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陈建华1，2
(1.太原理工大学，山西 太原 030024；2.大同煤矿集团忻州窑矿，山西 大同 037000)
(1.太原理工大学，山西 太原 030024；2.大同煤矿集团忻州窑矿，山西 大同 037000)
摘 要：瞬变电磁法是目前较为先进的物探方法，比较适合忻州窑矿地质勘探工作。瞬变电磁法最关键的一步是确定工作设备参数，以往应用中是通过理论计算进行确定，但是由于地表下围岩体变化存在较多不确定的因素，单纯依靠理论计算不精确。本次测试按照由“已知”到“未知”，再由“未知”到“已知”的思路进行，即先用仪器对已知采空积水区进行探测，反推出仪器合理的工作参数，再用调试合理的设备对未知区域进行探测，综合利用电压平面等值线图、INLOOP反演电阻率平面等值线图、IX1D反演电阻率平面等值线图3种结果进行资料解释，反演推断出积水部位。最后按照“物探先行，钻探验证”的原则，采用钻探的方法进行验证，最终确定井下准确的积水区域，科学指导掘进和回采。
关键词：瞬变电磁法；物探；探放水；地测；反演
大同煤矿集团忻州窑矿为解放前旧矿井改建而成，开采历史悠久，随着国民经济的飞速发展，特别是20世纪80年代中、后期，一些乡镇和村办煤矿在宽松政策的扶持下迅速崛起，周边小窑乱采乱掘现象时有发生，造成该矿采空区采掘现状不清，积水情况不明，因而必须采用物探的方法对其进行探测。瞬变电磁法是目前较为先进的物探方法，比较适合忻州窑矿地质勘探工作，它是利用不接地回线或电极向地下发送脉冲式一次电磁场，用线圈或接地电极观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场的空间和时间分布，来解决有关地质问题的时间域电磁法。
本文首先对瞬变电磁法的基本原理进行了论述，对实现该原理的设备、方法、技术进行了介绍，后结合忻州窑矿的实际情况对测点的布置、设备工作参数的选取、以及测得数据的后期处理进行分析，最后得出了忻州窑矿的采矿区、积水区等有关地质信息，为忻州窑矿合理划分采区、科学开采、高效防治水提供可靠的参考依据。
忻州窑矿11-2#煤层开采工作面上覆3#煤层被地方煤矿开采，采空区采掘现状不清、积水情况不清，为了保证煤矿的开采安全，准确探测生产工作面上覆采空区是否有积水，为矿井防治水提供科学、客观的探放水地质资料，采用物探方法探查勘探区域内3#煤层采空及积水情况，为施工地面探放水钻孔提供较为准确、可靠的位置。结合现有的技术条件以及忻州窑矿周边各个小窑的采掘历史，瞬变电磁法是比较经济可行的一种物探方法。
1 设备工作参数及其最佳工作方案试验
根据电法勘探规范，以及该区勘探设计方案的要求，为了更好地完成该次地质任务，在进行野外数据采集之前，进行了试验。试验的主要目的是了解勘查区的地电条件、施工条件、干扰背景以及煤层采空、采空积水区的地球物理特征等，通过有效试验，以便选择最佳工作方法和装置参数；试验遵循由已知到未知、由简单到复杂的原则进行；试验线选在勘查区里的已知采空区内具有代表性的地段进行。
1.1 试验的目的
不同的工区、不同的目的层埋深、不同的地质任务所选用的工作方法及施工参数不同，合理选择仪器、工作方法、施工参数是完成勘探目的任务的关键，因此，在正式生产之前必须进行试验。
1)根据该勘查区地质及地表情况，选择合适的测量参数。2)根据该勘查区已知情况，选择合适的装置。3)初步了解勘查区电性规律及干扰水平情况。
1.2 试验方案
测点线距为40m，点距为20m。设计3组试验方案，见图1。
关键词：瞬变电磁法；物探；探放水；地测；反演
大同煤矿集团忻州窑矿为解放前旧矿井改建而成，开采历史悠久，随着国民经济的飞速发展，特别是20世纪80年代中、后期，一些乡镇和村办煤矿在宽松政策的扶持下迅速崛起，周边小窑乱采乱掘现象时有发生，造成该矿采空区采掘现状不清，积水情况不明，因而必须采用物探的方法对其进行探测。瞬变电磁法是目前较为先进的物探方法，比较适合忻州窑矿地质勘探工作，它是利用不接地回线或电极向地下发送脉冲式一次电磁场，用线圈或接地电极观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场的空间和时间分布，来解决有关地质问题的时间域电磁法。
本文首先对瞬变电磁法的基本原理进行了论述，对实现该原理的设备、方法、技术进行了介绍，后结合忻州窑矿的实际情况对测点的布置、设备工作参数的选取、以及测得数据的后期处理进行分析，最后得出了忻州窑矿的采矿区、积水区等有关地质信息，为忻州窑矿合理划分采区、科学开采、高效防治水提供可靠的参考依据。
忻州窑矿11-2#煤层开采工作面上覆3#煤层被地方煤矿开采，采空区采掘现状不清、积水情况不清，为了保证煤矿的开采安全，准确探测生产工作面上覆采空区是否有积水，为矿井防治水提供科学、客观的探放水地质资料，采用物探方法探查勘探区域内3#煤层采空及积水情况，为施工地面探放水钻孔提供较为准确、可靠的位置。结合现有的技术条件以及忻州窑矿周边各个小窑的采掘历史，瞬变电磁法是比较经济可行的一种物探方法。
1 设备工作参数及其最佳工作方案试验
根据电法勘探规范，以及该区勘探设计方案的要求，为了更好地完成该次地质任务，在进行野外数据采集之前，进行了试验。试验的主要目的是了解勘查区的地电条件、施工条件、干扰背景以及煤层采空、采空积水区的地球物理特征等，通过有效试验，以便选择最佳工作方法和装置参数；试验遵循由已知到未知、由简单到复杂的原则进行；试验线选在勘查区里的已知采空区内具有代表性的地段进行。
1.1 试验的目的
不同的工区、不同的目的层埋深、不同的地质任务所选用的工作方法及施工参数不同，合理选择仪器、工作方法、施工参数是完成勘探目的任务的关键，因此，在正式生产之前必须进行试验。
1)根据该勘查区地质及地表情况，选择合适的测量参数。2)根据该勘查区已知情况，选择合适的装置。3)初步了解勘查区电性规律及干扰水平情况。
1.2 试验方案
测点线距为40m，点距为20m。设计3组试验方案，见图1。
方案1：发射线框边长为300m，每个线框测量28个测点，线框移动为140m。方案2：发射线框边长为400m，每个线框测量45个测点，线框移动为180m。方案3：发射线框边长为500m，每个线框测量66个测点，线框移动为220m。
1.3 试验所确定的有效工作参数
通过试验确定有效的工作参数如下：
回线(TX)边长：400m；叠加次数：500次；工频：50Hz；发射频率：25Hz；发射电流：10A；增益：4倍；供电方式：1(双极性占空比为1∶1方波)；发射电源：T4发射机；接收(RX)装置：V8探头，4个V8接收探头一致性较高，可有效满足勘探任务要求。
2 工程布置及质量
勘查区范围为上下底分别为140m、940m的梯形，面积约0.745k㎡，瞬变电磁法测线、测点的布置，以“由西向东、由南向北”的原则统一布署，点距20m，线距40m，设计测线37条，测线长度不等，由南向东北分别为1～37测线。
在瞬变电磁探测基础上，通过室内资料初步处理解释，在异常区布置了可控源电磁法工作，进一步验证和确定异常区的性质，并在测区开展了一定数量的可控源音频大地电磁测深(CSAMT)，以研究多方法在探测多层采空方面的能力。CSAMT工作采用了CSAMT法TM模式标量测量方法。该方法比较适合一维或者已知构造主轴方向的二维地区勘探。野外采用赤道偶极方式(AB-MN)，即发射偶极AB与接收偶极MN方向平行。根据测区剖面的长度，AB偶极选择为1500m，收发距为1.5～2.0km。发射方向平行于测线方向，接收电极距20m，测点的点距20m。
1.3 试验所确定的有效工作参数
通过试验确定有效的工作参数如下：
回线(TX)边长：400m；叠加次数：500次；工频：50Hz；发射频率：25Hz；发射电流：10A；增益：4倍；供电方式：1(双极性占空比为1∶1方波)；发射电源：T4发射机；接收(RX)装置：V8探头，4个V8接收探头一致性较高，可有效满足勘探任务要求。
2 工程布置及质量
勘查区范围为上下底分别为140m、940m的梯形，面积约0.745k㎡，瞬变电磁法测线、测点的布置，以“由西向东、由南向北”的原则统一布署，点距20m，线距40m，设计测线37条，测线长度不等，由南向东北分别为1～37测线。
在瞬变电磁探测基础上，通过室内资料初步处理解释，在异常区布置了可控源电磁法工作，进一步验证和确定异常区的性质，并在测区开展了一定数量的可控源音频大地电磁测深(CSAMT)，以研究多方法在探测多层采空方面的能力。CSAMT工作采用了CSAMT法TM模式标量测量方法。该方法比较适合一维或者已知构造主轴方向的二维地区勘探。野外采用赤道偶极方式(AB-MN)，即发射偶极AB与接收偶极MN方向平行。根据测区剖面的长度，AB偶极选择为1500m，收发距为1.5～2.0km。发射方向平行于测线方向，接收电极距20m，测点的点距20m。
瞬变电磁法设计测线37条，测点1095个。实际完成测线29条，测点1095个，其中检查点51个。可控制源电磁法1095个，实际完成测线37条，测点1095个，其中检查点51个。测点布置见图2，小圆点为测点。
结合测区的实际地质情况和要求解决的地质任务，可控源音频大地电磁测深在瞬变电磁法和可控源中间梯度法基础上进行布设，共设计布置测线2条，分别位于瞬变电磁设计28线和31线的中部。产生物理点38个，检查点6个，共计42个物理点，其中小方块代表CSAMT测点，见图3。
结合测区的实际地质情况和要求解决的地质任务，可控源音频大地电磁测深在瞬变电磁法和可控源中间梯度法基础上进行布设，共设计布置测线2条，分别位于瞬变电磁设计28线和31线的中部。产生物理点38个，检查点6个，共计42个物理点，其中小方块代表CSAMT测点，见图3。
3 测试结果分析
在数据预处理后，通过反演计算得到各测点的地层电阻率值以及深度值，利用这些数据，采用Golden Surfer软件以及物探数据三维可视化系统对成果数据进行整理，绘制电阻率断面图、电阻率平面等值线图以及等值线三维切片图、瞬变电磁探测成果图等图件。
瞬变电磁资料解释主要以V/I多测道剖面图、V/I时间切片图、inloop反演电阻率断面图、inloop反演电阻率深度切片图、IX1D反演结果等为依据，结合已知的地质资料进行解释。
瞬变电磁勘探采集的信号都是电压信号，采用线框面积或电流等归一化，采集到的原始信号中包含了地层、干扰等综合信息，其可以间接地反映地层电性条件变化情况。对于V/I归一化值最传统的利用方式就是绘制多测道剖面图，通过多测道剖面图上不同测点的采样窗口中V/I值的变化情况推断地层变化。当测区为面积勘探时，就可以充分利用多条测线采集的V/I值，形成一个V/I数据体。利用V/I数据体，并根据地质资料、采样时间与深度的关系，提取与目标深度对应的采样时间的V/I数据，绘制V/I值平面等值线图。V/I值平面等值线图比多测道剖面图更直观地反映了地层信息。
410盘区V/I值等值线随时间切片图及高电压异常切片图见图4，切片时间分别是t=0.6166ms、0.7046ms、0.8051ms、0.9201ms、1.061ms，大致反映勘探区的3#煤层埋深的地层信息。
从图4切片图上可以看出，在勘探区的东南部、北部、西部出现了高电压值区域，这些区域都为低电阻率地层的反映。采区的3#煤层采空积水区集中在勘探区的西北部。
瞬变电磁勘探采集的电压信号计算成电阻率后并进行时深转换才能正确反映地层的电性信息，本次瞬变电磁探测采用了INLOOP软件和1X1D软件进行数据处理，在反演计算前采用了有效的滤波手段对干扰进行了滤除，数据处理后根据处理结果绘制了电阻率等值线断面图、电阻率随深度的切片图。通过从测区电阻率三维数据体中提取不同深度的电阻变化平面图，可直观地反映地层的电性变化情况。采用INLOOP软件反演，从图4可以看出低阻异常带主要集中在西北部。采用IX1D软件反演，从图4可以看出低阻异常也主要集中在西北部。
在数据预处理后，通过反演计算得到各测点的地层电阻率值以及深度值，利用这些数据，采用Golden Surfer软件以及物探数据三维可视化系统对成果数据进行整理，绘制电阻率断面图、电阻率平面等值线图以及等值线三维切片图、瞬变电磁探测成果图等图件。
瞬变电磁资料解释主要以V/I多测道剖面图、V/I时间切片图、inloop反演电阻率断面图、inloop反演电阻率深度切片图、IX1D反演结果等为依据，结合已知的地质资料进行解释。
瞬变电磁勘探采集的信号都是电压信号，采用线框面积或电流等归一化，采集到的原始信号中包含了地层、干扰等综合信息，其可以间接地反映地层电性条件变化情况。对于V/I归一化值最传统的利用方式就是绘制多测道剖面图，通过多测道剖面图上不同测点的采样窗口中V/I值的变化情况推断地层变化。当测区为面积勘探时，就可以充分利用多条测线采集的V/I值，形成一个V/I数据体。利用V/I数据体，并根据地质资料、采样时间与深度的关系，提取与目标深度对应的采样时间的V/I数据，绘制V/I值平面等值线图。V/I值平面等值线图比多测道剖面图更直观地反映了地层信息。
410盘区V/I值等值线随时间切片图及高电压异常切片图见图4，切片时间分别是t=0.6166ms、0.7046ms、0.8051ms、0.9201ms、1.061ms，大致反映勘探区的3#煤层埋深的地层信息。
从图4切片图上可以看出，在勘探区的东南部、北部、西部出现了高电压值区域，这些区域都为低电阻率地层的反映。采区的3#煤层采空积水区集中在勘探区的西北部。
瞬变电磁勘探采集的电压信号计算成电阻率后并进行时深转换才能正确反映地层的电性信息，本次瞬变电磁探测采用了INLOOP软件和1X1D软件进行数据处理，在反演计算前采用了有效的滤波手段对干扰进行了滤除，数据处理后根据处理结果绘制了电阻率等值线断面图、电阻率随深度的切片图。通过从测区电阻率三维数据体中提取不同深度的电阻变化平面图，可直观地反映地层的电性变化情况。采用INLOOP软件反演，从图4可以看出低阻异常带主要集中在西北部。采用IX1D软件反演，从图4可以看出低阻异常也主要集中在西北部。
为了提高物探解释的精度，综合利用电压平面等值线图、INLOOP反演电阻率平面等值线图、IX1D反演电阻率平面等值线图3种结果进行资料解释，结合已有的几个钻孔资料和地层信息，圈定忻州窑测区采空积水区， 图4为利用电压平面等值线反演出的采空区积水图，图5为利用INLOOP反演出的采空积水图，图6为利用IX1D反演出3#煤层的采空区积水图，图深色部分代表该地区有积水。
4 钻探验证
根据物探测试结果，2011年10月经外委资质单位在3#煤层采空积水区的地面对应西北部和南侧局部圈定积水异常区域，施工了3个地面探放水钻孔，通孔后均见孔无水，同年11月成功在该地区开始掘进巷道，为了确保掘进安全同时设计了边探边掘，由专业队组负责施工，进行先钻进后掘进的方法，并始终保留30m的防隔水煤柱。
4 钻探验证
根据物探测试结果，2011年10月经外委资质单位在3#煤层采空积水区的地面对应西北部和南侧局部圈定积水异常区域，施工了3个地面探放水钻孔，通孔后均见孔无水，同年11月成功在该地区开始掘进巷道，为了确保掘进安全同时设计了边探边掘，由专业队组负责施工，进行先钻进后掘进的方法，并始终保留30m的防隔水煤柱。
2012年3月在掘进至700m处即南侧物探圈定积水异常区域，成功探测到3#层非法延伸至11#层小窑巷道(见表1)，累计排放积水1600m³左右，确保了掘进队组安全通过非法小窑巷道，保证了矿井安全生产。
5 结论
1)忻州窑勘探区3#煤层采空积水区主要分布在西北部和南侧局部范围；成果图中圈定的异常，3种方法都圈定的可靠性高，两种方法圈定的可靠性中等，只有一种方法圈定可靠性稍差。
2)建议钻孔布置在电阻率较低，且异常范围大、多种方法都验证的区域，这种区域的异常可靠性高。
3)由于物探方法只是间接勘察手段，其结果存在多解性。电法勘探属体积勘探，具有体积效应。对于3#煤层的采空积水问题，主要是依据调查资料和电法资料推断得出，可能与实际情况存在一定差异。另外，圈定的采空积水区面积可能与实际有一定出入，难免存在一定的误差。
文章摘自：2015年5月《山西焦煤科技》
1)忻州窑勘探区3#煤层采空积水区主要分布在西北部和南侧局部范围；成果图中圈定的异常，3种方法都圈定的可靠性高，两种方法圈定的可靠性中等，只有一种方法圈定可靠性稍差。
2)建议钻孔布置在电阻率较低，且异常范围大、多种方法都验证的区域，这种区域的异常可靠性高。
3)由于物探方法只是间接勘察手段，其结果存在多解性。电法勘探属体积勘探，具有体积效应。对于3#煤层的采空积水问题，主要是依据调查资料和电法资料推断得出，可能与实际情况存在一定差异。另外，圈定的采空积水区面积可能与实际有一定出入，难免存在一定的误差。
文章摘自：2015年5月《山西焦煤科技》
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