楊曉巖

國家管網集團北京管道陜西輸油氣分公司

摘要：以陜西省府谷縣輸氣管道途經范圍內下伏隱蔽采空區為研究對象，采用瞬變電磁法探測其位置分布。在對瞬變電磁發射線框和發射頻率現場試驗的基礎上，確定合理的工作參數，對整條輸氣管線下伏采空區進行探測，最終圈定了7處采空異常區，探測結果得到后期鉆探驗證，表明瞬變電磁法可以有效探測輸氣管線下伏隱蔽采空區。

關鍵詞：采空區；瞬變電磁法；輸氣管道

在輸氣管道建設運營過程中，清楚掌握管道沿線的地質災害并采取科學合理的避讓或治理措施，是保障管道安全運行的前提條件。煤礦采空區作為一種典型的地質災害，是在役管道安全運行的隱患，也是新建管道路由必須考慮的避讓對象。采空區災害的嚴重性與開采規模成正比，隨著時間的推移，煤層圍巖應力發生改變，采空區的塌陷會造成地面下沉、裂縫，可能會對途經采空區的輸氣管道造成嚴重損壞。據調查，全國有一半以上的煤礦采空區沒有經過處理，并且有些不規范開采煤礦形成的采空區已經不能準確定位，因此，查明輸氣管線下伏煤礦采空區就顯得尤為重要。

目前，對于煤礦采空區探測的方法較多，包括地震勘探、地質雷達法、高密度電阻率法以及瞬變電磁法等。在上述探測方法中，地質雷達法和高密度電阻率法的探測效果雖好，但是在地形復雜以及接地條件差的區域，往往達不到預期效果，并且兩種方法探測深度有限；地震勘探的精度較高，但是施工周期長，成本高，且對地形條件要求較高[1]。而瞬變電磁法具有探測深度大、施工靈活、受地形影響小的優點，廣泛應用于煤礦采空區的探測中[2]。

1  瞬變電磁法工作原理

瞬變電磁法（Transient electromagnetic method，TEM）屬時間域電磁測深法，又稱“純異常場法”，它是利用階躍波形電磁脈沖激發，利用不接地回線向地下發射一次場，在一次場的間歇期間（斷電后），測量由地下介質產生的感應二次場隨時間的變化來達到尋找各種地質目標體的一種地球物理勘探方法[3]。

瞬變電磁法的勘探原理（圖 1）是：在地表敷設不接地線框或接地電極，輸入階躍電流，當回線中電流突然斷開時，在下半空間就要激勵起感應渦流以維持斷開電流前已存在的磁場，并且此渦流場隨時間以等效渦流環的形式向下傳播、向外擴展，利用不接地線圈、接地電極或地面中心探頭觀測此二次渦流磁場或電場的變化情況，用以研究淺層至中深層的地電結構。由于是在沒有一次場背景的情形下觀測純二次場異常，因而異常更直接、探測效果更明顯、原始數據的保真度更高。

圖 1 瞬變電磁法勘探原理示意圖

2  探測實例

以陜西省府谷縣輸氣管道下伏隱蔽采空區為研究對象，采用瞬變電磁法對管道沿線的下伏采空區進行探測。

2.1  有效性試驗

工作參數選擇是否合理將直接影響探測的結果，因此，通過試驗選擇合理的工作參數是進行瞬變電磁數據采集的前提。本次試驗工作選擇在勘查區內平坦無干擾地段，分別開展發射線框和發射頻率選擇試驗。

發射線框。線框邊長會直接影響勘探深度，在相同頻率下，線框邊長越大，探測深度越深。根據已知地質資料可知，勘探區內目的層埋深約250 m左右。發射線框為180 m×300 m和240 m×360 m時觀測得到的響應曲線，當發射線框尺寸為240 m×360 m時，在響應曲線尾支更平滑。通過數據處理得到深度示意圖（圖 2），發射邊框180 m×300 m時，探測深度小于250 m；發射邊框為240 m×360 m時，能滿足探測深度，因此為了保證感應場強度，故選用240 m×360 m發射邊框進行工作。

圖 2 反演深度示意圖

發射頻率。會影響探測深度，頻率越低，探測深度越深。4 Hz、8 Hz和16 Hz的響應曲線（圖 3）中可以看到，4 Hz衰減曲線由于采樣周期較長，造成晚期出現隨機干擾，有效采樣道數變少，證明其頻率不適合本測區的電性反應條件；8 Hz的衰減曲線比較圓滑，較晚的信號出現的波動干擾也較小，證明有效信號的總體衰減趨勢特征已經被完整采集；16 Hz的衰減曲線更為圓滑，但其衰減曲線的采樣道數只有25道，總采樣道數比8 Hz頻率少3道，證明這個頻率的采樣周期完成后，有效衰減信號仍然還在延續，說明只能采集到衰減信號的前部和中部，較晚的信號無法獲得，因此會丟失較深的地層信息。因此，確定選用既能夠將有效的衰減信號采集完整，并且能夠保持較多的采樣道數的8 Hz進行數據采集。

圖 3 不同發射頻率響應曲線對比圖

2.2  探測施工

在進行了探測有效性試驗的前提下，按探測深度和精度，使用重慶奔騰數控技術研究所研發的WTEM-1D瞬變電磁儀進行探測，沿管道方向及兩側各約40 m的范圍布設測線，每條測線長4380 m，共布置縱向測線5條，分別為L100、L120、L140、L160和L180，線距20 m，點距20 m。

3  資料解釋與驗證

3.1  剖面解釋

綜合已有地質資料與物性資料對每條測線進行數據處理和解釋，現以L120測線為例進行解釋說明。L120測線瞬變電磁反演結果（圖 4）中，該測線探測范圍內地下存在7處異常區。其中點號0 m～540 m發現相對高阻反應，根據異常所在標高1050 m～1100 m處，結合資料分析推斷為新田煤礦5-1煤層采空，致使該處電阻率偏高于周圍巖性；在點號3260 m～3380 m發現相對高阻反應，根據異常所在標高1200 m～1250 m處，結合資料推斷為西岔溝煤礦3-1煤層采空，致使該處電阻率偏高于周圍巖性；在點號800 m～1240 m、1400 m～1560 m、1960 m～2100 m發現相對低阻反應，根據異常所在標高1050 m～1100 m處，結合資料分析推斷為新田煤礦5-1煤層圍巖富水或采空區局部含水引起；在點號2620 m～2860 m和3740 m～4100 m發現相對低阻反應，根據異常所在標高1150 m～1250 m處，結合資料推斷為西岔溝煤礦3-1煤層采空充水或泥質充填后所引起。

圖 4 L120測線瞬變電磁反演斷面圖

3.2  平面解釋

綜合勘查區5條瞬變電磁測線的解釋成果，根據點號將各測線異常展布在平面上，圈定了7處異常區。其中采空區4處，分別為A1、A5、A6、A7；圍巖富水或采空區局部含水3處，分別為A2、A3、A4（圖 5）。

圖 5 瞬變電磁探測平面成果圖

根據上述平面解釋，最終選擇在A1、A5、A6、A7位置處布置驗證鉆孔，分別編號Z1、Z5、Z6和Z7。其中，Z1鉆孔深度53.60 m，在50.98 m～53.60 m位置處見采空區，與瞬變電磁法A1采空異常反應一致；Z5鉆孔深度154.52 m，在119.10 m～120.70 m位置處見采空區，與瞬變電磁法A5采空異常反應一致；Z6鉆孔深度176.92 m，在120.70 m～123.50 m位置處見采空區，與瞬變電磁法A6采空異常反應一致；Z7鉆孔深度165.96 m，在124.25 m～125.60 m位置處見采空區，與瞬變電磁法A7采空異常反應一致。

4  結語

采用瞬變電磁法對陜西省府谷縣輸氣管線途經范圍內下伏煤礦采空區進行探測，圈定了隱蔽采空區的分布情況，探測結果得到了鉆探驗證，表明瞬變電磁法能夠較好地解決煤礦采空地質災害區的探測問題，研究成果可為同類輸氣管道的建設運營提供參考。

參考文獻：

[1]劉國輝，溫來福，郝海強，等. 地震勘探在山西某煤田采空區探測中的有效性研究[J].勘察科學技術，2014，(01)：58-61.

[2]覃慶炎.瞬變電磁法在積水采空區探測中的應用[J]. 煤炭科學技術，2014，42(8)：109-112.

[3]譚新平，徐志敏，辛會翠，等.瞬變電磁法二維正演數值模擬及在工程勘察中的應用效果分析[J].工程勘察，2016，44(7)：68-75.

作者簡介：楊曉巖，1982年生，工程師，現任陜西輸油氣分公司管道部主任，主要從事長輸管道保護工作。聯系方式：15769126677，113875353@qq.com。