瞬变电磁法在川东某隧道交通采空区勘查中的应用

刘洋 李易 聂立

（四川中成煤田物探工程院有限公司，四川成都 610000）

0.引言

煤矿采空区对铁路隧道的施工安全、后期运营存在巨大的安全隐患及危害，查明采空区的施工范围、规模以及与隧道线路的交汇情况显得尤为重要；瞬变电磁法是目前工程勘察过程中针对采空区调查应用较广的物探方法之一。

1.区域地质概况及地球物理特征

工作区出露地层由老到新依次有：三叠系中统雷口坡组（T21）、三叠系上统须家河组（T3xj），侏罗系下统珍珠冲组（J1zh）、中下统自流井组(J1-2z)、第四系（Q4）。工区出露主要地层有第四系，雷口坡组、珍珠冲组、自流井组、须家河组。本次物性工作对工区进行了有针对性的岩样采集及测试工作，分别在不同地层不同岩性进行对称四极法物性测试，岩性主要以砂岩、泥岩、白云岩为主。通过测试可知，工区内砂岩电阻率值为280～810Ω•m，常见值为320Ω•m，泥岩电阻率值为88～339Ω•m，常见值为150Ω•m，白云岩电阻率值为1208～3524Ω•m，常见值为1600Ω•m。

2.瞬变电磁法的原理及野外工作方法

2.1 瞬变电磁法原理

瞬变电磁法（简称TEM，也称TDEM）是一种重要的电法勘探分支方法。TEM利用接地导线或不接地回线向地下发送一次脉冲电磁场，在一次场断电后，通过观测及研究二次涡流场随时间的变化规律来探测介质的电性（见图1）。采用“烟圈理论”，形象化地描述了瞬变电磁测深的原理：瞬变响应可近似地用向地下扩散的电流环来等效，这些电流环好象是发射回线吹出的“烟圈”，其形状与发射回线相同，随着延时的增加而向外、向下扩散[1-2]。根据这个原理，可把地表测得的随时间变化的瞬变响应转化为电阻率随深度变化的函数曲线，从而实现瞬变电磁测深。对于均匀半空间条件下，可得到中心回线瞬变响应的解析表达式：

图1 TEM工作原理示意图

由于二次场随时间的推移向地下深部扩散，衰减曲线也即相应反应了大地电阻率随深度变化的特征，通过反演解释即可得到大地电阻率随深度的变化曲线[3]。TEM为人工源时间域电磁测深，有穿透高阻层能力强及人工源方法受干扰影响小等优点外，它还具有以下优点[4]：

（1）断电后观测纯二次场，可以进行近区观测，电性分辨能力较强；（2）可用大功率发射方法增强二次场，提高信噪比，从而增加勘探深度；（3）通过多次脉冲激发，场的重复叠加和空间域拟地震的多次覆盖技术应用，提高信噪比和观测精度；（4）可通过选择不同的时间窗口进行观测，有效地压制地质噪声，可获得不同勘探深度。

2.2 工作方法

本次勘查工作使用的仪器为美国Zonge公司生产的GDP-32多功能电法仪；布设TEM测线22条（如图2所示），点距10m，发射线框400m×400m；T1-T15线为原2号通道控制范围，共2条隧道线路方案；T16-T22线为更改后的2号通道控制范围。

图2 TEM测线布设示意图

3.TEM数据处理流程及成果

3.1 TEM数据处理流程

TEM观测的数据是按时间衰减的电压曲线，为时间域的电压数据，必须通过反演才能得到深度域电阻率数据，即得到大地电阻率的分布，从而推断解释相关的地质问题。此外，由于TEM观测资料受观测装置、噪音的等多种因素的影响，因此必须进行相应的滤波去噪、校正等处理。TEM资料处理流程如图3所示。

图3 TEM资料处理流程图

3.2 解释成果

T6线反演剖面下伏须家河组五段煤层位置在剖面中段视电阻率等值线较为凌乱，并有圈闭异常，圈定出2处异常（见图4），异常编号为s1、s2,里程约270m～300m、320m～390m，标高约220m～260m、230m～270m；T7线反演剖面圈定出2处异常（见图5），异常编号为s3、s4,里程约250m～290m、320m～400m，标高约200m～250m、230m～280m；T8线反演剖面圈定出1处异常（见图6），异常编号为s5,里程约170m～260m，标高约200m～300m结合已知资料，推测为一碗水风井巷道电性异常。

图4 T6测线物探成果断面图

图5 T7测线物探成果断面图

图6 T8测线物探成果断面图

4.结论

（1）瞬变电磁法在本次勘察中，整体TEM视电阻率反演剖面电性特征较一致、与地质特征较吻合（地层产状陡、西侧自流井组泥岩、砂岩较低阻，东侧为雷口坡白云岩较高阻）。（2）勘察区主采煤层为须家河一、五段，须家河组地层各组电性变化小（反演剖面等值线间距为5Ω＊m），因此，通过视电阻率高、低异常很难区分采空异常，仅能通过视电阻率等值线变化异常结合煤层位置进行圈定采空区异常；通过以上原则，在T6、T7、T8线圈定了5处（蓝色圈）疑似一碗水风井巷道异常。（3）更改后的2号隧道穿过区域视电阻率等值线分布均匀，未发现明显煤矿采空异常。