音频大地电磁法和瞬变电磁法在煤窑采空区中的对比应用

作者：赵文龙 郭紫明

来源：《西部资源》2022年第03期

摘要：随着我国高铁建设日益推广，在设计线路上不可避免会有采空区的存在。采空区的存在严重影响线路工程，对工程建设和运营可能会造成较大安全隐患。为查明煤矿采空区地下分布情况，本文采用音频大地电磁法和瞬变电磁法两种物探方法，对比钻探、测井等方法，通过综合对比分析，取得了很好的效果，为后期线路选址避害提供了基础参数，对线路安全具有重要意义。

关键词：高铁；采空区；音频大地电磁；瞬变电磁 引言

广湛线东接广州枢纽，西连湛江枢纽，通过合湛、湛海铁路可达北部湾、海南岛等地区，正线全长400km，速度350km/h。该线填补了粤西地区没有无砟轨道高速铁路的空白。近年来随着物探技术的快速发展，针对煤窑采空区的勘查方法也越来越多样化，在以往的采空区勘查工作中，主要采用有瞬变电磁法、可控源音频大地电磁法、高密度电阻率法以及地震勘探等多种方法，均取得了不错的效果。

受探测深度，本文只针对该工区煤窑采空区采用音频大地电磁方法（AMT）和瞬变电磁方法（TEM）两种方法进行分析。探测作业中，AMT设备轻便、成本低、还具有不受高阻层屏蔽和对低阻层有较高分辨力的优点，因此在采空区勘探中可以发挥很好的作用。TEM设备则具备成本低、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。 1.方法原理

1.1音频大地电磁（AMT）

AMT法以天然交变电磁场为场源，当交变电磁场以波的形式在地下介质中传播时，由于电磁感应作用，地面电磁场的观测值将包含有地下介质电阻率分布的信息，通过分析电阻率的差异来划分地层岩性及地质构造，并根据电阻率值的大小以及展布形态来判释地下地质体空间分布。

1.2瞬变电磁法（TEM）

瞬变电磁法（TEM）是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，通过线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。瞬变电磁法的基本原理就是电磁感应定律。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；而晚期电磁场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，经过转换可得到不同深度的地下岩层电性特征。

2.应用实例 2.1工区概况

松柏采空区位于佛山市高明区西北，该段线路涉及的工程有松柏坑特大桥及桥台大里程方向路基等。工区地处华南华夏系构造带之南段，构造体系错综复合，以南北向隐伏构造体系为主。工区上覆第四系冲洪积、坡残积土层，下伏基岩为二迭系阳新统灰岩、砂岩泥质粉砂岩夹硅质岩；上三叠系下煤组（T1a3）石英砂岩夹粉砂岩、上煤组（T2a3）灰岩质砾岩和石英砂岩夹泥质粉砂岩，其中煤层位于上煤组上段；侏罗系砂质砾岩、粉砂岩、泥岩、浅灰色石灰岩。地表断裂特征不明显。 2.2工区地球物理特征

地下煤层被采出后，在地下会形成一个有一定规模的空间，采空区顶板在上覆岩层压力的作用下，发生变形、断裂位移、冒落。由于各自的地质条件不同，采空区被空气、地下水、泥砂等介质所充填，与围岩相比，都存在明显的物性差异，这是各种物探方法探测的地球物理前提条件。工区地表水丰富，煤层被采空以后，地表水地下水顺裂隙裂缝等充填采空塌陷区造成采空区相应地层的电性与围岩电性不同。根据经验统计和工区地球物理反演结果分析，得出采空区与各类岩体的反演电阻率值，见表1。

2.3两种方法效果对比

沿垂直线路方向布设11条测线（图1），平行线路方向布设3条测线，为了对比两种方法探测效果，在WT-9、WT-9-2测线和2测线分别做了音频大地电磁和瞬变电磁两种方法，测线WT-9和WT-9-2均长为700m，测点点距为瞬变电磁10m，音频大地电磁20m，音频大地电磁采用EM3D型仪器，瞬变电磁采用HTPEM-08型瞬变电磁仪。

图2-a为测线WT-9瞬变电磁解译成果。分析图件可知整体呈现随深度加深电阻率增高趋势，对应浅层第四系覆盖层与深部三叠系地层高阻的地质规律。由于煤层较薄，整体上难以完整呈现，但由于采空坍塌，加之底层裂缝降雨影响，在采空区域会形成一个低阻异常带，对比已知煤窑巷道信息和钻孔信息，可知在测线里程480m附近、深度约40m位置，测线里程66m附近、深度35m和深度60m位置为采空异常。

图2-b为测线WT-9音频大地电磁解译成果。由于大地电磁高频信号受人为干扰影响，地表信号横向上呈现不均匀变化，但在测线里程660m附近、深度50m左右位置同样有低阻采空异常，与已知的采空巷道位置较为对应，但在纵向上分辨率不够。

图3-a为测线WT-9-2瞬变电磁解译成果。同样知整体呈现随深度加深而电阻率增高趋势，符合浅层覆盖层与深部三叠系地层高阻的地质规律。在测线里程600m附近、深度80m左右和测线里程670m附近、深度60m左右有低阻异常带对应已知的煤窑巷道。

图3-b为测线WT-9音频大地电磁解译成果。在测线里程660m附近、深度70m左右位置同样有低阻采空异常，与已知的采空巷道位置较为对应，但在纵向上分辨率不够。

同时在测线地表位置370m和500m附近偏向大里程方向均对应为断层破碎带，瞬变电磁和音频大地电磁成果均有低阻异常对应，说明两种方法对断层破碎带也有较好的反应。

3.結论

通过对比分析可以得出，音频大地电磁法和瞬变电磁方法在煤窑采空区的探测中均有效果，探测所得电阻率低阻异常带与煤窑采空较为吻合；同时两种方法对断层构造带的探测也有

较好效果。不同的是音频大地电磁探测深度深，但在浅地表的分辨率不够，抗干扰能力较弱，易受地表高压电线、信号塔等影响，对浅层较薄的多层煤层矿道难以区分，对深部信息反应更好；瞬变电磁探测深度较浅，但在浅地表细划分上有更好的效果。 参考文献：

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