方法尚處于開發階段，主要用于在礦體埋藏深度大或淺部電性干擾因素影響大的地區進行金屬礦的定性勘查。由于采空區對公路、鐵路特別是高鐵潛在的危害較大，在線路勘察時，需對采空區進行詳細勘察，為選線、治理提供地質依據，同時，線路勘察時由于沿線路鉆孔較密，為地—井瞬變電磁提供了條件。

本文通過提取鉆孔資料，建立了煤礦采空區地球物理模型，模擬了地面、地—井觀測方式下板狀體的瞬變電磁響應，并繪制了響應多測道曲線，定量計算異常的位置和大小，為地—井瞬變電磁進行采空區勘探提供理論依據。

1 正演模擬

瞬變電磁的數值模擬技術相對比較成熟，商用正演模擬軟件有澳大利亞的EM vision、Maxwell和加拿大的Emigma，二維正演模擬以有限差分和積分方程為主。Oristaglio和Hohmann提出以無源擴散方程為基礎方程的有限差分法[13]，國內閆述等用類似二維線源的瞬變電磁場進行了模擬[14]，阮百堯等則選擇了從積分方程出發求解方程組來模擬二維線源的時域電磁響應[15]。本文的數據模擬采用了二維有限差分方法[16]。

1.1 理論基礎

有限差分法通常用來解決二維問題，場源為淺源，在感應區內，電場E僅有y分量，除場源所在點外，電場滿足如下偏微分方程:

(1)

式中μ和σ分別為磁導率和電導率。對求解空間和方程進行離散化，可將式(1)轉換為線性方程。為簡單起見取正方網格，式(1)可寫為：

(2)

式中:上角標n表示第n時刻，Δ是網格的步長。式(2)是對時間的微分，時間步長一般取 10-8s數量級才能保證穩定收斂，所以計算量非常大。應用Dufort-Frankel法，取

(3)

(4)

式中Δt為時間步長。將它們代入式(2)處理后得

(5)

式中rij=Δt/μσijΔ2，這個方程是無條件穩定的?？梢钥闯?，要想知道某一時刻場的分布必須要知道前面各時刻的分布。利用初始條件E(t=0)=E0，就可從早期到晚期逐步往后算。通常在早期取較小的時間步長，隨著延時的加大，步長可以相應加大?；诖斯揭约皩鲈春瓦吔鐥l件的處理，就可以解決用有限差分法計算二維瞬變電磁響應的問題。

1.2 模型計算

根據實驗區的巖心、測井曲線，結合以往電法勘探經驗，建立了簡單的煤系地層采空區模型。模型設置第四系電阻率為60 Ω·m，煤系地層砂泥巖電阻率110 Ω·m，煤層電阻率260 Ω·m，煤系地層基底奧灰電阻率400 Ω·m，含水采空區電阻率40 Ω·m,不含水采空區電阻率800 Ω·m。為了檢驗地面、地—井瞬變電磁對采空區的探測效果，針對均勻半空間和三維空間水平薄板模型進行了正演模擬。

1.2.1 均勻半空間模型響應

均勻半空間模型電阻率200 Ω·m，采用邊長100 m的方形重疊回線裝置，正演模擬了采空區含水和不含水時的響應。

圖1是含水采空區瞬變電磁多測道響應曲線。含水采空區為低阻，在多測道上表現為感應電壓升高，異常特征明顯，這也反映了瞬變電磁對低阻異常體探測更加靈敏。

圖1 含水采空區瞬變電磁多測道響應Fig.1 TEM multi channel response of water bearing goaf

圖2是不含水采空區的瞬變電磁多測道響應曲線。不含水采空區為高阻，在多測道曲線上表現為感應電壓降低，異常幅度較小，特征不明顯。這也證實了瞬變電磁法對高阻巖層有較強的穿透能力，但不利于采空區的識別。

圖2 不含水采空區瞬變電磁多測道響應Fig.2 TEM multi channel response in water bearing goaf

1.2.2 三維水平薄板模型響應

根據實驗區煤層賦存狀況和鉆孔揭露，三維模型選擇均勻半空間中的水平薄板模型，發射采用100 m正方形回線，接收探頭軸向線圈的等效面積為10 000 m2； 徑向線圈的等效面積為 2 500 m2；模擬鉆孔深度200 m，鉆孔為直孔，接收點沿鉆孔測量，測量點距1 m。水平薄板尺寸為50 m×50 m×10 m，含水采空區電阻率為10 Ω·m，不含水采空區電阻率為800 Ω·m，水平薄板埋深130 m，均勻半空間電阻率為100 Ω·m。圖3為磁性源地—井TEM裝置示意。

圖3 磁性源地—井TEM裝置示意Fig.3 Schematic diagram of magnetic source well TEM device

圖4是低阻薄板的三分量瞬變電磁響應曲線，鉆孔穿過水平薄板中心。3個分量曲線在薄板位置受集流效應作用，二次場感應電壓明顯增大;受薄板平面尺寸與回線場耦合等因素影響，x、y方向上的感應電壓形態基本一致，正、負值最大點間的距離與薄板厚度一致，z方向響應曲線整體為正，在薄板位置出現較強的負值異常。整體上低阻薄板的瞬變電磁響應特征較明顯，識別度較高。

圖4 低阻薄板的三分量瞬變電磁響應Fig.4 Three component TEM response of low resistance thin plate

圖5 高阻薄板的三分量瞬變電磁響應Fig.5 Three component TEM response of high resistance thin plate

圖5是高阻板體的三分量瞬變電磁響應曲線。沿鉆孔在高阻異常附近畸變特征比較明顯，x、y、z多測道在高阻板體附近均為低值異常，但異常幅度較小，說明高阻異常在鉆孔TEM測量中有一定的識別度。

1.3 正演模擬結論

通過地面均勻半空間和三維水平薄板模型響應的正演模擬形成如下結論：對一定規模的采空區，在充水狀態下，地面和鉆孔TEM對采空區均有很好的識別度；采空區表現為高阻異常時，地面瞬變電磁多測道探測基本上不能分辨出采空區，鉆孔TEM對采空區有一定的識別度。

2 實測案例

在晉北某礦區進行礦井基建時，采用瞬變電磁法對礦區采空范圍進行了調查。調查區位于大同礦區中部，屬于黃土半掩蓋區，揭露地層由老到新為：奧陶系、石炭系、二疊系、第四系，可采煤層為太原組5、8號煤層；采空區位于5煤層，埋深120～160 m。在調查區按照20 m×40 m網格布置了12條測線，使用Geonic公司的PROTEM57系統，數據采集用定源回線裝置，發射用100 m×100 m方形回線，接收用等效面積31.4 m2的中頻線圈，數據經專業軟件反演處理后，制作了反演電阻率斷面圖和順5煤層電阻率切片圖。

圖6是24線和28線瞬變電磁反演電阻率斷面，24線5煤層附近在130～170 m處有明顯的低阻異常，28線在110～200 m處有明顯的低阻異常，分析為充水采空區。

圖6 瞬變電磁反演電阻率斷面Fig.6 TEM inversion resistivity section

圖7是沿5煤層的順層電阻率切片，圖中24線、28線140～200 m之間有低阻異常，結合瞬變電磁反演電阻率斷面，綜合分析認為該位置為老窯采空區(紅色圈閉范圍)。

根據地面瞬變電磁成果結合工勘要求，在基建范圍內布置了5個勘查孔(見圖7)，其中J-1、J-4、J-5孔見實體煤，J-2和J-3孔見采空區。在J-2和J-3孔煤層頂底板20 m內進行了鉆孔TEM測量，測量使用了ProTEM 鉆孔系統，地表裝置為100 m×100 m方形不接地回線，中心位于鉆孔處，探頭為BH43，孔內測量間距1 m。

圖8是鉆孔J-2中經簡單濾波的瞬變電磁三分量響應曲線，在煤層940～945 m段采空區內x、y、z分量均有明顯的感應電壓低的畸變，采空區鉆孔電視未見積水，與正演高阻薄板的異常特征一致(見圖6)

圖9是鉆孔J-3中經簡單濾波的瞬變電磁三分量響應曲線，在煤層940～950 m段采空區內z分量均有明顯的感應電壓負值的畸變，x、y分量在945 m附近出現“0”值分界點，左側呈負值，右側呈正值，為典型采空區充水特征，與正演低阻薄板的異常特征一致(見圖4)，采空區鉆孔電視見積水。

通過對鉆孔三分量瞬變電磁響應反演擬合，結合地面瞬變電磁成果，獲得了最終勘探區采空區分布圖(圖10)，為采空區治理提供了準確的地質依據。

圖7 順5煤層電阻率切片綜合成果Fig.7 Comprehensive diagram of resistivity slice alongNo.5 coal seam

圖8 鉆孔J-2中三分量瞬變電磁響應曲線Fig.8 Three component TEM response curve in borehole J-2

圖9 鉆孔J-3中三分量瞬變電磁響應曲線Fig.9 Three component TEM response curve in borehole J-3

3 結論與建議

采空區勘探在今后相當長時間內是煤礦安全生產、礦山恢復治理的基礎工作，通過對大量工作經驗的總結，認為采用瞬變電磁法探測采空區仍是最經濟、效果較好的方法。

1) 大量實例證實，對房柱式、放頂式采煤的老窯采空區，如采空區埋設較大且無積水，地面瞬變電磁法對采空區的識別度很低。本文通過正演模擬也證實了高阻薄板的地面裝置響應值較低，不利于采空區識別。

2) 針對三維水平薄板地—井瞬變電磁響應進行數值模擬極具實用意義。含水采空區和不含水采空區的地—井瞬變電磁響應都具有較高的縱向分辨率，為今后小范圍采空區精查提供了技術支撐。

3) 瞬變電磁法作為一種地球物理勘探方法，其多解性影響著解釋精度，因此在實踐中應采用綜合解釋手段，結合已有地質、鉆井等資料，按由“定性到定量，已知推未知”的原則進行精細解釋，提高瞬變電磁探測的準確率，為地質災害治理和工程建設提供精細地質成果。

圖10 采空區綜合解釋成果Fig.10 Comprehensive interpretation map of goaf