瞬变电磁法在勘察煤矿采空区上的应用

1、瞬变电磁法在勘察煤矿采空区上的应用作者：张国明来源：新疆农垦科技2014年第9期张国明（新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司，新疆石河子832000）摘要：本文通过勘察实例分析，探讨了瞬变电磁法在煤矿采空区的应用及勘察效果，通过 钻探对瞬变电磁勘探结果进行了验证，结果表明，应用瞬变电磁法可较为准确的勘探煤矿采空 区分布范围。关键词：瞬变电磁法；勘察；煤矿采空区针对新疆某煤化工供水工程中遇到的供水管线穿越煤矿状况，穿越段长972.2m（K0+840.8K1+813.0）。需对该煤矿区（K1 + 135K1+485）拟铺管线段底处是否有保安煤柱 进行勘探。目前，在地面探测采空区常用的方法主要有高

2、密度电阻率法、地质雷达法、地震反 射法、瑞雷面波法及瞬变电磁法，本次勘察根据现场条件采用了瞬变电磁法探测采空区。1采空区地质概况及瞬变电磁法的应用原理1.1地质概况勘察煤矿位于伊宁盆地北缘，干沟向斜南翼接近向斜构造的轴部，区内地层基本上呈单斜 构造，地层倾向北东方向3545，倾角1213 ；可采煤层3层，各层情况分述如下：67号煤层：煤层可采厚度5.4515.09m，平均厚度为9.58m，勘探供水线路段煤层底板 埋深标高600678m。煤层顶板为侏罗系中统西山窑组粗-中砂岩，底板为粉砂岩。8号煤层：煤层可采厚度2.132.56m，平均厚度为2.35m。煤层顶板为侏罗系中统西山窑 组细砂岩，底板

3、为粉砂岩。10号煤层：煤层可采厚度5.436.85m，平均厚度为6.14m，勘探供水线路段煤层底板埋 深标高600678m。煤层顶板为侏罗系中统西山窑组细砂岩，底板为粉砂岩。当前煤矿主要采掘67号煤层，已形成大面积采空区（采空区范围依据“伊宁英也尔干沟 煤矿67号煤层资源量估算图”标绘范围），供水管线K1+135K1+485段处于采空区上。另据 地表调查，该段管线两侧存有地下采空区形成的地表塌陷漏斗坑发育，且供水管线处地表裂缝 发育。1.2瞬变电磁法的原理瞬变电磁法（TEM）是利用接地电极或不接地回线以脉冲电流为场源激励探测目标感生二次 电流场，在脉冲间隙测量二次场随时间变化的响应。由于该方法

4、是在无一次场背景的情况下观 测纯二次场，因此，可以使用同点装置体积效应，使得旁侧影响大大减小，使得分辨率大大提 高。从傅立叶变换理论可知，脉冲是由许多不同频率的谐变电磁波组成，由此感生的二次时变 电磁场也是由不同频率的谐变电磁波组成，对不同延时进行观测，观测频率不同，反映的深度 也就不同1，同时，不同电导率的岩石产生的电磁感应也有差异，时间域瞬变电磁法就是利用 不同岩石的电导率差异观测瞬变响应并计算视电阻率参数的一种勘探方法。1.3数据采集本次勘察在(K1+100)(K1+850 )段沿垂直管线轴线布置瞬变电磁测深、高密度电法勘 探线，布置原则：线距2080m，点距10m,异常区域适当加密。共

5、布置瞬变电磁测深勘探测线 15条，瞬变电磁测深使用中心回线装置，发射框大小满足勘探深度的要求，为观测到足够的有 效信号，使用25Hz频率供电，单点观测时间以获得圆滑的测深曲线为标准，采集时间一般不少 于 3min。2勘察结果分析2.1瞬变电磁法勘察结果本次工作资料解释的依据和理论基础是物性差异。瞬变电磁法勘察的物性前提是：第4系 地层与其下的第3系、侏罗系地层之间以及煤层与围岩之间由于成分、结构及含水量的不同存 在电性差异。勘察区内的地层岩性主要是第4系的粉土和第3系的砂岩、砾岩、泥岩以及侏罗 系的砂岩、泥岩及煤等。根据此次瞬变电磁法的勘察结果，对所获得的电阻率数值的横向及垂向变化规律进行分析

6、 研究，结果表明：(1)第4系地层为低阻，若含水性较强则电阻率值较低，若含有砂砾石、含 水性差则电阻率值升高，电阻率数值在540Qm之间变化。(2)第3系砾岩表现为相对高 阻，而泥岩为低阻，第3系电阻率值2060Qm(3)侏罗系的泥岩及砂岩的电阻率值相对 较低，在1020Qm(4 )煤层由于其内部夹矸及硫化物含量的不同，其电阻率值可表现为 相对高阻或相对低阻，本区的煤层大部分地段表现为相对中低阻，电阻率值1530Qm(5) 煤层采空区表现为高阻，若含水则变成低阻，而采空区塌陷后，由于塌陷物的组成成分及含水 量不同，电阻率值可表现为相对低阻或高阻。此次物探共完成了 15条瞬变电磁测深剖面线。对所

7、采集的这15条剖面线的瞬变电磁测深 数据使用仪器自带的数据处理软件进行处理，绘制电磁测深反演断面图，结合所收集的地质资 料、物性资料和钻孔资料以及施工现场的实际地质情况，进行电磁测深资料的解释推断。总体分析可以看出，110 (K1+375)线、120 (K1+400)线及130 (K1+425)线这3条勘探 线处的西边均发现有煤层采空现象，而东边除了 110(K1+375)线的桩号820以东推断有煤层 采空塌陷外，其余2条线处未发现煤层采空或塌陷现象。140 (K1+450)线、150 (K1+475)线、 160 (K1+500)线及170 (K1+525)这4条勘探线的西边，即桩号6256

8、50以西，均发现有煤 层采空含水现象；桩号550以西发现有煤层采空塌陷现象，而东边未发现煤层采空或塌陷现象。 700 (管线轴)线垂直于70 (K1+275)290 (K1+825)线，从每条勘探线的中心桩号700处通 过，即位于设计的供水管线的轴心处。700 (管线轴)线电磁测深反演断面图上反映出地层呈现 出宽缓的向斜构造，中间略有起伏，南翼(小号端)较缓，北翼(大号端)在桩号650700处 由缓变陡。整条勘探线上，未发现煤层采空或塌陷等现象。2.2采空区钻探验证结果根据本次物探工作结果，共布置了 14个钻孔进行钻探验证。从验证结果可以看出，除ZK 9钻孔打在了煤层采空区，ZK7钻孔打在了采煤巷道上以外，其余12个钻孔均处于保安煤柱 或未采煤层中。验证结论与此次物探工作的资料分析结论基本一致。3小结瞬变电磁勘探法是基于目标体与围岩的电性差异来进行测量的勘探方