CN113281812A - 一种小窖采空区瞬变电磁探测方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种小窖采空区瞬变电磁探测方法，包括如下步骤：根据测区的地质与地球物理信息，建立不同的地球物理数值模型，对地球物理数值模型进行正演模拟得到不同参数下的瞬变电磁响应特征；根据模拟结果确定测区的探测参数；在测区中的典型测点进行探测试验，确定采集参数；根据采集参数确定测区的测线分布情况，探测各测线反馈回的瞬变反馈电磁波；对各测线的反馈电磁波进行反演解析，得到每一测线的反演电阻率及深度数据；确定小窖采空区内的低阻异常区和采空异常区；确定小窖采空区的边界位置。通过本发明的上述方案，能够得到准确的小窖采空区的区域划分结果。

Description

一种小窖采空区瞬变电磁探测方法

技术领域

本申请属于地质勘探瞬变电磁探测方法技术领域，尤其涉及一种小窖采空区瞬变电磁探测方法。

背景技术

煤矿采空区的有效探测一直是业界难以攻克的技术难题。由于小窖采空区形成年代、埋藏深度、空间结构、围岩条件、冒落、充填和积水等情况不同，小窖采空区的物性反应呈现出很大的差别性，当地下煤层被采空后，稳定的煤系地层遭破坏，岩石间裂隙增大，围岩变得松散，表现出相对高阻的特征。但同时，小窖采空塌陷区还形成了良好的富水及导水区域，若有外部水源补给造成采空区充水，则会表现出低阻特性。如此，导致探测结果难以解释。

目前，探测采空区主要分为地震类方法和电磁类方法。地震类方法是基于采空区与围岩的速度差异，电磁类方法是基于采空区与围岩的电性差异。地震勘探是利用地层和岩石的弹性差异来探测地质构造、寻找有用矿产资源的重要地球物理勘测方法。地震波在传播过程中，当遇到弹性分界面时将产生反射、折射和绕射等现象，接收地震波的性质及收发方式的不同形成了不同的地震勘探方法。地震类方法虽然在采空区探测中已经得到广泛的应用，但是由于小窖采空区的特殊性，目前仍然没有一套体系化的方法解决小窖采空区精细化探测问题。

发明内容

本申请旨在提供一种小窖采空区瞬变电磁探测方法，以瞬变电磁探测方法为主对小窖采空区进行探测，以解决现有技术中小窖采空区探测结果准确性较低的问题。

针对上述技术问题，本申请一些实施例中提供一种小窖采空区瞬变电磁探测方法，包括如下步骤：

数据模拟步骤，根据测区的地质与地球物理信息，建立不同的地球物理数值模型，对地球物理数值模型进行正演模拟得到不同参数下的瞬变电磁响应特征；根据模拟结果确定测区的探测参数；

数据试验步骤，在测区中的典型测点进行探测试验，对所选择的探测参数进行验证，根据验证结果确定采集参数；

数据采集步骤，根据采集参数确定测区的测线分布情况，向测区的各条测线发射瞬变电磁波，并探测各测线反馈回的瞬变反馈电磁波；

数据处理步骤，对各测线的反馈电磁波进行反演解析，根据反演解析结果得到每一测线的反演电阻率及深度数据；根据每一测线的反演电阻率及深度数据，确定小窖采空区内的低阻异常区和采空异常区；根据低阻异常区和采空异常区，结合地质与地球物理信息，确定小窖采空区的边界位置。

本申请的技术方案相对现有技术具有如下技术效果：通过瞬变电磁正演计算，获得测区采空区瞬变电磁响应特征。结合正演结果，进一步采用最新的二维约束反演技术对信息进行精细化处理，以更精确地划定采空区范围。在正式执行数据采集工作前，首先进行观测参数试验，通过试验优选出观测参数。在完成数据采集之后，对于采集结果，从煤矿采空区的基本特征出发，对采空区的地球物理特征进行详细的分析，最终选择适当的探测方法对测区进行探测。首先对测区进行瞬变电磁法扫面，对瞬变电磁异常区进行高密度电法验证，并结合三维反射地震对采空区的空间分布情况进行详细的圈定。采用本申请中的方法，对于埋深小于100m且煤层厚度小于10m的缓倾煤层条件下的采空区，这种物探方法组合效果最为显著。通过本发明的上述方案，能够得到准确的小窖采空区的区域划分结果。

附图说明

下面将通过附图详细描述本申请中优选实施例，将有助于理解本申请的目的和优点，其中:

图1为本发明一个实施例所述小窖采空区瞬变电磁探测方法的流程图；

图2为本发明一个实施例所述的一维层状模型示意图；

图3为本发明一个实施例所述的煤系地层分别为煤层、低阻采空(充水)、高阻采空(充空气)时的一维模拟结果示意图；

图4为本发明一个实施例所述煤系地层为低阻(充水)和高阻(充空气)采空时与原煤地层响应之间的相对误差示意图；

图5(a)和5(b)为本发明一个实施例所述的盖层厚度不同时低阻和高阻采空模型计算结果，其中图5(a)为低阻采空模型(充水)计算结果，图5(b)为高阻采空模型(充空气)计算结果；

图6(a)和6(b)为本发明一个实施例所述采空区厚度不同时低阻和高阻采空模型计算结果，其中图6(a)为低阻采空模型计算结果，图6(b)为高阻采空模型计算结果；

图7为本发明一个实施例的三维采空区模型；

图8(a)和8(b)为根据图7所示的三维采空模型正演多测道响应示意图，其中图 8(a)对应低阻采空模型，图8(b)对应高阻采空模型；

图9为本发明一个实施例的试验工作装置示意图；

图10为本发明一个实施例的不同叠加次数观测曲线；

图11为本发明一个实施例的三个试验点观测曲线；

图12(a)、(b)和(c)为本发明实施例的A区代表性测线电阻率-深度断面图，其中附图12(a)、(b)和(c)分别为8线，38线和58线电阻率-深度断面图；

图13(a)和(b)为本发明实施例的B区测线电阻率-深度断面图，其中附图13(a) 和(b)分别为B1区和B2区测线电阻率-深度断面图；

图14(a)、(b)、(c)为本发明实施例的A区代表性测线相对异常断面图，其中图14(a)、(b)、(c)分别为8线，38线和58线相对异常断面图；

图15(a)和(b)为本发明实施例的B区代表性测线相对异常断面图，其中图15(a)和(b)分别为B1线和B2线相对异常断面图；

图16(a)、(b)和(c)为本发明实施例的A区不同深度电阻率等值线平面图，其中图16(a)、(b)和(c)分别为A区30m深度电阻率等值线平面图、A区60m深度电阻率等值线平面图和A区90m深度电阻率等值线平面图；

图17(a)、(b)和(c)为本发明实施例的A区不同深度相对异常平面图，其中图17(a)、(b)和(c)分别为A区30m深度相对异常平面图、A区60m深度相对异常平面图和 A区90m深度相对异常平面图。

图18为本发明实施例的A区低阻采空分布图；

图19为本发明实施例的A区高阻采空分布图；

图20为本发明实施例的A区采空区分布图；

图21为本发明实施例的B区采空区分布图。

具体实施方式

下面所描述的本申请不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本申请实施例提供一种小窖采空区瞬变电磁探测方法，如图1所示，包括以下步骤：

S101：数据模拟步骤，根据测区的地质与地球物理信息，建立不同的地球物理数值模型，对地球物理数值模型进行正演模拟得到不同参数下的瞬变电磁响应特征；根据模拟结果确定测区的探测参数。

S102：数据试验步骤，在测区中的典型测点进行探测试验，对所选择的探测参数进行验证，根据验证结果确定采集参数。

S103：数据采集步骤，根据采集参数确定测区的测线分布情况，向测区的各条测线发射瞬变电磁波，并探测各测线反馈回的瞬变反馈电磁波。

S104：数据处理步骤，对各测线的反馈电磁波进行反演解析，根据反演解析结果得到每一测线的反演电阻率及深度数据；根据每一测线的反演电阻率及深度数据，确定小窖采空区内的低阻异常区和采空异常区；根据低阻异常区和采空异常区，结合地质与地球物理信息，确定小窖采空区的边界位置。

以上实施例中的方案，通过瞬变电磁正演计算，获得测区采空区瞬变电磁响应特征。结合正演结果，进一步采用最新的二维约束反演技术对信息进行精细化处理，以更精确地划定采空区范围。在正式执行数据采集工作前，首先进行观测参数试验，通过试验优选出观测参数。在完成数据采集之后，对于采集结果，从煤矿采空区的基本特征出发，对采空区的地球物理特征进行详细的分析，最终选择适当的探测方法对测区进行探测。首先对测区进行瞬变电磁法扫面，对瞬变电磁异常区进行高密度电法验证，并结合三维反射地震对采空区的空间分布情况进行详细的圈定。采用本申请中的方法，对于埋深小于100m且煤层厚度小于10m的缓倾煤层条件下的采空区，这种物探方法组合效果最为显著。通过本发明的上述方案，能够得到准确的小窖采空区的区域划分结果。

以上方案中，数据模拟的步骤包括：进行正式的数据采集之前，根据测区的地质与地球物理信息，建立不同的地球物理数值模型，利用数值模拟方法进行正演模拟，并分析数值计算结果，从而确定有效的探测方法、选择合适观测参数，其中，数值模拟方法包括通过一维正演模拟和三维正演，模拟不同参数下的瞬变电磁响应特征。

以上方案中，数据试验的步骤包括：在正式数据采集之前，在测区典型测点进行观测试验，从而验证方法的有效性并确定最优的采集参数，数据试验的试验点选择地质情况已知、干扰较小的区域。

以上方案中，数据采集过程包括以下部分：

3.1.瞬变电磁仪器的设置。本实施例中可采用澳大利亚产的Terra TEM瞬变电磁仪，探头选用国产TEM-7K磁探头。Terra TEM是一款先进的瞬变电磁仪，有一个凸形的紧凑包装，提供一定范围的测量功能。由于安装了中型动力发射机和高速数字仪，Terra TEM具备了探测从浅层高阻岩体到深层矿物目标体的能力。大型触摸屏和直觉菜单使Terra TEM成为用户良好界面的瞬变电磁系统。可选择的附件进一步增强了系统的性能，能够对及时采集的数据进行缩减、处理和可视化。系统为工作人员和细微的时空差异提供及时的质量控制反馈。

3.2.控制机的设置。控制台包括奔腾3处理器，带触摸屏的15英寸的超薄液晶显示器，输出能量为10A的瞬变电磁发射机，带固定增益的瞬变电磁接收机，其内置的系统可以检测电路和一到三个流量通道，接收通道在采样的同时，采用固定的500kHz、16位的 A/D转换。内置的GPS模块可供选择使用，处理器芯片包含低耗的奔腾系列处理器，具有 1GB的储存芯片。

3.3.显示器的设置。超薄显示器是高亮度显示设备，能在日光下很好的使用，可通过显示器下方的按钮调节亮度，关上盖子时，其内置开关能关闭显示器以及节省电量，如果需要，用户可以用手关掉显示器，使用高亮度触摸按钮，在显示器直接反射太阳光时，其能见度会降低。

3.4.触膜屏的设置：可通过触摸屏界面快速设置和获取(参数)，并可使用大量选项来调整和管理系统参数，而不需繁琐的嵌套菜单。只需要二到三次触摸操作就可(设置)大部分参数。只允许使用手指来操作屏幕，绝不能使用诸如笔、起子等坚硬物体来操作，否则将严重伤害屏幕，减少其使用寿命，降低显示屏的能见度；

3.5.图形用户界面的设置。图形用户界面使用人性化设计，只有在用户快速纵览重要参数，并想保持界面整洁时，才用表格和弹出菜单，用户将重要的系统参数一直设置成可见。

3.6.GPS的设置。内置GPS是可选择使用，安装在底盒顶部，带有12个通道的有源天线，通过专门的菜单进入GPS程序，查看与GPS系统相关的各个部分，如卫星空间分布， NMEA流量等。GPS开机后，系统需要2-5分钟进行初始化以确定位置，则GPS进入动态模式；关闭盖子将接收不到GPS数据；获取的参数是世界各地的经纬度。

3.7.发射机的设置；在周期为一秒的时间内，发射机规定的输出功率是24V/10A，关断时间针对于电流的环路自感效应，是固定并可以检测的，电路内部的短路保护可以使发射机停止工作，并向操作人员报警，可以使用大功率发射机，它的关断时间比前层勘探短，比发射机的环路自感快2.5倍，用户还可以通过扩展包选择最合适的电流。

3.8.接收机的设置；接收机的输入信号来自单匝线圈感应或多线圈放大。接收机所要求的有效功率是12V/120mA，各个接收信道都是独立的，有单独的存储地址，可以设置不同的增益，根据环境的需要，可选择是否使用尼奎斯特滤波，但无法对单个信道设置尼奎斯特滤波。

3.9.设置磁探头的最佳谐振频率和感应强度，设置系统中的数据采集部分以及信号传输系统和中央控制台，并将三者连接。在7.2k时磁探头具有最佳谐振的感应数值，感应强度最大。相对应的地下相同的信号的接收的效果越好，强度也越大。因此，为了达到探测深度，采用7K探头进行接收装置。

3.10.将以上设备连接为系统后数据采集部分通过信号传输系统将接收到的电磁信号传递给中央总控制台，完成数据的采集工作。

系统采用直接接入联接端的方式，可按规定绘制稳定的瞬态衰减曲线。用户可以以此来检测系统的功能，评价增益的功效及尼奎斯特滤波的设置是否恰当；接收线圈通以很小的电流就可以测量线圈的电阻，线圈的最大电阻为100欧。当系统关闭时，保护电路断开连接器和放大器，来保护系统。除了接收信号外，接收电路还可以检测到其他的系统重要参数，包括内部温度、电池电压，并在系统处于异常状态时，提示用户；接收装置采用磁棒代替空心线圈。当用磁探头代替接收回线时，往往数据处理后的探测深度会变大，而且随着探头型号的变化，由250k-70k-18k-7k探测的深度不断地增大，这是和不同型号的磁探头的接收面积是相关的，这四种探头的接收的有效面积分别为200m²，2000m²，10000m²， 40000m²。接收面积越大，接收到的信号的强度越大，信噪比将会越大，使得深部信号的处理解释成为可能。同时，探头的型号代表着该探头的谐振频率，TEM-7K磁探头是谐振频率最低的磁探头，其谐振频率仅为7KHz，最高线性频率约为4KHz，磁探头的幅频特征曲线在双对数坐标纸上低于谐振点的频段非常接近45°线性上升特征。

以上方案中，数据处理过程包括：

4.1.对经预处理后的每条测线的所有数据进行拟二维反演，获得反演电阻率及深度数据，并绘制各条测线的电阻率-深度拟断面图，对测区一定深度内的电性结构做出刻画。

4.2.根据反演结果得知测区内整体电性差异较小，直接根据电阻率值划分采空异常区难度较大，为此取每条测线相同深度处电阻率的平均值，然后求各条测线对应深度处反演电阻率与该深度平均电阻率的相对误差，并绘制相对异常图，定量圈定低阻异常区。

4.3.按照5米深度间隔，绘制110米深度范围内的视电阻率平面等值线图和相对异常图，在平面位置上圈定采空异常区域。

4.4.根据电阻率及相对异常的断面图和平面图，并结合地质信息及现场踏勘进行联合分析，确定采空区边界位置，并给出钻孔的指导位置。

其中，在数据模拟步骤中，一维正演模拟的正演方法包括：

在非零偏移情况下，回线源产生的频率域垂直磁场感应强度分量为：

由此可见，一维层状介质下，在非零偏情况下，回线源垂直磁场响应表示为一双重积分，其中内层积分为双重贝塞尔函数积分，外层为余弦积分，式(1)中的积分核

随λ增加而单调增加，因此对式(1)汉克尔变换中，要求有很多滤波系数和褶积计算次数，影响了计算速度。为了保证上式积分的收敛速度和减少褶积计算次数，将积分核形变为

于是汉克尔变换式变为:

由于

随λ增加表现为有限宽度的单峰曲线，故计算时只需在积分核不为零的有限宽度内进行褶积计算，可大大减少滤波系数和褶积次数，提高计算速度；同时为了进一步提高计算速度，将三次样条插值函数引入到计算中，即先用线性数字滤波法计算出足够数量的BZ(b)，然后利用三次样条插值函数法求出所需的核函数值，以此来代替线性数学滤波法直接计算核函数BZ(b)，这就大大加快了计算速度。

得到频率域响应后，利用傅氏变换可得到时间域响应：

一维正演模拟的模拟结果为：

测区地质与钻孔信息揭示，该区煤层埋藏较浅且地质情况简单。可建立如图2所示简化的一维层状模型。其中，ρ1为围岩(背景)电阻率，值设定为100Ω.m；h1为盖层厚度，取值根据不同情况变化；ρ2和h2代表煤系地层的电阻率和厚度，其取值会根据该层分别为煤层、低阻采空(充水)和高阻采空(充空气)不同情况变化。依据以往经验和测区整体电阻率水平，同时考虑工作效率与探测效果，我们采用300m×300m的中心回线装置进行模拟，电流取归一后的值(1A)，计算时间范围0.006ms～20ms，包含40个时间窗口。

首先分析煤系地层不同情况下的响应特性，此时设定盖层厚度h1＝50m，煤系地层厚度h2＝20m，煤系地层为煤层、低阻采空(充水)、高阻采空(充空气)时的电阻率分别为ρ2＝1000Ω.m、10Ω.m和10000Ω.m。计算结果如3所示，可以看出，低阻采空的衰减曲线与未采的煤系地层出现显著差别，而高阻采空与之的差别则非常微小。这与回线源的垂直磁场分量对高阻地层不灵敏有关。为更好地定量分析两种采空情况与原始含煤地层信号之间的差异，我们将两者与含煤地层的相对异常曲线绘制如图4所示，可以看出低阻采空区与原煤地层响应之间的最大相对误差可以达到300％多，而高阻采空区的最大值仅为4％左右。这表明，在野外实际探测时，对于低阻采空区，瞬变电磁法可以较为容易的识别出，而对于高阻采空区则很难实现有效探测。

接下来研究盖层厚度不同对模拟结果的影响。根据测区信息，主采煤层(12煤)的埋藏深度范围在20-80m之间，以20m间距分别模拟了不同盖层厚度时低阻采空和高阻采空情况下的响应，其他参数与之前一致，结果如图5(a)和图5(b)所示。可以看出，不同厚度模型的响应曲线在早期会表现出较大的不同，尤其是低阻采空模型，这表明对于不同埋深的采空区该探测装置可以获得对应的响应特征。

最后，针对采空区尺寸问题，模拟了不同采空区厚度情况下的响应特征。此时，固定煤系顶界面埋藏深度为50米，考虑采空区厚度分别5米、10米、20米、25米、30米五种情况，其他参数保持不变，计算结果如图6(a)和图6(b)所示。数值结果表明，采空区厚度的变化同样会对响应带来较大影响，且对低阻采空区的影响更为明显。

以上方案中的三维正演模拟的正演方法包括：

地下电性结构实际上是三维的，建立采空区地质-地球物理三维模型并进行三维正演模拟，可以获得更接近野外实际观测的信号。时域有限差分法是瞬变电磁场数值模拟的主要方法，近年来在瞬变电磁场模拟方面得到了广泛的应用。在瞬变电磁场计算中采用的是准静态条件下的麦克斯韦方程：

其中：B为磁感应强度，E为电场强度，H为磁场强度，σ为介质电导率，γ为虚拟介电常数。

在发射源所在区域，方程(5)需要被修改为

其中J_s为源电流密度。

将式(4)-(6)进行差分离散即可得到无源和有源区域的电磁场差分方程。

模拟结果：

设计如图7所示的三维采空区模型，模型中围岩地层的电阻率为100Ω.m，盖层厚度为50m，煤层的电阻率为500Ω.m，厚度为5m，在煤系地层中存在一个采空区，其尺寸固定为20×20×5m(长宽高)。通过改变采空区的电阻率值分别研究低阻和高阻采空异常时瞬变电磁三维响应的特征。

设低阻采空区的电阻率为10Ω.m，高阻采空区的电阻率为10000Ω.m。对两种模型进行三维正演，获得如图8(a)和图8(b)所示的多测道响应剖面。

另外，以上方案中，数据试验步骤包括：

在正式数据采集之前，需要在测区典型测点进行观测试验，其主要目的是验证方法的有效性并确定最优的采集参数。试验点应选择地质情况已知、干扰较小的区域。根据已有钻孔揭示情况，本实施例在某区选择一处试验区域，区内存在钻孔已验证的采空区，坐标为(484060.5，5473735.3)。以该点为中心，布设300×300m的发射线框，在框内中心区域观测三个测点的响应，如图9所示。三个测点东西向展布，间距为20m，其中S2为已验证的采空区域(充水)，S1和S3为未采空区域。

瞬变电磁的采集参数主要包括：发射源尺寸、发射电压、发射电流强度、观测时间范围(发射基频)、叠加次数和探头有效面积。结合前述正演模拟结论，发射源尺寸选择300×300m，可满足探测需求，且能较好地兼顾施工效率和探测效果。探头选择7k型号，其有效面积为40000㎡。Terra TEM仪器额定发射电压为24V，则发射电流强度可根据线阻情况得到确定。本次发射线框采用6mm²的多芯铜线，其电阻率水平约为0.4Ω.m/100m，则发射源的整体电阻率约为4.8Ω.m，因此发射电流强度约为5A。需要重点确定的两个参数是发射基频和叠加次数。发射基频决定了二次场信号的衰减时间范围，从而决定了探测深度的范围。叠加次数则关系到信号质量和工作效率，在满足信号光滑度的前提下，尽量减小叠加次数可确保较高的测量效率。

综上，在试验工作中主要针对发射基频和叠加次数这两个参数进行选择研究。根据中心回线装置的探测深度估算公式

(t单位为ms)，可估算最晚时间道为 t＝d²/500ρ。测区内采空区埋藏深度较浅，目标探测深度不超过100m。但为更好地刻画深部电性结构，取最大探测深度为200米。公式中的电阻率需采用测区200米深度范围内的平均电阻率值。根据已有信息，设置平均电阻率的极小值和极大值分别为5Ω.m和500Ω.m。则根据上述参数，可估算在极低和极高电阻率水平时，达到200米探测深度所需的最晚时间道分别为16ms和0.16ms。因此，为保证任何电性条件下，探测深度都能够满足要求，实际工作中的最晚观测延时不能晚于16ms。根据Terra TEM内置时间序列，选择的发射基频为12.5Hz，此时最晚时间道为20ms。

测区内整体干扰水平较低，部分测点处存在高压电线和正在施工的钻机。在无明显干扰区域，叠加次数选择128次，即可获得较好的衰减曲线。此时，再增加叠加次数，对数据质量的提高无明显作用。如图10为S1测点分别采用128次、256次和512次叠加次数时的观测曲线。可以看出，随着叠加次数的增加，观测信号并未发生明显的改善。因此，为了保证测量效率，在工作时主要采用128次的叠加次数，在干扰较为严重的测点处或观测曲线出现较大震荡时，再适当增加叠加次数。

至此，野外数据采集的参数已全部确定，总结如下：工作装置：中心回线，发射源尺寸：300m×300m，发射电压：24V，发射电流：5A，发射基频：12.5Hz，叠加次数：128次，探头有效面积：40000m²。

按照上述采集参数，依次采集到三个试验点的信号，如图11所示。可以看出，存在低阻采空区的S2测点的曲线与其他两个不存在采空的测点的曲线表现出明显不同。低阻采空区使得S2测点的响应幅值明显增强。因此，试验工作表明瞬变电磁探测在选定的工作参数下，可以有效地识别采空区。

本实施例中，数据采集步骤中，在测区A域内共布置中心回线瞬变电磁测线63条、重叠回线测线2条，在测区B域内布设中心回线和重叠回线瞬变电磁测线各1条，具体工作布置如实际材料图3-21所示。本次探测过程：中心回线瞬变电磁测线64条，剖面总长 47740m，物理点2447个，质量检查点141个，试验点30个，合计物理点2618个；重叠回线瞬变电磁法剖面3条，剖面总长4360m，测点221个，质量检查点13个，试验点10个，合计物理点244个。

具体地，数据处理包括如前所述步骤4.1-4.4四个步骤，下面逐一对本实施例的以上四个步骤进行说明。

1、视电阻率-深度剖面解释

首先，对所有测线的数据进行拟二维反演，得到电阻率-深度数据，并绘制断面图。反演采用OCCAM法，最大深度取110米，共分22层，每层厚度固定为5米。因测线数量较多，故在此仅选择几条代表性的测线剖面结果进行分析。

在工作区A1、A2和A3内分别选择8线、38线和58线进行分析，反演结果如图12- 15所示。从电阻率-深度断面可以看出，三条测线所揭示的电性结构在110m深度范围内，大致都表现出中高-低-高-低的变化趋势。其中30m以浅的中高阻(电阻率35～45Ω.m)层推测与地表的全新统地层及回填土有关；30～50米深度范围内存在一个低阻层(电阻率 20～30Ω.m)，推测为第四系沉积层反映；测线在深度50～90m范围内电阻率整体较高，这是煤系地层的显示；当深度大于90m后，地层电阻率变得非常低，仅为10Ω.m左右，推测与煤系下伏地层中的低阻泥岩、砂岩有关。

根据前述分析，煤层被开采后会破坏煤系地层的完整度，若采空区保持相对稳定的空间形态，且没有充水，则在电性特征上表现为相对高阻异常；若采空区充水，则造成电阻率显著下降，表现出相对低阻异常。但由于瞬变电磁法对高阻目标体的探测灵敏度较低，难以获得准确的相对高阻异常。因此，我们在这仅关注低阻异常区域。依据此原则，分析以上三条线在煤层深度范围内的电性特征，可以大致圈定8线的0～120、360～400、520～620、620～680号测点，38线的60～100号点区域，58线的40～100，560～700号点区域，电阻率出现了明显的横向不连续性，存在多处低阻隔断。这些电阻率异常区域可能与地下富水采空区有关。但是，由于测区电性差异整体较小，加上电阻率数据差值带来的平均效应，使得仅依靠电阻率的幅值变化，很难准确地圈定异常区域。如图12所示为A区代表性测线电阻率-深度断面图，分别为8线，38线和58线电阻率-深度断面图。附图13为B区两条测线B1和B2的反演结果。其中B1为传送带北侧测线，B2为南侧测线。可以看出，两侧测线反演结果基本一致，电性特征表现出高-低-高的变化趋势。但该区两条测线的电阻率整体偏低，与A区结构存在较大差别。这很有可能是因为测点靠近传送带所致。金属的低阻传送带造成信号衰减变慢，响应值升高，使得反演电阻率整体偏低。因此这两条线反演结果中的深度和电阻率值并不可靠。但是，可以从电性结构在横向上的变化进行解释。很明显，这两条线的电阻率在横向上出现较多的突变，这揭示地下地层的稳定性可能已经遭到破坏，形成了较大面积的采空区域。

图12(a)、图12(b)、图12(c)和图13(a)、图13(b)是针对典型测线的电阻率 -深度断面图的解释。其他测线的解释可以参照上述准则进行，所有测线断面图可参见附图。可以看出，从电阻率-深度断面图中，,仅能获得地层电阻率在纵向和横向的变化趋势，但很难准确识别出采空异常区。因此，接下来我们采用相对异常的概念进行采空区识别与圈定。

2、相对异常断面图解释

地质和钻孔信息显示，本区地层分布稳定、倾角平缓，因此可以假定在整个测区内的某一固定深度处，地层的电阻率趋于某一稳定值。而当该深度存在采空区时，电阻率会出现一定范围的升高或者降低。由此，可以利用相对异常的概念对高、低阻采空区进行划分，即首先求取固定深度处全区电阻率的平均值，然后计算每个测点在该深度处的电阻率值与平均值的相对误差，最后根据给定的相对低异常和高异常的阈值判断低阻采空和高阻采空。计算相对异常的公式为：

式中，

为第i个测点处j深度处的电阻率值，

为j深度处全区范围内的电阻率平均值。

按照上述思路，则可以计算所有测线的相对异常值。这里的关键问题是确定高低异常的阈值。结合电阻率-深度断面图的分析，以及在已知地质情况测点的验证，我们设定低阻异常的阈值为-20％，高阻异常的阈值为20％。即当相对异常小于等于-20％时，判断为充水的低阻采空区；当相对异常大于等于20％时，判断为充空气的高阻采空区。

首先以5米间距计算全区范围在110米深度内的电阻率平均值，计算结果如表1所示。可以看出，全区电阻率的平均值随深度的变化趋势与各测线的变化一致。

表1 A1区各深度电阻率平均值

图14(a)、图14(b)和图14(c)即为8线、38线和58线的相对异常断面图。可以看出，利用相对异常断面，可以非常清晰地识别出每条测线中的电阻率异常范围，且对其高低阻特性也能够给出判断。

图15(a)和图15(b)为B区两条测线的相对异常断面图。由于该区与A区相距较远，且电阻率结果受传送带影响存在一定失真，因此我们以这两条线在同一深度处的电阻率值计算平均值。可以看出，相对异常断面图比图12(a)、12(b)、12(c)-13(a)、图 13(b)所示的电阻率-深度断面图能够提供更多的细节，把横向上的电阻率突变刻画得更为准确，为圈定高低阻异常区域提供更为直接的证据。

3、视电阻率等值线平面图解释

采空区的影响范围可能从地表至煤层底板界面。为分析测区内不同深度的地层电性变化及采空区分布，我们以5米间距绘制了0～110米深度范围内23个深度处的电阻率平面分布图。由于B区仅有两条测线，故该工作只针对A区数据进行。这里选取A区所有测点在30米、60米和90米三个深度处的电阻率等值线平面分布图为例进行分析，如图16所示。其他深度的电阻率平面分布图见附图。可以看出，通过电阻率等值线平面图可以较为容易地划分出电阻率异常区域。根据前述采空区解释准则，我们可以将图中相对低阻和相对高阻的区域解释为充水和补充水采空区。另外，根据野外实际踏勘，在图中标出了地表存在塌陷区的位置(图中方块所示)。可以看出，存在地表塌陷的地方(认为存在地下采空)，在电性上并不一定表现出绝对的低阻或高阻特征。还需要注意的是，图中个别区域的电阻率异常值还可能与地表存在的输电线干扰有关，如测区西南部出现的近南北向的明显高阻异常带。

4、相对异常平面图解释

与断面图类似，仅利用电阻率平面分布图很难准确地圈定和区分高低阻采空区范围。因此，继续利用相对异常的概念，绘制各个深度平面的相对异常分布图，如图17(a)、图17(b)和图17(c)所示。很明显，相对异常平面分布图可以清晰地将各个深度处的相对低阻和相对高阻异常区域圈定出来，为后续采空区解释提供非常直接的证据。并且可以发现，同一深度处的电阻率等值线中显示为低阻或高阻异常的区域在相对异常图中并未得到显示，这也是采用定量阈值进行划分的优点。

5、对于第1-第4的总结瞬变电磁解释成果

综合A测区各个深度的数据形成三维相对异常分布图，形成如图18和19所示的相对低阻和相对高阻异常空间分布图。可以看出，低阻相对异常区域主要分布在A测区的南部，高阻相对异常在A区内分布更为广泛，在测区中部电阻率异常的分布较为分散。需要注意的是在某些测点区域，有相对低阻和相对高阻异常同时存在于不同深度上。对于该情况，我们对高低阻异常都进行统计。

最终，综合根据视阻率断面图、相对异常断面图、电阻率平面图、相对异常断面图、相对异常三维图、野外踏勘、已有信息，圈定了本次工作区域的采空区范围。其中，A区成果如图20所示。从解释成果图可以看出，测区内的采空区分布范围具有随机性和无序性，这与小煤窖见煤就采的特点是相吻合的。因此，在进行采空区域划分时，我们以存在异常的TEM测点为统计量，即每个测点对应一处采空区。同时我们将已实施的钻孔所揭示的厚度大于5米的采空区位置点和野外踏勘获得的地面塌陷位置点绘制在图中，以验证解释结果的可靠性。可以看出，已揭示采空区和地面塌陷区的位置，基本上与解释的采空异常区域吻合。根据统计，钻孔揭示的大于5米的采空区和记录的地面塌陷点共计117处，与解释成果吻合的点共有102处，因此，估算本次探测结果的准确率可以达到87％左右。

B区的解释成果图如图21所示。可见B区在传送带两侧存在大面积的疑似采空区域，且采空区较为连续。根据统计结果，B区内推测低阻采空区149处。

最后统计本次解释低阻采空区成果如下：在A区共圈定低阻异常区679处，其中A1区175处、A2区369处、A3区135处，在B区共圈定低阻异常区149处，详见表2。需要注意的是，A测区东南部近南北向展布的异常带(图20中线框区域)，此处存在一条南北向的输电线，对实测数据造成了一定影响，导致解释结果可靠性降低。

表2 圈定采空区统计信息

方法采用三维地震、瞬变电磁、高密度电法和弹性波孔间CT法对采空区进行综合地球物理探测：首先对研究区域进行瞬变电磁法扫面，对瞬变电磁异常区进行高密度电法验证，并结合三维反射地震对采空区的空间分布情况进行详细的圈定，结果表明，对于埋深小于100m且煤层厚度小于10m的缓倾煤层条件下的采空区，这种物探方法适用。

本申请以上实施例所采用的方法，至少具有如下优势：

(1)在收集工作区地质信息和以往工作成果的基础上，采用了瞬变电磁法、高密度电阻率法、三维地震法和弹性波孔间CT法对工作区小窖采空区直径大于5m塌陷坑的孔间分布情况进行了探测，获得了大量真实可靠的地球物理数据，这是本次研究采空塌陷的重要信息，也是今后在该地区开展地质物探工作以及煤炭开采工作的重要参考依据。

(2)圈定了A区和B区的直径大于5m塌陷坑的分布特征及其影响范围，分析了其塌陷坑内部的空间联系，其中A1区圈定采空塌陷坑28处，A2区44处，A3区9处，B区5 处。

(3)在综合解释推断成果的基础上，结合A1区和A3区的钻孔信息进一步推断了A1和A3区采空塌陷区的形态特征，估算了其分布体积。以A1和A3区结果为依据，推断了 A2区和B区采空塌陷的分布特征，并对其进行了分类，并对后期的地质钻孔布设提供了依据。

(4)总结了四种物探方法探测采空区的技术特点，分析了各方法的优势和存在的问题，并针对问题提出了相应的对策和解决措施，提出了小窖采空区塌陷区探测的物探技术方法组合，为地质条件相似地区开展采空区探测提供了借鉴。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本申请的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种小窖采空区瞬变电磁探测方法，其特征在于，包括如下步骤：

数据模拟步骤，根据测区的地质与地球物理信息，建立不同的地球物理数值模型，对地球物理数值模型进行正演模拟得到不同参数下的瞬变电磁响应特征；根据模拟结果确定测区的探测参数；

数据试验步骤，在测区中的典型测点进行探测试验，对所选择的探测参数进行验证，根据验证结果确定采集参数；

数据采集步骤，根据采集参数确定测区的测线分布情况，向测区的各条测线发射瞬变电磁波，并探测各测线反馈回的瞬变反馈电磁波；

数据处理步骤，对各测线的反馈电磁波进行反演解析，根据反演解析结果得到每一测线的反演电阻率及深度数据；根据每一测线的反演电阻率及深度数据，确定小窖采空区内的低阻异常区和采空异常区；根据低阻异常区和采空异常区，结合地质与地球物理信息，确定小窖采空区的边界位置。

2.根据权利要求1所述的小窖采空区瞬变电磁探测方法，其特征在于，数据模拟步骤中：

对地球物理数值模型进行一维正演模拟和三维正演模拟，模拟不同参数下的瞬变电磁响应特征。

3.根据权利要求2所述的小窖采空区瞬变电磁探测方法，其特征在于，数据模拟步骤中：

所述一维正演模拟的模拟结果包括：不同煤系地层的响应特性；不同盖层厚度对模拟结果的影响；不同采空区厚度的响应特征。

4.根据权利要求2所述的小窖采空区瞬变电磁探测方法，其特征在于，数据模拟步骤中：

三维正演模拟中，采用时域有限差分法进行瞬变电磁场的数值模拟，所述三维正演模拟的模拟结果采用多测道响应剖面的形式表现。

5.根据权利要求1-4任一项所述的小窖采空区瞬变电磁探测方法，其特征在于：

所述数据试验步骤中，所述采集参数包括：发射源尺寸、发射电压、发射电流强度、观测时间范围、发射基频、叠加次数和探头有效面积。

6.根据权利要求5所述的小窖采空区瞬变电磁探测方法，其特征在于，所述数据试验步骤中：

所述典型测点包括三个，依次采集三个典型测点的探测信号；

根据存在采空测点的探测信号与其他两个不存在采空测点的探测信号所表现出的区别参数，作为瞬变电磁探测在选定的工作参数下识别采空区的采集参数。

7.根据权利要求6所述的小窖采空区瞬变电磁探测方法，其特征在于，所述数据采集步骤通过数据采集系统实现：

所述数据采集系统包括控制机和与所述控制机通信连接的瞬变电磁仪器、高亮度显示设备、触膜屏、GPS、发射机和接收机；其中：

所述瞬变电磁仪器配置有磁探头；所述高亮度显示设备配置有亮度调节按钮以及开关；所述触摸屏用于显示图形用户界面，供用户设置参数以及获取参数；所述GPS用于获取所述数据采集系统的经纬度坐标；所述发射机，在单位时间内的输出功率为24V/10A；所述接收机的输入信号来自单匝线圈感应信号或多线圈放大信号，其有效功率是12V/120mA；所述瞬变电磁仪器的磁探头被预先设置了谐振频率和感应强度。

8.根据权利要求7所述的小窖采空区瞬变电磁探测方法，其特征在于，所述数据采集步骤中：

所述数据采集系统还包括：用于采集系统温度的温度探测器和用于采集系统电池电压的电压探测器；所述温度探测器和所述电压探测器将采集到的数据发送至所述控制机；

所述数据采集系统还包括报警电路，所述控制机在系统温度异常或电池电压异常时，控制所述报警电路发出报警信号。

9.根据权利要求1-4任一项所述的小窖采空区瞬变电磁探测方法，其特征在于，所述数据处理步骤中：

采用OCCAM法对各测线的反馈电磁波进行反演解析；

根据反演解析结果对高阻采空区和低阻采空区进行划分；

通过电阻率等值线平面图划分出电阻率异常区域，相对低阻采空区判定为充水采空区，将相对高阻采空区判定为充空气采空区；

根据电阻率等值线平面图得到相对异常平面分布图，所述相对异常平面分布图用于将各个深度处的相对低阻采空区和相对高阻采空区圈定出来。

10.根据权利要求9所述的小窖采空区瞬变电磁探测方法，其特征在于，根据反演解析结果对高阻采空区和低阻采空区进行划分的步骤包括：

求取固定深度处全区电阻率的平均值；

获取每个测点在该深度处的电阻率值与平均值的相对误差；

根据相对误差以及给定的相对低异常阈值和相对高异常阈值判断相对低阻采空区和相对高阻采空区。

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