瞬变电磁法在采空区调查中的应用

[摘要]应用瞬变电磁法在矿区开展了采空区探测，钻探结果充分验证了瞬变电磁勘探成果的准确性，为下步采空区治理提供了依据，取得良好社会和经济效益，保障了人民群众生命财产安全。

[关键词]采空区 瞬变电磁法 电阻率

[中图分类号] P631.3+25 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2014）-8-167-2

某膨润土矿区矿山已废弃多年，由于遭遇乱采滥挖导致近年来弟妹出现了地面塌陷、地裂缝等地质灾害，严重威胁到当地建筑安全情况，给居民的生命财产安全带来了不小的威胁。经调查，已有的塌陷及裂缝多由埋深小于100m的采空区引起，因此需对区内地下由采矿导致的采空区分布范围进行调查，为后续的稳定性分区及安全评价奠定基础，保障人民群众生命财产安全。笔者所在单位受委托开展物探勘查工作，采用瞬变电磁法开展采空区调查工作，取得较好效果。

1瞬变电磁法原理

瞬变电磁法（简称TEM）通过在不接地回线中或接地电极间供以方波电流，向地下间歇性地发送一次电磁场，在一次电磁场的发射间歇，用接受线圈观测由地下良导地质体感应产生的二次涡旋电磁场，通过研究二次涡旋电磁场的时空分布特征，从而达到探测地下电性介质的目的[1]。

该方法能穿透高阻覆盖，受地形起伏影响小，与直流电法相比体积效应小，且装置轻便、高工效低成本等特点，已被广泛用于矿产勘探、水文与工程地质调查、环境调查与监测煤田地质勘探、工程勘察、地下水与地热勘探、环境灾害地质调查、考古等诸多领域[2-6]。

2矿区地质概况

矿区地层呈北西―南东走向，倾向北东。地层自南西向北东，依次出露为中下侏罗统、上侏罗统劳村组和下白垩统朝川组。

上侏罗统劳村组为矿区含矿岩系，属火山碎屑岩，其上与下白垩统朝川组不整合接触，且覆盖在中下侏罗统杂色砂砾岩或奥陶系下统泥岩之上。劳村组以陆相爆发的流纹质火山碎屑岩为主，夹火山沉积岩，由四个火山喷发沉积韵律组成，属脉动式火山喷发，造成了含矿岩系多韵律、多矿层的特征。

区内以开采I、II矿层为主，与地裂缝、地面塌陷关系最为密切的是I、II矿层的顶底板的工程地质特征。

3瞬变电磁勘探成果

3.1技术方法

测区内共布置24条测线，测线方位NE50°，测线间距50m，测点距20m，异常地段加密成25×10m。

本次工作采用中国地质科学院物化探所研制的IGGETEM瞬变电磁仪。仪器的主要技术指标：最大输出功率500W；最大输出电压48V；最大输出电流10A；发射电流为双极性，占空比1：1；脉冲宽度分4、10、20、40s。

遵循从已知到未知的原则，生产之前通过方法试验，选定了技术参数。本次TEM测量参数设置：发射周期10ms，关断时间80μs，采样延迟时间200μs，采样时窗范围0.07～2.64ms，叠加次数256次，发射电流8A。

工作装置选择10m×10m重叠回线装置，接收线圈上并联100Ω电阻，可效地抑制早期测道的阻尼振荡。

3.2物性特征

为更好的对瞬变电磁法资料进行解释，项目组首先收集矿区相关地层岩性的物性标本进行了电性参数测定工作。物性测定结果显示，膨润土矿的电阻率为30～90Ω・m，矿体顶板的重结晶玻屑凝灰岩平均电阻率为6000Ω・m，底板凝灰质粉砂岩平均电阻率为10000Ω・m，重结晶玻屑凝灰岩电阻率为700Ω・m，矿层与顶底板围岩具有明显的电性差异，为应用瞬变电磁法进行采空区探测提供了良好的物性前提。

3.3勘探成果

图1为区内典型的TEM多测道电压剖面及电阻率断面图。

由方法原理可知，衰变的二次场遇到高阻体衰减较快，在低阻体上衰减较慢。故在多测道电压剖面图上，高电压反映的是低阻体，低电压反映的是高阻体，呈平缓状变化的电压剖面曲线反映的是正常的地层。在视电阻率断面图上，正常地层等值线表现为类似层状的平缓变化的曲线，当地层受采挖、断裂构造破坏时，等值线则会发生严重畸变，产生高阻或低阻的闭合圈或半闭合圈，曲线密集陡立上升或下降。

多测道电压剖面图上显示，65～95段整体为低电压反映，推断为开采较严重的采空区；100～110呈单峰高电压异常，推断为采空区；110～170段呈高低相间特征，推断为采空与矿柱相间；175～185段呈相对高电压，变化较平缓，推断为矿柱较宽引起；190～200段呈低电压显示，推断为采空区反映；205～220段电压值明显抬升，为采空区的反映。

从视电阻率拟断面图分析，在深度80～90m处横向上曲线出现较为连续的高阻闭合圈和半闭合圈，其间夹有两处低阻带，推断65～95、110～120、135～175段的高阻异常为采空区。95～110、175～190的低阻区为矿柱，该两处低阻区异常形态有差别。另外，120～135段400Ω・m高阻闭合圈出现间断，推断也为矿柱。在该测线上的130～135点之间和190～195点之间分别布设两个钻孔，结果都打在采空区边缘的矿柱上。

综合测区24条剖面的勘探结果，对采空区的分布范围进行了划分。为验证推断采空区的可靠性，布置了验证钻孔10个。钻孔根据瞬变电磁异常的不同特征进行布设，分别验证推测的采空区或残留矿柱。验证结果见表1，说明本次瞬变电磁法的解释推断具有较高的准确性。

钻探验证和实地调查核实表明，瞬变电磁法圈定的采空区分布范围及埋深是有效和可靠的，为下一步对采空区影响带的稳定性分区以及建设用地适宜性分区奠定了坚实的基础，具有明显的经济效益和社会效益。

4结论

本次勘查结果表明， 瞬变电磁法是探测矿山采空区的有效手段。随着我国经济建设和社会民生的发展，做好老矿山采空区的调查和治理工作，减少地面裂缝塌陷事故的发生，保障人民群众生命财产安全具有重要意义，也符合新时期新形势下“以人为本”的发展理念。

参考文献

[1]蒋邦远.瞬变电磁法勘探[M].北京：地质出版社，1998.

[2]金中国，邹林，赵俭文.瞬变电磁法在黔西北猫猫厂铅锌矿区找矿中的应用[J].地质与勘探，2002，38（6）：48-50.

[3]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，2005，34（4）：414-417.

[4]刘君，陈强.瞬变电磁法在山西探测陷落柱中的应用[J].科技情报开发与经济.2004，14（9）：301-302.

[5]梁爽.中心回线装置瞬变电磁法在矿山安全和工程勘察中的应用[J].煤炭技术.2004，23（1）：91-93.

[6]张保祥，刘春华.瞬变电磁法在地下水勘查中的应用研究综述[J].地下水.2004，26（2）：129-133.