大定源瞬變電磁法在鐵路采空區(qū)勘察中的應用

趙廣茂 周學明

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

1 概述

采空區(qū)對于鐵路建設及運營危害極大，尤其是中深部大型采空區(qū)，必須在鐵路勘察階段將采空區(qū)的埋深和邊界準確查明，才能保證鐵路的建設及運營安全。

中深部大型采空區(qū)的形成往往發(fā)生在大型及特大型的煤礦，機械化程度較高，采掘率在85%以上，開采面積大，采空區(qū)在重力和地層應力作用下，頂板塌落，形成冒落帶、裂隙帶和彎曲帶等，使得采空區(qū)被上層塌落的松散物充填而地球物理特征發(fā)生變化，往往采空區(qū)內(nèi)部充水，采空區(qū)會表現(xiàn)為低電阻率［1，2］。另一方面煤層下伏地層為灰?guī)r，采空區(qū)與下伏灰?guī)r相比，電阻率差異較大［3］。基于電阻率的差異可以采用電阻率方法進行采空區(qū)探測，在電阻率方法中以大定源瞬變電磁法最優(yōu)。瞬變電磁法具有對低阻體反映明顯、高密度時序采樣、分辨率較高、發(fā)射源及接收點采用不接地回線、不受地表接地條件限制等優(yōu)點。瞬變電磁法在上世紀30年代由前蘇聯(lián)科學家提出［1，4］，到 50～60年代才開始進入實用階段;在國內(nèi)，從70年代開始研究瞬變電磁法，但主要應用于金屬礦床探測，近年來逐漸用于煤田陷落柱的探測［5-9］。

2 大定源瞬變電磁法原理

瞬變電磁法(TEM)屬于時間域人工源電磁方法，是以大地中巖(礦)石的導電性和導磁性為物性前提，根據(jù)電磁感應原理觀測，研究電磁場空間和時間分布規(guī)律，以尋找地下異常體或解決相關地質問題的一種勘察方法。

瞬變電磁法測量導體內(nèi)渦流的過渡過程，觀測在脈沖間歇期間進行，不存在一次場源的干擾，觀測參數(shù)為純二次場，是電磁法中唯一可采用同點裝置的方法。探測目標耦合最緊，獲得的響應最強，因而異常更直接、探測效果更明顯、原始數(shù)據(jù)的保真度更高。

3 中深部采空區(qū)勘察應用

(1)測區(qū)地質及測線布置概況

測區(qū)位于吉林省通化市二道江區(qū)，線路基本位于渾江河谷階地區(qū)，沿渾江蜿蜒延伸，地勢中間低，兩側高，向西南方向緩傾，見圖1。主要出露地層為第四系、白堊系、二疊系鐵廠統(tǒng)、石炭二疊系大崗統(tǒng)、石炭系中統(tǒng)本溪組、奧陶系、寒武系、長城系等。

本工區(qū)含煤地層為古生代石炭－二疊系大崗統(tǒng)煤系、石炭系中統(tǒng)本溪組含煤層，埋深約200 m。古生代石炭－二疊系大崗統(tǒng)煤系一般厚10～68 m(局部變薄區(qū)僅為1～10 m)，主要由頁巖，砂巖，灰?guī)r等組成，一般含煤層3層，局部未發(fā)育煤層，一般不可采。石炭系中統(tǒng)本溪組含煤層一般厚20～90 m，主要有頁巖，砂巖，灰?guī)r等組成，含煤層2層，均為局部可采。

圖1 線路及工區(qū)位置

根據(jù)鐵路線位及煤礦位置，在煤礦與鐵路線之間與線路平行布置瞬變電磁法測線3條，以圈定采空區(qū)位置及埋深，從而判斷線路是否安全，布置見圖2，圖2中粉色線為瞬變電磁測線，紅色粗線為鐵路線位。

圖2 測線布置

(2)探測方法參數(shù)

瞬變電磁法采用大定源回線裝置，采集儀器為加拿大Geonics公司Protem系列瞬變電磁儀，如圖3所示，發(fā)射回線邊長一般取勘探深度的1～1.5倍，該區(qū)域勘探深度約為200～300 m，所以發(fā)射線框選擇300 m×300 m進行觀測。在中心位置1/2范圍內(nèi)觀測，點距10 m，線距50 m，發(fā)射頻率25 Hz，電流10 A，關斷時間160μs。

圖3 瞬變電磁數(shù)據(jù)采集設備(發(fā)射機、接收機)

圖4 TE－150測線瞬變電磁反演結果

圖5 煤層出露點現(xiàn)場照片

(3)勘探成果

如圖4可以看到淺層100 m范圍內(nèi)為河灘卵石以及第四系覆蓋層反映，下伏基巖起伏較大，基巖頂界面深度在200 m左右。

在測線650號點現(xiàn)場有開挖地基，有煤層出露，見圖5，在瞬變電磁反演結果圖中煤層對應顯示為低電阻率，因此，圖4中下部低電阻部分應為煤層反映，在175～275號點之間低電阻率部分下降，與兩側具有高差，深度為150～200 m，厚度約50 m，且下部為較高電阻率反映，巖性應為灰?guī)r，與煤系地層的形成規(guī)律相符，同時與調(diào)查深度及厚度一致，由此綜合判斷175～275號點150～200 m深度范圍內(nèi)為采空區(qū)段落，且從相鄰兩條測線的結果(見圖6和圖7)，可以得知該采空區(qū)為南北走向，從而判斷出鐵路線下可能存在采空的位置(如圖8所示)，可以有針對性的布置鉆探或其他手段去驗證鐵路線下是否存在采空區(qū)。

圖6 TE－200測線瞬變電磁反演結果

圖7 TE－100測線瞬變電磁反演結果

另外在650號點下部出現(xiàn)一局部高阻區(qū)域，同時北側為廢棄的斜井，該位置有可能是空氣洞穴，隨著測線的逐漸向南移動，高阻區(qū)域逐漸縮小，說明該空洞在北邊大、南邊小，采煤系從北向南。

圖8 勘察成果平面

4 結論

(1)在鐵路中深部采空區(qū)探測中，利用大定源瞬變電磁法可圈定采空區(qū)的位置、埋深、走向，為鐵路線位安全提供有效勘察資料。

(2)對于空氣洞穴，大定源瞬變電磁法具有一定的探測效果，所以在實際勘察過程中不能只關注低阻洞穴，同時要多測線綜合考慮高阻異常是否為空洞。

［1］薛國強．回線源瞬變電磁法對地成像方法研究［D］．西安:西安交通大學，2005

［2］李貅．瞬變電磁虛擬波場的三維曲面延拓成像研究［D］．西安:西安交通大學，2005

［3］李成友，劉洪福．多層采空區(qū)調(diào)查中瞬變電磁法的應用［J］．物探與化探，2007，31(增刊):108-110

［4］牛之璉．脈沖瞬變電磁法及應用［M］．長沙:中南工業(yè)大學出版社，1986

［5］苗曉岐．瞬變電磁法在包西鐵路小煤窯采空區(qū)勘察中的應用［J］．鐵道勘察，2011(4):40-42

［6］張曉勇．某小煤窯采空區(qū)地球物理勘探技術應用［J］．鐵道勘察，2011(4):61-64

［7］劉黎東，李志華，郝明．同精度重磁技術在鐵礦采空區(qū)勘察中的應用研究［J］．鐵道工程學報，2010(10):8-10

［8］楊宏智，呂小紅，王麗．瞬變電磁法在老煤礦采空區(qū)勘察中的應用［J］．中國地球物理，2011:774-775

［9］郭崇光，田衛(wèi)東．瞬變電磁法在山西采空區(qū)探測中的應用［J］．山西煤炭，2003(13):25