刘 兵
(同煤集团晋华宫矿地质科，山西 大同 037016)
利用三维有限元数值模拟结果和具体案例，分析了瞬变电磁(TEM)方法检测和监测充水空隙的可行性。案例分析主要是分析和监测正在建设的输电站现场周边环境，以及其中存在的富水区开采空缺。围绕建筑物占地面积进行了三次中环式电声测深。低电阻率异常区域已重复定位，调查结果表明，空隙面积随时间的增加而增加，表明现场地面处于不稳定和危险状态。这些调查提供了更详细的地质资料，以进一步安排和重新设计瞬变电磁法在煤矿富水区探测中的应用。
瞬变电磁法；煤矿；富水区探测
中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，随着中国经济的快速发展，需要大量的能源供应。但是，煤矿开采同时带来了一些严重的问题，如，水资源的破坏和环境恶化。灾难性的表面崩溃是采矿活动的常见结果。此外，由开采空洞引起的变形和破坏可能直接导致地面裂缝和滑坡。因此，快速定位和测量开采区域非常重要。在物理上，当煤层被挖掘时，会出现一些不同尺度的开采区域，这会导致应力不稳定，从而导致应力集中。在上覆岩石的作用下，会发生变形、开裂和脱位，导致形成洞穴及断裂带和弯曲变形带。排出的空隙可以充满空气或水。当水分流入地下水或地表水通过裂缝渗漏到挖掘区域时，可能会出现随后沉降引起的表面损伤。煤炭资源过度开采容易造成煤矿重大地质灾害。有必要通过有效的地球物理方法快速调查孔隙的位置和分布[1]。
1 煤矿富水区探测现状已经采用许多方法来检测开采区域和充水空隙的面积。重力和DC地电方法可用于检测地下结构。然而，在地下洞穴调查中，这两种方法无法明确区分多样化的地下洞穴。通常可以使用地面穿透雷达(GPR)来检测浅埋目标。地震法在富水区检测过程中的准确性并不高。由于TEM对填充空隙的低电阻率敏感，并且可以在复杂的工作条件下简便的进行，该方法已经被广泛应用于煤矿富水区探测中，是近年来作为检测充水空隙的最有效技术之一[2-3]。
一般情况下，重要输电站位置由地方政府选定，煤矿位于建筑物周围，采矿区域随着开采地区的变化而变化。为了调查和监测该地区开采空隙的状况，我国于2010年1月进行了3次中心循环TEM测深。埋藏在空隙中的TEM探测已被后期的钻井记录仪解释和测试。解释结果表明，随着时间的推移，空隙面积增大。后来的表面沉没和裂纹的出现显示出现场的地面处于不稳定状态。这一检测结果为地方政府提供了更详细的地质资料。
2 瞬变电磁法的作用原理需要两个基本的电磁原理来推导TEM测量使用的物理学：法拉第的归纳定律和兰茨定律。法拉第定律规定在地下产生几乎相同的电流以保持由原始电流(涡流)产生的磁场。由于欧姆损耗，感应表面电流消散，这会导致磁场的变化，从而引起后续的涡流。最终的结果是，当电流密度变化时，地下电流的向下和向外扩散表现为扩张的烟环。
这些电流通过法拉第定律产生磁场。在表面上，测量磁场磁通量随时间的变化。电流在地下扩散的方式与地面的电导率分布有关。
从TEM和现场侦察监测的结果可以看出，开采的空隙随着时间的推移而扩大，造成安全隐患。建筑物周围的表面沉陷和坍塌证明了，高分辨率和精确度的TEM方法是一种用来定位充水空隙的有用技术。通过选择合理的测量参数，可以通过TEM从近地层和深层快速检测地电信息。
TEM/TDEM系统由发射仪、发射线圈或发射线、接收器线圈或天线以及接收器组成。根据地下电阻率、电流感应、接收灵敏度和发射机、接收机原理，TEM/TDEM测量允许地球物理勘探从表面几米到数百米的深度。
3 瞬变电磁法在煤矿富水区探测中的应用由于岩石导电性与岩石性质密切相关，TEM是绘制岩石或土壤变化的有效方法，例如，限制地下水流动的黏土层，地下水中的导电渗滤液和土堤中的渗流。
TEM需要专门的发射器来驱动时变电流到发射器环路中，通常是放置在表面上的未接地的电线环路。发射机环路产生传播到地下的EM波。当EM能量遇到不同的地下物质时，它会产生二次EM场的涡流。二次EM场由接收器环路或磁性天线在表面拾取，并且当感应能量扩散到地球时被记录。扩散速率表示地下材料的电阻率。
TEM技术用于绘制地质结构，以寻找地热源，地下水和总沉积物。环境和工程用途范围从描述盐水入侵和污染物迁移到确定永久冻土和深度到基岩。TEM/TDEM方法具有超过直流电阻率技术的优点为：TEM不需要长电极阵列，因此对土壤的横向变化较不敏感。而直流电阻率需要较长的电极扩散，其长度通常为探测深度的3倍～5倍。TEM方法开始于将时域方波信号传输到大的不接地回路中。某点上，环路电流尽可能快地中断，从而导致发射机产生的磁场的快速变化。
4 施工方式与数据处理4.1 施工方式本次对山东龙口某矿的富水区进行瞬变电磁法探测，主要是为了探测开采工作面煤层顶板含水构造发育情况和发育空间位置。选择了澳大利亚Monash Geo Scope公司生产的瞬变电磁探测仪，该仪器具有轻便、自动化程度高、抗干扰等特点。借助微机操作来实现数据的采集，并能够实现数据的自动记录和存储，随后，可以通过USB接口来实现对数据的处理和回放。瞬变电磁探测仪的接收线和发射线框选择多匝2 m×2 m矩形回线，叠加次数为64，采样时窗为1～34，时间选用了标准时间序列。根据本次探测的地质任务将测点间距设计为10 m，对于断层位置需要将测点间距设置为5 m。测点布置与探测方式如图1所示。
图1 探测方式示意图
4.2 数据处理瞬变电磁测量的数据属于各个时窗(测道)的瞬时感应电压，通过晚期场公式可以将其换算成视电阻率，从而得到视深度参数。通常情况下，可以借助视电阻率来解释瞬变电磁测深的相关数据资料。
视电阻率计算公式为式(1)：
(1)
式中:ρ为视电阻率,Ω·m；t为时窗时间，ms；μo为真空磁导率；m为发射磁矩，A·m2；V(t)为感应电压，μV；q为接收线圈有效面积，m2。
4.3 探测结果分析第121页图2是本次瞬变电磁法测量的巷道横向580m～680m范围内的视电阻率拟断面图。从图2中可以发现，视电阻率横向变化均匀，纵向上差异较大，主要是由于断层构造影响。40m以下的深度范围内部分视电阻率值横向发生了剧烈的变化，从而说明同一岩层横向富水性差异较大。同时，该区段600m～625m范围内出现视电阻率值小于2Ω·m的区域，则说明视电阻率值较低，由于该异常区存在断层尖灭现象，因此可以判断为较强富水异常区。后通过打钻验证在该区域有大量出水，进而验证了瞬变电磁探测的准确性。
5 结语瞬变电磁法方法已被用于矿产勘探半个多世纪，目前已被广泛应用于勘探、工程和环境调查领域，调查深度可以从10 m～1 000 m不等。本文主要对瞬变电磁的作用原理、特点等进行了总结，并提出了其在富水区探测中的具体应用。
图2 巷道横向580 m～680 m顶板视电阻等值线断面
[1] 周韬,韩自豪.瞬变电磁法在煤矿水害防治中的应用[J].中国煤田地质,2014,16(2):44-46.
[2] 刘树才,刘志新.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,2015,34(4):414-417.
[3] 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，2017(4):341-344．
