煤矿老窑采空区地—井TEM响应特征

张建智,胡富杭,刘海啸,邢国章

(1.中国煤炭地质总局 地球物理勘探研究院，河北 涿州 072750; 2.浙江华东建设工程有限公司,浙江 杭州 310014; 3.北京市地质工程勘察院,北京 100048)

0 引言

目前，随着社会经济发展和“青山绿水就是金山银山”理念的贯彻，对矿山环境的恢复治理工作持续推进，对采空区的探查与治理提升到了新的高度，特别是在基建项目以及公路、铁路穿越采空区时，采空区的精细探测对合理规避采空区或开展针对性治理有着重要意义。采空区探测主要采用钻探和地球物理探测技术，从成本考虑，地球物理探测技术优势明显[1-5]。薛国强等[6]系统论述了地震法、高密度电阻率法、瞬变电磁法、探地雷达、微动、放射性方法等地球物理方法在煤矿采空区探测的效果和局限性，采空区精细探测仍需深入研究。

20世纪80年代瞬变电磁法引入我国，广泛应用于金属矿勘查、煤田水文地质勘探和采空区调查，取得了较好的应用效果。地—井瞬变电磁探测是将发射线圈布置在地面，接收探头沿钻孔按固定间距测量，接收探头与产生异常响应的深部导体更接近，因而可获得比地面瞬变电磁更强的异常信息[7]，有利于深部矿体的探查。地—井瞬变电磁在国外开发得比较早，20世纪80年代，澳大利亚MCI公司、加拿大CRONE公司和Geonic公司推出了商用地—井瞬变电磁系统。2018年，中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所推出了国产地—井IGGETEM4.0三分量系统[8]。张杰等研究了井中瞬变电磁数据采集技术和从定性分析到半定量解释技术，并实现了异常的矢量交汇快速定位技术[9]；杨毅等实现了基于等效涡流的地—井瞬变电磁异常反演[10]；武军杰等对电性源地—井瞬变电磁法三分量响应特征进行了分析[11]；孟庆鑫等研究了大地介质影响下的地—井瞬变电磁的正演模拟特征[12]。目前，地—井瞬变电磁勘探的数值模拟、处理方法尚处于开发阶段，主要用于在矿体埋藏深度大或浅部电性干扰因素影响大的地区进行金属矿的定性勘查。由于采空区对公路、铁路特别是高铁潜在的危害较大，在线路勘察时，需对采空区进行详细勘察，为选线、治理提供地质依据，同时，线路勘察时由于沿线路钻孔较密，为地—井瞬变电磁提供了条件。

本文通过提取钻孔资料，建立了煤矿采空区地球物理模型，模拟了地面、地—井观测方式下板状体的瞬变电磁响应，并绘制了响应多测道曲线，定量计算异常的位置和大小，为地—井瞬变电磁进行采空区勘探提供理论依据。

1 正演模拟

瞬变电磁的数值模拟技术相对比较成熟，商用正演模拟软件有澳大利亚的EM vision、Maxwell和加拿大的Emigma，二维正演模拟以有限差分和积分方程为主。Oristaglio和Hohmann提出以无源扩散方程为基础方程的有限差分法[13]，国内闫述等用类似二维线源的瞬变电磁场进行了模拟[14]，阮百尧等则选择了从积分方程出发求解方程组来模拟二维线源的时域电磁响应[15]。本文的数据模拟采用了二维有限差分方法[16]。

1.1 理论基础

有限差分法通常用来解决二维问题，场源为浅源，在感应区内，电场E仅有y分量，除场源所在点外，电场满足如下偏微分方程:

(1)

式中μ和σ分别为磁导率和电导率。对求解空间和方程进行离散化，可将式(1)转换为线性方程。为简单起见取正方网格，式(1)可写为：

(2)

式中:上角标n表示第n时刻，Δ是网格的步长。式(2)是对时间的微分，时间步长一般取 10-8s数量级才能保证稳定收敛，所以计算量非常大。应用Dufort-Frankel法，取

(3)

(4)

式中Δt为时间步长。将它们代入式(2)处理后得

(5)

式中rij=Δt/μσijΔ2，这个方程是无条件稳定的。可以看出，要想知道某一时刻场的分布必须要知道前面各时刻的分布。利用初始条件E(t=0)=E0，就可从早期到晚期逐步往后算。通常在早期取较小的时间步长，随着延时的加大，步长可以相应加大。基于此公式以及对场源和边界条件的处理，就可以解决用有限差分法计算二维瞬变电磁响应的问题。

1.2 模型计算

根据实验区的岩心、测井曲线，结合以往电法勘探经验，建立了简单的煤系地层采空区模型。模型设置第四系电阻率为60 Ω·m，煤系地层砂泥岩电阻率110 Ω·m，煤层电阻率260 Ω·m，煤系地层基底奥灰电阻率400 Ω·m，含水采空区电阻率40 Ω·m,不含水采空区电阻率800 Ω·m。为了检验地面、地—井瞬变电磁对采空区的探测效果，针对均匀半空间和三维空间水平薄板模型进行了正演模拟。

1.2.1 均匀半空间模型响应

均匀半空间模型电阻率200 Ω·m，采用边长100 m的方形重叠回线装置，正演模拟了采空区含水和不含水时的响应。

图1是含水采空区瞬变电磁多测道响应曲线。含水采空区为低阻，在多测道上表现为感应电压升高，异常特征明显，这也反映了瞬变电磁对低阻异常体探测更加灵敏。

图1 含水采空区瞬变电磁多测道响应Fig.1 TEM multi channel response of water bearing goaf

图2是不含水采空区的瞬变电磁多测道响应曲线。不含水采空区为高阻，在多测道曲线上表现为感应电压降低，异常幅度较小，特征不明显。这也证实了瞬变电磁法对高阻岩层有较强的穿透能力，但不利于采空区的识别。

图2 不含水采空区瞬变电磁多测道响应Fig.2 TEM multi channel response in water bearing goaf

1.2.2 三维水平薄板模型响应

根据实验区煤层赋存状况和钻孔揭露，三维模型选择均匀半空间中的水平薄板模型，发射采用100 m正方形回线，接收探头轴向线圈的等效面积为10 000 m2； 径向线圈的等效面积为 2 500 m2；模拟钻孔深度200 m，钻孔为直孔，接收点沿钻孔测量，测量点距1 m。水平薄板尺寸为50 m×50 m×10 m，含水采空区电阻率为10 Ω·m，不含水采空区电阻率为800 Ω·m，水平薄板埋深130 m，均匀半空间电阻率为100 Ω·m。图3为磁性源地—井TEM装置示意。

图3 磁性源地—井TEM装置示意Fig.3 Schematic diagram of magnetic source well TEM device

图4是低阻薄板的三分量瞬变电磁响应曲线，钻孔穿过水平薄板中心。3个分量曲线在薄板位置受集流效应作用，二次场感应电压明显增大;受薄板平面尺寸与回线场耦合等因素影响，x、y方向上的感应电压形态基本一致，正、负值最大点间的距离与薄板厚度一致，z方向响应曲线整体为正，在薄板位置出现较强的负值异常。整体上低阻薄板的瞬变电磁响应特征较明显，识别度较高。

图4 低阻薄板的三分量瞬变电磁响应Fig.4 Three component TEM response of low resistance thin plate

图5 高阻薄板的三分量瞬变电磁响应Fig.5 Three component TEM response of high resistance thin plate

图5是高阻板体的三分量瞬变电磁响应曲线。沿钻孔在高阻异常附近畸变特征比较明显，x、y、z多测道在高阻板体附近均为低值异常，但异常幅度较小，说明高阻异常在钻孔TEM测量中有一定的识别度。

1.3 正演模拟结论

通过地面均匀半空间和三维水平薄板模型响应的正演模拟形成如下结论：对一定规模的采空区，在充水状态下，地面和钻孔TEM对采空区均有很好的识别度；采空区表现为高阻异常时，地面瞬变电磁多测道探测基本上不能分辨出采空区，钻孔TEM对采空区有一定的识别度。

2 实测案例

在晋北某矿区进行矿井基建时，采用瞬变电磁法对矿区采空范围进行了调查。调查区位于大同矿区中部，属于黄土半掩盖区，揭露地层由老到新为：奥陶系、石炭系、二叠系、第四系，可采煤层为太原组5、8号煤层；采空区位于5煤层，埋深120～160 m。在调查区按照20 m×40 m网格布置了12条测线，使用Geonic公司的PROTEM57系统，数据采集用定源回线装置，发射用100 m×100 m方形回线，接收用等效面积31.4 m2的中频线圈，数据经专业软件反演处理后，制作了反演电阻率断面图和顺5煤层电阻率切片图。

图6是24线和28线瞬变电磁反演电阻率断面，24线5煤层附近在130～170 m处有明显的低阻异常，28线在110～200 m处有明显的低阻异常，分析为充水采空区。

图6 瞬变电磁反演电阻率断面Fig.6 TEM inversion resistivity section

图7是沿5煤层的顺层电阻率切片，图中24线、28线140～200 m之间有低阻异常，结合瞬变电磁反演电阻率断面，综合分析认为该位置为老窑采空区(红色圈闭范围)。

根据地面瞬变电磁成果结合工勘要求，在基建范围内布置了5个勘查孔(见图7)，其中J-1、J-4、J-5孔见实体煤，J-2和J-3孔见采空区。在J-2和J-3孔煤层顶底板20 m内进行了钻孔TEM测量，测量使用了ProTEM 钻孔系统，地表装置为100 m×100 m方形不接地回线，中心位于钻孔处，探头为BH43，孔内测量间距1 m。

图8是钻孔J-2中经简单滤波的瞬变电磁三分量响应曲线，在煤层940～945 m段采空区内x、y、z分量均有明显的感应电压低的畸变，采空区钻孔电视未见积水，与正演高阻薄板的异常特征一致(见图6)

图9是钻孔J-3中经简单滤波的瞬变电磁三分量响应曲线，在煤层940～950 m段采空区内z分量均有明显的感应电压负值的畸变，x、y分量在945 m附近出现“0”值分界点，左侧呈负值，右侧呈正值，为典型采空区充水特征，与正演低阻薄板的异常特征一致(见图4)，采空区钻孔电视见积水。

通过对钻孔三分量瞬变电磁响应反演拟合，结合地面瞬变电磁成果，获得了最终勘探区采空区分布图(图10)，为采空区治理提供了准确的地质依据。

图7 顺5煤层电阻率切片综合成果Fig.7 Comprehensive diagram of resistivity slice alongNo.5 coal seam

图8 钻孔J-2中三分量瞬变电磁响应曲线Fig.8 Three component TEM response curve in borehole J-2

图9 钻孔J-3中三分量瞬变电磁响应曲线Fig.9 Three component TEM response curve in borehole J-3

3 结论与建议

采空区勘探在今后相当长时间内是煤矿安全生产、矿山恢复治理的基础工作，通过对大量工作经验的总结，认为采用瞬变电磁法探测采空区仍是最经济、效果较好的方法。

1) 大量实例证实，对房柱式、放顶式采煤的老窑采空区，如采空区埋设较大且无积水，地面瞬变电磁法对采空区的识别度很低。本文通过正演模拟也证实了高阻薄板的地面装置响应值较低，不利于采空区识别。

2) 针对三维水平薄板地—井瞬变电磁响应进行数值模拟极具实用意义。含水采空区和不含水采空区的地—井瞬变电磁响应都具有较高的纵向分辨率，为今后小范围采空区精查提供了技术支撑。

3) 瞬变电磁法作为一种地球物理勘探方法，其多解性影响着解释精度，因此在实践中应采用综合解释手段，结合已有地质、钻井等资料，按由“定性到定量，已知推未知”的原则进行精细解释，提高瞬变电磁探测的准确率，为地质灾害治理和工程建设提供精细地质成果。

图10 采空区综合解释成果Fig.10 Comprehensive interpretation map of goaf