瞬变电磁法和音频大地电磁法在煤下铝采空区探测中的应用研究

究

梁芳敏;黄志强;任鸿飞;魏继祖;唐荣京;刘鹏飞

【摘 要】在研究区应用瞬变电磁法和音频大地电磁法对采空区进行探测.先在已知采空区进行了方法组合的有效性试验,分析两种方法在采空区不同的异常响应特征,再利用已知采空区显示的电性特征,对未知空白区做了合理的解释,结合水文地质资料推断了采空影响区平面分布范围及剖面上的断面形态特征,为研究区煤下铝勘查工作提供保障.同时,探讨了瞬变电磁法和音频大地电磁法对采空区探测的有效性和局限性,为今后全省的采空区探测提供一些经验借鉴. 【期刊名称】《矿产勘查》 【年(卷),期】2014(005)006 【总页数】6页(P914-919)

【关键词】瞬变电磁法;音频大地电磁法;采空区 【作 者】梁芳敏;黄志强;任鸿飞;魏继祖;唐荣京;刘鹏飞

【作者单位】河南省有色金属地质矿产局第六地质大队,洛阳471002;河南省有色金属地质矿产局第六地质大队,洛阳471002;河南省有色金属地质矿产局第六地质大队,洛阳471002;河南省有色金属地质矿产局第六地质大队,洛阳471002;河南省有色金属地质矿产局第六地质大队,洛阳471002;河南省有色金属地质矿产局第六地质大队,洛阳471002 【正文语种】中 文

【中图分类】P631.3

2011年6月10日全国第一个煤下铝整装勘查项目——河南省渑池县曹窑以西煤下铝普查正式启动，由我队负责实施，旨在煤下铝深部勘查方面有所突破。 煤矿采空区是煤下铝勘查中面临的主要问题之一，在实际工作区内多为小煤矿，由于设计和开拓资料不全或丢失，无法确定其位置和边界，且部分小煤矿已经关闭，无法对采空区进行实地调查，在煤下铝勘查工作中严重制约了钻探施工进度和钻孔质量，对煤下铝勘查工作也形成了潜在的安全隐患。确定采空区的空间位置、充填状态、连通性等，查明采空区的空间赋存特征，为煤下铝勘查提供保障，在地质勘查前期对采空区进行勘查与评价，是十分必要的。

瞬变电磁法有成本低、体积效应小、横向分辨率高、与探测目标体耦合性最佳等显著特点，目前被认为是探测煤矿采空区位置最佳物探方法之一；音频大地电磁法具备仪器(EH4)设备轻，观测时间短，能同时接收X、Y两个方向的电场与磁场，反演X-Y电导率张量成像剖面，对判断二维构造更为有利等特点，在探测采空区的应用中也取得了一定的效果。 1.1 瞬变电磁法(TEM)

瞬变电磁法是用不接地回线或接地导线通以脉冲电流作为场源， 向地下发射一次场， 在一次场间歇期间观测由地下介质产生的感应二次场随时间变化的特征， 从而判断地下不均匀体的赋存位置、形态和电性特征，来达到寻找各种地质目标体的一种地球物理勘探方法[1-2]。 1.2 EH4电磁成像系统方法原理

EH4电磁成像系统主要通过电阻率的变化来分辨地下构造情况，该系统可同时使用天然场源和人工场源进行频域电磁观测。对于深部构造通过天然背景场源成像(MT)，其信息源为10～100 kHz，浅部构造则通过一个新型的便携式低功率发射器发射1～100 kHz人工电磁信号，补偿天然信号的不足，从而获得高分辨率的成

像。EH4电磁成像系统同时记录互相垂直的电场和磁场分量，可以计算阻抗张量，从而计算视电阻率，依此来区分地下异常体，获得研究对象的地质构造[3]。 煤层顶、底板岩层完整时其电阻率较高，若地下煤层被采空，形成空洞或被地下水、冲积物充填，其上覆盖层因承压发生形变、坍塌，砂岩、灰岩常发育有破碎裂隙，电阻率就会迅速变化，若采空区内充水，则会呈低电阻率反映，若未充水，则会呈高电阻率反应。地层的层序及结构发生变化，与正常层序地层形成差异，岩层的电导率和介电常数随之改变，其电阻率差异明显，变化范围较大，分析对比电性参数、区分电性差异，寻找异常区来划分采空及积水范围，是瞬变电磁法和音频大地电磁法应用的物性依据。 3.1 地质概况

本研究区区域上处于华北地台南缘，属洛安地块渑池—确山陷褶断束，基底主要由太古宙古老变质岩和元古宙沉积—变质岩系组成，其上沉积有古生代、中生代、新生代地层。区内地层走向大致为北20°～80°东，倾向南东，倾角8°～20°。根据钻孔资料及煤矿揭露的地层资料，地层从老到新依次为奥陶系中统马家沟组、石炭系上统本溪组和太原组、二叠系下统山西组、下石盒子组、古近系和第四系。区内主要可采煤层为二1煤，二1煤顶板为灰白色厚层中粒含云母石英砂岩，厚10～22 m。区内一系列与区域构造线相一致的呈北东—南西向展布的坳陷控制着煤、铝土矿、黏土矿及铁矿的生成与分布。矿区地质—构造图如图1所示。 3.2 物性参数特征

前人曾在河南省内多个铝土矿区进行过电参数测定工作，取得了较多的物性参数资料。本文通过收集整理河南省内部分铝土矿区主要地层岩性电阻率参数 [4]、河南省重要铝土矿区岩矿石的物性参数[5]并结合研究区物探工作取得的成果，将本区地层岩性电性参数整理归纳为表1。

为深入了解瞬变电磁法和音频大地电磁测深技术方法在采空区探测的有效性，确定

两种方法在采空区不同位置的异常响应特征，在大面积投入工作之前，首先在典型工区(已知采空区)进行方法有效性试验。根据实地踏勘及资料收集，了解已知采空区的分布，在跨越Ⅰ#已知采空区布设2条试验剖面，其中瞬变电磁试验剖面长700 m，点距100 m，采用100 m×100 m中心回线装置；EH4的试验剖面长760 m，点距40 m，电极距与点距相等，由于布极方式差异及地形条件限制，与瞬变电磁测深试验线不完全重合，100号点至760号点为两条剖面的重合段，如研究区物探工作布置图2所示。

图3(a)，为瞬变电磁试验剖面反演解释断面图。由图可见，浅部电性呈现横向比较均匀、纵向渐增的规律性变化，电阻率等值线的疏密变化明显，总体上为两个明显的电性分界面，分别反映了第四系与二叠系地层、煤系地层与奥陶系灰岩的分界面。第一与第二电性界面之间为一相对水平的高阻异常，并有异常间互现象，反映了二叠系下石盒子组地层的岩性变化特征，在第二个明显分界面以下出现大片低阻，为已知采空区的异常反应，影响深度范围在标高150～220 m。低阻异常有下延趋势，这与瞬变电磁测深的反演算法局限性及区内复杂的地质条件密切相关，推测采空区的低阻显示与其所处黄河堤岸塌陷区有关，沿裂隙渗水比较严重，电阻率较低。

图3(b)，为EH4试验剖面反演解释断面图，在断面上，从电阻率变化规律看出其两个较为明显的电性分界面。由于高频段信号更易受人文干扰，且受静态效应影响，浅部电性横向和纵向均呈不均匀变化，因此第四系与二叠系地层分界面并不很明显(第一个电性界面)，第二个电性界面为明显的煤系地层与奥陶系灰岩界面。在已知充水采空区上显示低阻异常，影响深度范围在标高150～220 m，与瞬变低阻异常区域基本吻合，深部低阻异常下延趋势不明显，基本上是封闭的，呈层状电性特征，这比瞬变电磁测深资料更接近实际地层情况。由此可见，瞬变电磁法和音频大地电磁法对充水采空区均反映出明显的低阻异常，表明两种方法在该区探测充水采

空区是有效可行的。

上述试验剖面的对比分析，为我们利用瞬变电磁测深和音频大地电磁法组合寻找采空区提供了标志性的指示特征：充水采空区主要表现为低阻，一般影响范围较大，其在剖面上往往表现为连续多个测点在接近奥陶系灰岩的深度上的低阻异常，形成较大规模的低阻区，结合对剖面异常的分析及钻孔资料的揭露得出，采空影响区电阻率对数值变化范围为0.6～2.6，其中瞬变电磁异常向下不封闭，结合地层情况可对其进行识别。

测线长1550 m，测线通过Ⅳ#采空区和Ⅲ#号采空区，其中Ⅳ#采空区远离正在施工采煤区域，应为充水采空区，Ⅲ#号采空区位于正在施工采煤区域，应该处在地下水线以上，应为未充水状态。根据收集的已知采空区资料，测线在300～370号点通过充水的Ⅳ#采空区，在870～1070号点通过不充水的Ⅲ#采空区。剖面点距50 m。

如图4，在瞬变电磁法电阻率反演断面上，可以看出第四系与二叠系地层电性分界面较为明显，由于受充水采空区和断层的影响，煤系地层与奥陶系灰岩界面出现不连续现象。在剖面100～350号点下方出现低阻区域，350号点下方标高为250 m左右电阻率等值线密集，电阻率值急剧下降，在50～200 m标高范围内有一低阻闭合圈，推测为采空区及其影响区，钻孔ZK3000所对应的335 m点在252 m标高处打到采空区顶板，证实了该方法对采空区的反应。瞬变电磁法反演的低阻异常与钻孔ZK3000的揭露的地质情况吻合，不充水采空区应呈高阻反应，在870～1070号点，即正在开采的煤矿巷道的Ⅲ#采空区上方，瞬变电磁法测量资料确实为高阻异常，但该测线500～1200号点均为高阻区，采空区相对于背景高阻异常不明显。测线1300点下方亦出现低阻区闭合圈，因有采煤巷道经过推测可能为采空区。

为进一步确定采空区的空间特征，从平面上了解工区内采空区的分布情况，结合采

空区地球物理模式及划分标准，及对瞬变电磁和EH4电磁测深的各剖面反演结果进行分析解释，将剖面上确定的采空范围与煤系地层结合起来，在平面上最终圈定了2个采空影响区，其编号分别为T-1、T-2，如图5所示。采空区的分布规律比较明显，所有采空区都被断层穿越，且T-1异常区受多个断层控制。这一现象说明，采空区虽然与采煤活动有关，但其后期的发展与空间分布受断层影响比较大，断层的存在容易导致岩层破碎，从而使原本规模较小的采空区崩塌形成较大规模的塌陷区。

由瞬变电磁法和音频大地电磁法对已知采空区反应情况可知：两种方法对地下水位线以下低阻富水采空区反应较好，其低阻异常均与已知采空区基本吻合，但处在地下水位线以上的未充水采空区高阻异常，相对于背景其反应不明显，可见两种方法都对低阻层有较高的分辨能力。

瞬变电磁法对富水采空区横向分辨较好，从剖面等值线上看，浅部电性呈层状变化，但充水采空区低阻异常并未封闭，呈无限下延趋势，这与反演算法局限以及晚期数据质量有关。

EH4由于信号更易受人文干扰，且受地形、静态效应影响，浅部电性呈不均匀变化，异常的空间形态更不规则，异常的规律性略逊于瞬变电磁法。但它能同时接收X、Y两方向的电场与磁场，反演X-Y电导率张量成像剖面，对判断二维构造更为有利。

两种方法各显优越，同时在方法局限性上能达到互补。但总体而言，瞬变电磁数据质量要优于音频大地电磁法数据质量，能更好地反映采空区异常，更有利于采空区范围的圈定。通过对两种资料的分析解释，除对未充水采空区异常反应不明显外，圈定的采空影响区均已得到了钻孔资料的验证，圈定的异常区内外均与实际的钻孔资料吻合。这充分表明了瞬变电磁测深和音频大地电磁法组合对探测富水采空区是

有效可行的，并且效果明显。

【相关文献】

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