瞬变电磁法在工程地质勘察中的应用★

司 银 女

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)



瞬变电磁法在工程地质勘察中的应用★

司 银 女

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

通过数值模拟的方法，研究了典型采空区地质模型的正演响应特征，并以黄陵矿业集团店头电厂项目为例，阐述了瞬变电磁法在采空区地质勘察中的应用，指出瞬变电磁法能够准确圈定采空区的范围。

采空区，瞬变电磁法，地质勘察，数值模拟

0 引言

黄陵矿业集团店头2×660 MW电厂项目拟建厂位置存在小煤窑无序开采的情况。由于采空区的存在，特别是在采空区充水情况下，采空区周边岩体受水的影响，产生软化，使岩体强度降低，压缩变形大，抗剪强度差，导致这些未经任何处理的采空区会对其上部的拟建建筑物造成很大的安全隐患。因此需对拟建电厂范围内的采空区进行工程治理。但是，由于大多数小煤窑属于无规划开采，且开采资料不详，导致采空区的分布范围无资料可考证，因此，迫切需要采用先进的无损勘探技术手段来圈定拟建厂址的煤矿采空区、采空积水区的分布范围。

用于采空区调查的地球物理方法可以分为三大类：地震、电法及测氡法。地震类方法包括浅层地震、瑞雷波、地震映像法等。三维地震探测采空区的试验研究展示了良好的应用前景，但其缺点是无法确定其是否积水；电法类方法包括高密度电法、TEM法、地质雷达等，这些方法均可确定采空区是否积水。高密度电法易受地表施工条件的影响，且探测深度有限(一般不超过100 m)；地质雷达则采用的是高频电磁波，探测深度有限；而瞬变电磁法所具有的众多优点：相对于地震、钻探其成本更低廉；相对于重力、磁法，其解释精度、分辨率更高；相对于直流电法，其对复杂地质条件和不同地质任务的适应能力更强。因此瞬变电磁法在矿产资源勘探、构造探测、水文地质勘探、工程地质以及环境地质调查等众多领域都有着广阔的应用发展前景，是煤矿采空积水区探测的首选方法。通过近10年的研究与应用，国内外学者在该方法的理论和应用方面做了大量有益的工作，同时也遇到了不少科研难题和空白，尚未解决。

本文首先通过数值模拟的方法研究典型采空区地质模型的正演响应特征，为采用瞬变电磁法探测采空积水区提供分析、解释依据。在此基础上，将该方法应用到黄陵矿业集团店头电厂项目采空区工程地质勘察与治理中，圈定出准确的采空区分布范围，为下一步采空区治理提供靶区。

1 典型采空区模型数值模拟

时间域电磁法(TEM)是利用地面布设的回线(磁性源)通以脉冲电流作为场源，向地下发送一次脉冲磁场，以激励探测目标体而感生出二次电流，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈观测所产生的二次场随时间变化的响应。2.5D人工源时间域电磁场数值模拟(正演)问题是目前国际上尚未妥善解决的地球物理学疑难问题之一。本论文基于磁偶源电磁场频率域2D数值模拟(C.H.Stoyer和Roy.J.Greenfield(1976))和2.5D波数域选择基础上，用16点波数实现3D场源的等效，用Guptasarma算法实现了从频率域转换为时间域，从而用有限差分法实现了对时间域瞬变电磁场的2.5D有限差分数值模拟。

构建地下三层介质模型，如图1所示，第一层覆盖层的电阻率为：ρ1=100 Ω·m，层厚：h1=80 m或h1=160 m。中间层为煤层，取其电阻率为ρ2=400 Ω·m，层厚h2=5 m。第三层(基底层)电阻率ρ3=200 Ω·m。采空区位于研究区域的中部(采全高5 m)，采空区长L=60 m；采空区不积水时电阻率：ρ4=5 000 Ω·m；采空区中完全充水时的电阻率：ρ4=5 Ω·m。采用中心回线装置进行模拟计算，发射回线边长均取120 m，接收线圈的等效面积为10 000 m2，采用发射电流对瞬变电磁的响应进行归一化，因此取发射电流为1 A。

如图2所示为该采空区模型地表各测点的中心回线瞬变电磁响应多测道剖面图。图2a)和图2b)分别是覆盖层为80 m不积水采空区和积水采空区的瞬变响应多测道剖面图；图2c)是覆盖层为160 m积水采空区的瞬变响应多测道剖面图。

分析上述模型的2.5D正演结果可以得出如下结论：1)目标体的横向轮廓在瞬变响应多测道剖面图中反映明显，瞬变电磁法具有横向分辨率高的特点；2)瞬变电磁法对积水采空区反映明显，在多测道剖面图中部有明显的异常产生；相比之下，瞬变电磁法对不积水采空区反映较微弱；3)采空积水区一旦引起瞬变响应，在其随后的一定范围内的时间道均有所反映，可见变电磁法纵向分辨率相对较低；4)采空积水区的埋深越浅，其异常幅度越大，埋深越深，在地表观测到的异常响应越微弱。

上述地质模型说明：瞬变电磁法优点为对采空积水区反映明显，横向分辨率较高；缺点为对不积水采空区反映微弱，纵向分辨率较低，优化反演方法可提高其纵向分辨率；采空区埋藏越浅，其探测效果越好。

2 TEM法在黄陵矿业集团店头电厂项目采空区工程地质勘察与治理

2.1 矿区概况

黄陵矿区位于黄陇侏罗纪煤田东北部，钻孔揭露地层由老至新有：三叠系上统永坪组(T3y)、瓦窑堡组(T3w)；侏罗系下统富县组(J1f)；中统延安组(J2y)、直罗组(J2z)、安定组(J2a)；白垩系下统宜君组(K1y)、洛河组(K1l)、环河华池组(K1h)；新近系上新统(N2)；第四系中、上更新统(Q2+3)，全新统(Q4)等地层。

侏罗系中统延安组为黄陵矿区含煤地层，厚度50.64 m～150.81 m，平均92.29 m，共含煤4层(组)，分别为0煤、1煤、2煤和3煤。

本次测区的目标煤层为2号煤层，主要分布在测区的北部和中部，南部推测缺失。煤层产状平缓，推测埋深在50 m左右，厚度变化小，结构简单。

2.2 资料分析与地质效果

图3为该测区7线反演电阻率剖面图，图3中横轴为水平距离(底部)，纵轴为高程，等值线值为视电阻率。由图3可见，垂向上电阻率值剖面图总体表现为低→高→低的变化趋势，符合本区地层的电性分布特征(浅部低阻为第四系覆盖层的反映，中部高阻为侏罗系含煤地层的反映，深部低阻为三叠系的反映)；横向上，电阻率分布整体呈近似水平层状，与实际地层起伏趋势吻合，而在剖面上右侧段水平距离350 m～410 m之间，深度在2煤附近增加了一个低阻层位，形成低阻圈闭，幅值较强，推断该低阻异常区是小窑采空积水区的反映。

成果提交后，经Z51号钻孔进行验证(如图4所示),钻探进尺标高+902.71 m时掉钻，掉钻深度1.5 m，进尺快，主要为煤渣碎屑，确认异常区所处位置为小窑采空积水区，瞬变电磁法成果与实际情况吻合，应用效果较好。

3 结语

本文基于前人的研究成果，依托目前高度发展的计算机技术，采用有限差分方法对瞬变电磁法进行数值模拟，设计典型采空区的理论模型，计算了其2.5D瞬变电磁响应曲线，为TEM探测煤矿采空积水区提供了理论基础。理论研究认为瞬变电磁法对积水采空区反映明显，具有横向分辨率高、纵向分辨率低的特点；采空积水区的埋深越浅，其异常幅度越大，埋深越深，在地表观测到的异常响应越微弱。相比之下，瞬变电磁法对不积水采空区反映较微弱。在定性解释的基础上对瞬变电磁资料进行反演解释，有利于提高纵向上的分辨率，达到高精度圈定采空区的目的。黄陵矿业集团店头电厂项目采空区工程地质勘察与治理工程实践表明，TEM法圈定的采空区范围得到钻探的验证，应用效果较好。

[1] 程建远，孙洪星，赵庆彪，等.老窑采空区的探测技术与实例研究[J].煤炭学报，2008，33(3)：251-255.

[2] 解海军.煤矿积水采空区瞬变电磁法探测技术研究[D].北京：中国地质大学,2009.

[3] 解海军，孟小红，王信文，等.煤矿积水采空区瞬变电磁法探测的附加效应[J].煤田地质与勘探，2009，37(2)：71-74.

[4] 牛之琏.时间域电磁法原理[M].长沙：中南大学出版社,2007.

[5] 李 貅.瞬变电磁测深的理论与应用[M].西安:陕西科学技术出版社，2002.

[6] 蒋邦运.实用近区磁源瞬变电磁法勘探[M].北京：地质出版社，1998.

[7] 刘 云，王绪本，毛立峰.起伏地形瞬变电磁2.5维有限差分数值模拟[J].中国地球物理，2009(5)：54-57.

[8] 刘菁华，王祝文，朱 士，等.煤矿采空区及塌陷区的地球物理探查[J].煤炭学报，2005，30(6)：715-719.

[9] 张开元，韩自豪，周 韬.瞬变电磁法在探测煤矿采空区中的应用[J].煤田地质与勘探，2007，4(4)：341-344.

[10] 安润莲，姚精选，杨引串.瞬变电磁勘探技术在探测采空区中的应用[J].中国地质灾害与防治学报，2006，17(4)：116-122.

[11] 薛国强，宋建平，闫 述，等.瞬变电磁探测底下洞体的可行性分析[J].石油大学学报(自然科学版)，2004，28(5)：135-138.

[12] 陈明生，闫 述，解海军，等.二维地质体的瞬变电磁响应特征研究[J].地震地质，2001，23(2)：252-256.

[13] Tsili Wang，Gerald W.Hohmann.A finite-difference time-domain solution for three-dimensional electromagnetic modeling[J].Geophysics，1993(58)：797-809.

[14] Barnett C.T.Simple inversion inversion of time-domain electromagnetic data[J].Geophysics，1984(49)：925-933.

[15] 王信文，冯 宏，解海军，等.TEM 技术地形校正初探[J].陕西省地球物理文集(八)——深部矿井灾害源探测实践，2008(26):127-131.

[16] 殷长春，刘 斌.瞬变电磁法三维问题正演及激电效应特征研究[J].地球物理学报，1994，37(S2)：486-492.

[17] 熊 彬，罗延钟.电导率分块均匀的瞬变电磁2.5维有限元数值模拟[J].地球物理学报，2006，49(2)：590-597.

[18] 王华军，罗延钟.中心回线瞬变电磁法2.5维有限单元算法[J].地球物理学报，2003(6)：855-862.

[19] 刘树才，刘志新，姜志海.瞬变电磁法在煤矿采区水文勘探中的应用[J].中国矿业大学学报，2005(4):40-43.

Application of transient electromagnetic method in engineering geology survey★

Si Yinnv

(ChinaCoalScienceIndustryGroupXi’anAcademyCo.,Ltd,Xi’an710077,China)

Through numerical simulation method, the paper studies modeling response features of typical goaf geology model. Taking Diantou power plant project of Huangling mining industry as an example, it describes the application of transient electromagnetic method in goaf geology survey, and finally points out that: the transient electromagnetic method can accurately fix the goaf scope.

goaf, transient electromagnetic method, geological survey, numerical simulation

1009-6825(2016)24-0051-03

2016-06-06★：中煤科工集团西安研究院自筹资金科技创新项目-矿井瞬变电磁应用研究(项目编号：2013XAYCX021)；国家自然科学基金青年基金项目(项目编号：41304116)

司银女(1981- )，女，硕士，工程师

P631.325

A