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摘要: 介绍了瞬变电磁法探测采空区的基本原理。根据采空区的地球物理特征，通过分析多道拟视电阻率断面图，可以准确的探测出采空区的位置。以门头沟采空区为例介绍了瞬变电磁技术在煤矿采空区的应用及取得良好的效果。
关键词：瞬间电磁法 煤矿采空区应用研究
中图分类号： X752 文献标识码： A 文章编号：
1 引言
煤矿采空区是引起地质灾害的主要原因之一，它不仅危害到人民的正常生活和生产，而且严重地影响到当地经济的可持续发展和社会稳定，给矿产资源的开采及水利水电、铁路、公路、输油（氣）管道等国家重大建设工程带来了灾难或经济损失。因此探测采空区就成了地质勘探的一个重要任务。瞬变电磁法以成本低、体积效应小、横向分辨率高、与探测目标体耦合性最佳等显著特点。目前被认为是探测煤矿采空区位置最佳物探方法之一[1] 。
2瞬变电磁法基本原理
瞬变电磁法（Transient Electromagnetic Method，简称TEM）是地球物理探测中最有效的电磁方法之一。其基本工作方法是：于地面或井下设置通以一定波形电流的发射线圈，从而在其周围空间产生一次磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电流。断电后，感应电流由于热损耗而随时间衰减。衰减过程一般分为早、中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小；而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征，见图1。
图1 TEM工作原理示意图
瞬变电磁法勘探的物理前提是采空区与岩层之间存在较大的电性差异[2] 。煤层赋存于成层分布的煤系地层中,煤层被开采后形成采空区,破坏了原有的应力平衡状态,电性发生明显的变化。不充水的空洞由于岩性疏松,导电性降低,在电性呈高阻异常,二次涡流场衰减快,产生的感应电动势较低,在瞬变电磁多道电压感应剖面图上表现“低电压异常”,在瞬变电磁拟视电阻率断面图上表现“高电阻异常”；充水采空区由于水是低阻体, 所以电性呈低阻异常, 二次涡流场衰减慢, 产生的感应电动势较高,在瞬变电磁多道电压感应剖面图上表现“高电压异常”, 在瞬变电磁拟视电阻率断面图上表现“低电阻异常”；瞬变电磁就是根据这种在电性上的差异来判断采空区的位置和类型[3]。
3 煤层采空区的地球物理特征
当地层完整，没有采空区或地质构造时，地层电性呈现出规律均一的响应特征，表现为电阻率等值线相对平滑，无剧烈的梯度变化。当煤层被采出后，在岩层内形成具有一定规模的空间，与围岩相比，采空区的电阻率为无穷大，若埋藏较浅，在电阻率断面图中，呈相对高阻反映，若埋藏相对较深，由于电法工作的体积效应，在电阻率断面图中，其相对高阻反应不甚明显，随着时间的推移，上覆岩层就会在重力的作用下逐渐断裂、塌陷，地下水就会侵入，由于地下水的流动性及电离作用，电阻率将呈现相对低阻的特征。对比区内地层的物性差异，寻找低阻异常区就可以圈定采空区的分布和划分含水范围。
4工程实例
4.1 地质概况
此次主要针对某工程北京门头沟段采空区进行勘探，依据区域资料，评价区内分布和揭露地层从老到新有：奥陶系马家沟组、石炭系太原组、石炭-二叠系山西组、二叠系石盒子组、二-三叠系双泉组、三叠系杏石口组、侏罗系南大岭组、窑坡组、龙门组和九龙山组、第四系。勘探区所处的京西煤田含煤地层主要为石炭系-二叠系岩层，史上又称“杨家屯煤系”，包括石炭系本溪组、上石炭系太原组、下二叠系山西组。区内地表出露的侏罗系地层含有数层不可采煤层，是当地居民土法开采的主要层位，小窑分布较多。从地质构造来说，勘探区处于燕山期九龙山向斜西扬起端和印支期下苇甸穹窿东南缘的交接处。总体构造形迹为南、北、西三面向东倾斜的簸箕型向斜构造，地层倾角25°～40°。
4.2参数设置
本次瞬变电磁法探测选用的仪器是美国ZONGE公司生产的GDP-32II多功能电法仪，采用中心回线框装置，100m×100m的方形4匝线框。采集数据的选择：发射频率为32Hz，发射电流大于11.5A，供电电压大于24V，延迟时间De=100μs。
4.3 资料处理
瞬变电磁数据处理采用仪器自带的处理软件。主要分为四步:原始数据的录入；数据处理, 包括数据编辑、数据滤波、均滑处理, 达到剔除畸变点, 测道圆滑；二次数据处理, 包括建立正、反演文件, 磁源初步反演、磁源正、反演等；成果图件的绘制, 包括瞬变电磁多道电压感应剖面图和瞬变电磁拟视电阻率断面图。
4.4资料解释原则
物探勘查资料的解释应结合已知的地质、钻探和水文等资料，遵循从已知到未知，从点到线，从线到面，从简单到复杂的原则进行分析推断，测区内试验线的实验结果可以作为全区数据处理及资料解释的重要依据。此外，在具体解释过程中，还需做到：
4.4.1人工解释与计算机解释相结合
以人工解释为基础、计算机人机联作解释为工具，由粗到细逐步进行。人工解释通过对主干剖面的解释，确定所对应的地质层位，勾绘地层总体赋存形态以及构造格局，为后期人机联作精细解释打下基础；而人机操作交互解释系统对于物探资料的解释具有特殊的优越性，是精细解释必不可少的工具。它能充分地利用人机界面对数据进行精细处理，具有保持追踪和彩显功能，从而大大提高对各种地质现象的分辨率。
4.4.2物探解释与地质资料和钻探结果相结合
由于受目前技术手段和技术水平的限制，所获得的各种原始信息及经过处理的探测成果数据等，均存在一定的局限性或片面性，成果还存在一定的多解性。但从地质规律而言，这些资料信息均存在着一定的内在联系。在物探资料解释的基础上，对煤矿勘探和生产中所获取巷探及采掘揭露的各种地质资料信息以及后期验证钻探资料，采用多种方法（如数理统计、地质统计、数学模拟等）进行综合、集成分析和处理，结合物探成果，运用地质理论进行综合地质分析，去粗取精，去伪存真，从中提取有用的地质信息，并通过建立特定的数学地质模型，总结和研究勘探区范围内的构造发育和煤层厚度变化等地质规律，反过来对物探勘查成果进行分析对比，进一步细化资料解释，得出符合地质规律的勘查结果，以提高成果的精度和可靠性。
本次勘查在搜集大量的地质资料的基础上，经过现场踏勘，结合试验线勘查结果推断：本区域内存在小窑采空区，且采空区内有积水赋存，电性断面上表现出明显的低阻，异常视电阻率小于100Ωm。以上原则可以作为本次勘查资料解释的重要依据。
根据以上解释原则，选取3线、4线为例，说明采空区的情况。3线走向北东65°，长300m，共布设瞬变电磁法测点16个，点距20m。在70～170、210～250点，均在高程670m～690m位置出现低阻异常，有些点的感应值突然有规律高起, 会产生假异常, 通常这是由于干扰引起的。见图2。结合已知的地质资料和实验数据对比，推测认为是煤层采空后，且采空区内有积水赋存形成的低阻区, 在加上地面裂隙, 结合地质综合推断上述位置应为含水的采空区及其影响带。
图23线瞬变电磁法视电阻率断面图
4线走向北东74°，长300m，共布设瞬变电磁法测点16个，点距20m。在40～90、190～250点，均在高程600m～630m位置出现低阻异常。结合已知的地质资料和实验数据对比综合推断上述位置应为含水的采空区及其影响带。
图34线瞬变电磁法视电阻率断面图
5结语
本文通过实例勘查分析，结合电阻率断面图，可以确定采空区的位置和类型, 由于该采空区的视电阻率较低，因此推测采空区为充水采空区。
在诸多方法里, 瞬变电磁法对煤矿采空区的探测具有独特的优势。为大型矿山矿开采以及水利水电、铁路、公路、输油（气）管道等国家重大工程建设提供有用可靠的地质资料，具有广泛的应用前景。随着人们进一步的研究发展，瞬变电磁技术在煤矿采矿区的应用一定会更完善、更广泛。
参考文献：
[1] 韩玉雪. 瞬变电磁激发极化效应的利用[J].工程地球物理学报,2006(5).
[2] 朴化荣. 电磁测深原理[M].北京: 地质出版社,1998.
[3] 夏双力. 瞬变电磁法在探测小窑采空区、陷落柱中的应用[ J].中国煤田地质,2006( 9).
[4]《地面瞬变电磁法技术规程》（DZ/T0187—1997.
[5]《京西煤田色树坟勘探区(王平村扩大井田)最终地质报告》，原京西矿务局，1966年.
作者简介：尚掩库（1986-），男，陕西咸阳人，汉族，在读硕士，地质工程专业，研究方向为区域稳定及岩体稳定。
关键词：瞬间电磁法 煤矿采空区应用研究
中图分类号： X752 文献标识码： A 文章编号：
1 引言
煤矿采空区是引起地质灾害的主要原因之一，它不仅危害到人民的正常生活和生产，而且严重地影响到当地经济的可持续发展和社会稳定，给矿产资源的开采及水利水电、铁路、公路、输油（氣）管道等国家重大建设工程带来了灾难或经济损失。因此探测采空区就成了地质勘探的一个重要任务。瞬变电磁法以成本低、体积效应小、横向分辨率高、与探测目标体耦合性最佳等显著特点。目前被认为是探测煤矿采空区位置最佳物探方法之一[1] 。
2瞬变电磁法基本原理
瞬变电磁法（Transient Electromagnetic Method，简称TEM）是地球物理探测中最有效的电磁方法之一。其基本工作方法是：于地面或井下设置通以一定波形电流的发射线圈，从而在其周围空间产生一次磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电流。断电后，感应电流由于热损耗而随时间衰减。衰减过程一般分为早、中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小；而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征，见图1。
图1 TEM工作原理示意图
瞬变电磁法勘探的物理前提是采空区与岩层之间存在较大的电性差异[2] 。煤层赋存于成层分布的煤系地层中,煤层被开采后形成采空区,破坏了原有的应力平衡状态,电性发生明显的变化。不充水的空洞由于岩性疏松,导电性降低,在电性呈高阻异常,二次涡流场衰减快,产生的感应电动势较低,在瞬变电磁多道电压感应剖面图上表现“低电压异常”,在瞬变电磁拟视电阻率断面图上表现“高电阻异常”；充水采空区由于水是低阻体, 所以电性呈低阻异常, 二次涡流场衰减慢, 产生的感应电动势较高,在瞬变电磁多道电压感应剖面图上表现“高电压异常”, 在瞬变电磁拟视电阻率断面图上表现“低电阻异常”；瞬变电磁就是根据这种在电性上的差异来判断采空区的位置和类型[3]。
3 煤层采空区的地球物理特征
当地层完整，没有采空区或地质构造时，地层电性呈现出规律均一的响应特征，表现为电阻率等值线相对平滑，无剧烈的梯度变化。当煤层被采出后，在岩层内形成具有一定规模的空间，与围岩相比，采空区的电阻率为无穷大，若埋藏较浅，在电阻率断面图中，呈相对高阻反映，若埋藏相对较深，由于电法工作的体积效应，在电阻率断面图中，其相对高阻反应不甚明显，随着时间的推移，上覆岩层就会在重力的作用下逐渐断裂、塌陷，地下水就会侵入，由于地下水的流动性及电离作用，电阻率将呈现相对低阻的特征。对比区内地层的物性差异，寻找低阻异常区就可以圈定采空区的分布和划分含水范围。
4工程实例
4.1 地质概况
此次主要针对某工程北京门头沟段采空区进行勘探，依据区域资料，评价区内分布和揭露地层从老到新有：奥陶系马家沟组、石炭系太原组、石炭-二叠系山西组、二叠系石盒子组、二-三叠系双泉组、三叠系杏石口组、侏罗系南大岭组、窑坡组、龙门组和九龙山组、第四系。勘探区所处的京西煤田含煤地层主要为石炭系-二叠系岩层，史上又称“杨家屯煤系”，包括石炭系本溪组、上石炭系太原组、下二叠系山西组。区内地表出露的侏罗系地层含有数层不可采煤层，是当地居民土法开采的主要层位，小窑分布较多。从地质构造来说，勘探区处于燕山期九龙山向斜西扬起端和印支期下苇甸穹窿东南缘的交接处。总体构造形迹为南、北、西三面向东倾斜的簸箕型向斜构造，地层倾角25°～40°。
4.2参数设置
本次瞬变电磁法探测选用的仪器是美国ZONGE公司生产的GDP-32II多功能电法仪，采用中心回线框装置，100m×100m的方形4匝线框。采集数据的选择：发射频率为32Hz，发射电流大于11.5A，供电电压大于24V，延迟时间De=100μs。
4.3 资料处理
瞬变电磁数据处理采用仪器自带的处理软件。主要分为四步:原始数据的录入；数据处理, 包括数据编辑、数据滤波、均滑处理, 达到剔除畸变点, 测道圆滑；二次数据处理, 包括建立正、反演文件, 磁源初步反演、磁源正、反演等；成果图件的绘制, 包括瞬变电磁多道电压感应剖面图和瞬变电磁拟视电阻率断面图。
4.4资料解释原则
物探勘查资料的解释应结合已知的地质、钻探和水文等资料，遵循从已知到未知，从点到线，从线到面，从简单到复杂的原则进行分析推断，测区内试验线的实验结果可以作为全区数据处理及资料解释的重要依据。此外，在具体解释过程中，还需做到：
4.4.1人工解释与计算机解释相结合
以人工解释为基础、计算机人机联作解释为工具，由粗到细逐步进行。人工解释通过对主干剖面的解释，确定所对应的地质层位，勾绘地层总体赋存形态以及构造格局，为后期人机联作精细解释打下基础；而人机操作交互解释系统对于物探资料的解释具有特殊的优越性，是精细解释必不可少的工具。它能充分地利用人机界面对数据进行精细处理，具有保持追踪和彩显功能，从而大大提高对各种地质现象的分辨率。
4.4.2物探解释与地质资料和钻探结果相结合
由于受目前技术手段和技术水平的限制，所获得的各种原始信息及经过处理的探测成果数据等，均存在一定的局限性或片面性，成果还存在一定的多解性。但从地质规律而言，这些资料信息均存在着一定的内在联系。在物探资料解释的基础上，对煤矿勘探和生产中所获取巷探及采掘揭露的各种地质资料信息以及后期验证钻探资料，采用多种方法（如数理统计、地质统计、数学模拟等）进行综合、集成分析和处理，结合物探成果，运用地质理论进行综合地质分析，去粗取精，去伪存真，从中提取有用的地质信息，并通过建立特定的数学地质模型，总结和研究勘探区范围内的构造发育和煤层厚度变化等地质规律，反过来对物探勘查成果进行分析对比，进一步细化资料解释，得出符合地质规律的勘查结果，以提高成果的精度和可靠性。
本次勘查在搜集大量的地质资料的基础上，经过现场踏勘，结合试验线勘查结果推断：本区域内存在小窑采空区，且采空区内有积水赋存，电性断面上表现出明显的低阻，异常视电阻率小于100Ωm。以上原则可以作为本次勘查资料解释的重要依据。
根据以上解释原则，选取3线、4线为例，说明采空区的情况。3线走向北东65°，长300m，共布设瞬变电磁法测点16个，点距20m。在70～170、210～250点，均在高程670m～690m位置出现低阻异常，有些点的感应值突然有规律高起, 会产生假异常, 通常这是由于干扰引起的。见图2。结合已知的地质资料和实验数据对比，推测认为是煤层采空后，且采空区内有积水赋存形成的低阻区, 在加上地面裂隙, 结合地质综合推断上述位置应为含水的采空区及其影响带。
图23线瞬变电磁法视电阻率断面图
4线走向北东74°，长300m，共布设瞬变电磁法测点16个，点距20m。在40～90、190～250点，均在高程600m～630m位置出现低阻异常。结合已知的地质资料和实验数据对比综合推断上述位置应为含水的采空区及其影响带。
图34线瞬变电磁法视电阻率断面图
5结语
本文通过实例勘查分析，结合电阻率断面图，可以确定采空区的位置和类型, 由于该采空区的视电阻率较低，因此推测采空区为充水采空区。
在诸多方法里, 瞬变电磁法对煤矿采空区的探测具有独特的优势。为大型矿山矿开采以及水利水电、铁路、公路、输油（气）管道等国家重大工程建设提供有用可靠的地质资料，具有广泛的应用前景。随着人们进一步的研究发展，瞬变电磁技术在煤矿采矿区的应用一定会更完善、更广泛。
参考文献：
[1] 韩玉雪. 瞬变电磁激发极化效应的利用[J].工程地球物理学报,2006(5).
[2] 朴化荣. 电磁测深原理[M].北京: 地质出版社,1998.
[3] 夏双力. 瞬变电磁法在探测小窑采空区、陷落柱中的应用[ J].中国煤田地质,2006( 9).
[4]《地面瞬变电磁法技术规程》（DZ/T0187—1997.
[5]《京西煤田色树坟勘探区(王平村扩大井田)最终地质报告》，原京西矿务局，1966年.
作者简介：尚掩库（1986-），男，陕西咸阳人，汉族，在读硕士，地质工程专业，研究方向为区域稳定及岩体稳定。