杨光
1. 江苏省地质勘查技术院，江苏 南京 210049；
摘要：内蒙古某露天煤矿采场内小煤窑分布广，采空区采动范围难以掌握，这给煤矿的安全生产工作带来极大的安全隐患。为了查明采空区的分布状态，并确定采空区的大小和范围，利用PROTEM-47瞬变电磁仪器，采用多匝重叠小回线对该矿区不明采空区进行探测，以相对高阻和相对低阻相结合的方式推测解释采空区，取得了良好的勘探效果。
关键词：PROTEM-47瞬变电磁仪；采空区；小回线源；
1 引 言
在煤层埋藏较浅的矿区,由于小煤窑的随意开采,存在许多不明采空区,这些采空区的存在对煤矿安全生产构成极大威胁,并对地面建筑、地面工程结构物的稳定造成危害。煤矿地下采空区破坏了地基原有的应力平衡,由此引发了采空区塌陷和持力层破坏等工程地质问题。近年来，为了减少老窑采空区对矿山正常安全生产的威胁，或满足煤矿采空区内大型建（构）筑物选址的需求，国内科研机构和高校在应用物探方法探测采空区方面开展了一系列卓有成效的工作[1-2]。内蒙古某露天煤矿东部分布大量采空区，该区域作为开采区的排土场，重载车辆密集作业，易致使未塌陷采空区陷落造成安全事故。为了安全生产、充分利用有限资源，采用小回线源瞬变电磁测深法进行采空区探测工作，以解决煤矿所需。
2 瞬变电磁法基本原理
瞬变电磁测深法原理可以用“烟圈效应”来解释。在发射电流刚关断时，该环状线电流紧接发射回线，与发射回线具有相同的形状。随着时间推移，该电流环向下、向外扩散，并逐渐变形为圆电流环。等效电流环很象从发射回线中“吹”出来的一系列“烟圈”，因此，人们将地下涡旋电流向下、向外扩散的过程形象地称为“烟圈效应”[3-4]。
从“烟圈效应”的观点看，早期瞬变电磁场是由近地表的感应电流产生的，反映浅部电性分布；晚期瞬变电磁场主要是由深部的感应电流产生的，反映深部的电性分布。因此，观测和研究大地瞬变电磁场随时间的变化规律，可以探测大地电位的垂向变化，这便是瞬变电磁测深的原理[5-6]。
3 采空区地球物理特征
地层中的煤层被开采以后，在地下岩层间形成一定规模的空间，周围的应力平稳状态遭受破坏，产生局部的应力集中，采空区上方岩层在重力作用下发生塌陷，造成煤层上覆岩体失去原有平衡状态而发生一定程度岩移,破坏了岩石的完整性、连续性,致使岩层破碎和出现大量的空隙和裂隙，故该处电阻率会偏高于完整岩石处的电阻率，不明显时则会出现视电阻率等值线的波动，明显时表现出相对的高阻特性；而采空区域的空隙被水或泥质所充填后，该处的电阻率将明显低于周围完整岩石的电阻率，表现出一定的低阻特征，这样就为瞬变电磁法勘查采空区提供了前提条件[7]。
4 探测效果分析
4.1 参数设置
本次探测使用PROTEM-47型仪器，采用24匝m小回线源中心回线装置形式，基本频率25Hz，供电电流2.5A。
4.2 矿区地质概况
本区属于半地堑型盆地，煤层埋深40～80m，煤层顶板以粉砂岩、泥岩、中粗砂岩为主，成岩作用低，属软岩层。共含6个煤层群共13个煤层，其中12煤层厚度大且较为稳定，是露天勘探目的层，主要由黑褐色煤、炭质泥岩、灰—深灰色泥岩、灰—浅灰色粉砂岩、细砂岩、中砂岩、粗砂岩、砂质砾岩等组成。构造形态基本上是一个走向接近东西而南、北两侧分别被F3和F4两条倾斜相向的张扭性盆缘断裂所控制的向斜盆地。本区断层不发育，仅发现一条属正断层。矿区内采空区基本表现为高阻特征，但在雨季部分采空区表现为低阻异常。
4.3 探测成果分析
根据以往工作经验及本次工作的试验情况，参考多种电性参数断面和平面图，解释采空区的分布范围。采空区异常推断解释原则：①相邻电性剖面异常形态的相似性；②异常位置符合采矿等地质规律；③异常位置与地表已知采矿活动相关联；④采空区异常要排除地面工业、设施和人文干扰；⑤采空区异常要排除大面积低电阻率值的区域地层等影响因素。
由于野外测量所得并不是地下地质体的真电阻率值，而是视电阻率，与地下地质结构，地形起伏、特殊构造的存在等有着关联，所以，在进行采空区范围确定时，我们采用的是相对异常范围的概念，根据视电阻率等值线平面图，将该区域内的视电阻率高值区域包围的相对低阻区域划定为异常区域，并结合已知的开采等地质条件，确定采空区含水，故将低阻异常划定为富水区，高阻异常区划定为采空区空洞。充水采空区呈低阻反应，而采空区空洞呈现高阻异常区如图1的TEM-2线120#-145#点号处。
图1 TEM-2线视电阻率断面图
本次探测为矿区提供了13个异常区，其中Y异常区有6个，W异常区有7个。在W异常区内除W2和W3自然塌陷没有治理外，其余各异常点均为采空区，这也就是说明在W异常区内的解释成果良好。
5 结论
1）采用该系统在露天矿进行采空区探测，具有投入少、施工效率高、分辨率高、对低阻反应灵敏和抗干扰能力强等优点，在该矿区采空区探测中取得了的勘探良好；
2）小回线源装置避免了大发射回线因施工中的边缘效应影响探测精度的缺陷，并能够在勘探区域内灵活布置测线；
3）在有效数据采样延时内，该系统能够达到理想的探测深度，并且能够反映出高阻层下低阻层的存在；
4）但该系统采用小回线源装置时存在较强暂态过程，关断时间较长，致使浅部地层无法识别。
参考文献：
[1] 阴建康，闫述，陈明生．瞬变电磁法小发射回线探测装置及其应用[J]．煤田地质与勘探，2007，35（3）：66-68．
[2] 张运霞，韩自豪，周建雄等．PROTEM67D瞬变电磁仪器在矿井水文地质勘探中的应用效果[J]．工程地球物理学报，2005,2(2)：123-128．
[3] 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．
[4] 蒋邦远．瞬变电磁法勘探[M]．北京：地质出版社，1998．
[5] 刘树才，岳建华，刘志新．煤矿水文物探技术与应用[M]．徐州：中国矿业大学出版社，2005．
[6] 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]．工程地球物理学报，2007,4（4）：341-344．
[7] 薛国强．论瞬变电磁测深法的探测深度[J]．石油地球物理学报，2004，39（3）：575-578．