TerraTEM仪器在煤矿含水采空区探查中的应用.doc

* Terra TEM 薛晓峰1 薛国强2 牛仰杰1 范晓飞1 张晓兵1 （1. 山西省煤炭地质 144 勘查院 山西 洪洞）（2. 中国科学院地质与地球物理研究所 北京） 摘 要：煤矿开采导致大量的采空区存在，给煤矿安全及周边环境造成一定的破坏。为了对山西省中部某煤矿采空区进 行探测，以便对煤矿安全生产设计提供重要的参考依据，使用澳大利亚产 Terra-TEM 瞬变电磁仪器，采用大回线源瞬变电 磁法进行探测，圈定低电阻率区域，给出含水区域。解释结果得到钻孔验证，取得较好的地质效果，勘探成果给煤矿管理 部门提供了极为有用的地质信息。同时证明了瞬变电磁法探测含水采空区的有效性。 关 键 词：瞬变电磁法；采空区；探查 中图法分类号：P631.3+4 文献标识码：B 文章编号：1004-9134(2012)03-0032-04 了极为有用的地质信息。 0 引 言 1 地球物理特性 大量的煤层被部分或全部开采，在区内地下的不 同层位留下了大量的采空区。采空区的变形破坏可在 地表造成比较严重的地面塌陷、地裂缝及滑坡等灾 害，对人民群众的生命财产安全构成了较大的威胁， 故用先进的技术查明小窑采空区的分布情况，对区内 城镇和新农村的规划和经济发展十分必要。 多年来，国内在煤炭、冶金、铁路、公路工程等 领域也在采空区探测方面积累了一些经验。采空区的 工程地质勘察主要手段有三类：工程地质测绘、工程 物探及工程钻探。物探方法种类繁多，包括电法、磁 法、地震法、放射法等等，因此如何从中选取信息量 最大的、最可靠的方法和确定其应用顺序，如何分配 各种方法的经费以获取最大的效果就成为首要的问 题。由于各种方法都有其特点、一定的适用条件和应 用范围，而对于采空区的探测，电磁法是较好的方 法。其中的瞬变电磁法，又因其观测纯二次场，可采 用重叠回线或中心回线装置在近区进行观测（能减少 旁侧影响），比频率域方法有更高的施工效率、对场 地更强的适应性，且具有对低阻含水体特别灵敏、受 体积效应影响小、纵横向分辨率高等优点 1-4 ，近年 来得到越来越广泛的应用，被认为是煤矿采空区探测 最有前景的地球物理勘探方法之一。 为了对山西省中部某煤矿采空区进行探测，以便 对煤矿安全生产设计提供重要的参考依据，使用澳大 利亚产 Terra-TEM 瞬变电磁仪器，采用大回线源瞬变 电磁法进行探测，探测结果显示出采空区范围，探测 结果得到钻孔的验证，勘探成果给煤矿管理部门提供 煤层被开采后形成采空区，破坏了原有的应力平 衡，当开采面积较小、煤层顶板为塑性岩层并保存完 整且预残留煤柱较多时，应力转移到煤柱上，未引起 地层变形破坏，采空区以充水或不充水的空洞形式保 存下来；采空区多在重力和地层应力作用下，顶板塌 陷、垮落，形成垮落带、断裂带和弯曲带。煤层采空 区因正常顶板岩层、岩体垮落破碎，导致地表下陷同 时发育若干张性裂隙。 瞬变电磁法是以岩石导电性差异（即电阻率大 小）为应用前提的地球物理勘探方法。根据本测区的 地质情况特点和以往的工作经验可知：一般情况下， 如果采空区充填空气，所观测的二次感应电压信号 弱，衰减数据变化较快；如果采空区充填水，则所观 测的二次感应电压信号较强，衰减相对较慢。如果测 区水系不发育，且煤层顶底板隔水性好，则由采空区 所引起的电性异常主要表现为高电阻特性；如果测区 水系发育且顶底板透水性强，则由采空区所引起的电 性异常主要表现为低电阻特性。在一定情况下可能会 导致地面变形或者蹋陷。上述不同条件下的电性变化 为以导电性差异为应用前提的瞬变电磁法的应用提供 了良好的地球物理应用前提。充水采空区会表现为低 电阻特性，二次电压衰减较缓慢，保存完好的煤层会 表现为高电阻特性，二次电压衰减较快。如图 1 所 示，实线表示高阻体衰减电压曲线，虚线表示低阻体 衰减电压曲线。 基金项目：国家自然科学基金资助 第一作者简介：薛晓峰，男，1968 年生，助理工程师，1993 年毕业于长春地质学院应用地球物理系、勘查地球物理专业本科，现在山西省煤炭 地质 144 勘查院工作，曾多次担任地面物探项目的技术负责。邮编：041600 ， ， ， ） ） 式中， ， ， 和 分别代表 A，B，C 和 D 边引起的场。 图 1 瞬变电磁衰减曲线示意 图 3 大定源回线响应计算示意图 对于均匀半空间，由一个偶极子引起的磁场垂直 分量为 2 方法与仪器 2.1 大回线源装置与响应 如图 2 所示，实际应用中，中心回线装置发射线 框边长一般 200 m ～ 800 m，对于几百米长的发射线 框，只观测发射线框中心一个点就移动位置势必会大 大降低 TEM 法的工作效率。这样，在后来的实际生 产中，回线内瞬变电磁测量装置（俗称大回线源瞬变 电磁法（图