楊曉巖

國家管網(wǎng)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(jīng)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(fā)射線(xiàn)框和發(fā)射頻率現場(chǎng)試驗的基礎上，確定合理的工作參數，對整條輸氣管線(xiàn)下伏采空區進(jìn)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(xiàn)下伏隱蔽采空區。

關(guān)鍵詞：采空區；瞬變電磁法；輸氣管道

在輸氣管道建設運營(yíng)過(guò)程中，清楚掌握管道沿線(xiàn)的地質(zhì)災害并采取科學(xué)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(zhì)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(kāi)采規模成正比，隨著(zhù)時(shí)間的推移，煤層圍巖應力發(fā)生改變，采空區的塌陷會(huì )造成地面下沉、裂縫，可能會(huì )對途經(jīng)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(méi)有經(jīng)過(guò)處理，并且有些不規范開(kāi)采煤礦形成的采空區已經(jīng)不能準確定位，因此，查明輸氣管線(xiàn)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(zhì)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(zhì)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(cháng)，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(yōu)點(diǎn)，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(shí)間域電磁測深法，又稱(chēng)“純異常場(chǎng)法”，它是利用階躍波形電磁脈沖激發(fā)，利用不接地回線(xiàn)向地下發(fā)射一次場(chǎng)，在一次場(chǎng)的間歇期間（斷電后），測量由地下介質(zhì)產(chǎn)生的感應二次場(chǎng)隨時(shí)間的變化來(lái)達到尋找各種地質(zhì)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(xiàn)框或接地電極，輸入階躍電流，當回線(xiàn)中電流突然斷開(kāi)時(shí)，在下半空間就要激勵起感應渦流以維持斷開(kāi)電流前已存在的磁場(chǎng)，并且此渦流場(chǎng)隨時(shí)間以等效渦流環(huán)的形式向下傳播、向外擴展，利用不接地線(xiàn)圈、接地電極或地面中心探頭觀(guān)測此二次渦流磁場(chǎng)或電場(chǎng)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(méi)有一次場(chǎng)背景的情形下觀(guān)測純二次場(chǎng)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(shí)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(xiàn)的下伏采空區進(jìn)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(guò)試驗選擇合理的工作參數是進(jìn)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(wú)干擾地段，分別開(kāi)展發(fā)射線(xiàn)框和發(fā)射頻率選擇試驗。

發(fā)射線(xiàn)框。線(xiàn)框邊長(cháng)會(huì )直接影響勘探深度，在相同頻率下，線(xiàn)框邊長(cháng)越大，探測深度越深。根據已知地質(zhì)資料可知，勘探區內目的層埋深約250 m左右。發(fā)射線(xiàn)框為180 m×300 m和240 m×360 m時(shí)觀(guān)測得到的響應曲線(xiàn)，當發(fā)射線(xiàn)框尺寸為240 m×360 m時(shí)，在響應曲線(xiàn)尾支更平滑。通過(guò)數據處理得到深度示意圖（圖 2），發(fā)射邊框180 m×300 m時(shí)，探測深度小于250 m；發(fā)射邊框為240 m×360 m時(shí)，能滿(mǎn)足探測深度，因此為了保證感應場(chǎng)強度，故選用240 m×360 m發(fā)射邊框進(jìn)行工作。

圖 2 反演深度示意圖

發(fā)射頻率。會(huì )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(xiàn)（圖 3）中可以看到，4 Hz衰減曲線(xiàn)由于采樣周期較長(cháng)，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(xiàn)比較圓滑，較晚的信號出現的波動(dòng)干擾也較小，證明有效信號的總體衰減趨勢特征已經(jīng)被完整采集；16 Hz的衰減曲線(xiàn)更為圓滑，但其衰減曲線(xiàn)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(gè)頻率的采樣周期完成后，有效衰減信號仍然還在延續，說(shuō)明只能采集到衰減信號的前部和中部，較晚的信號無(wú)法獲得，因此會(huì )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(jìn)行數據采集。

圖 3 不同發(fā)射頻率響應曲線(xiàn)對比圖

2.2  探測施工

在進(jìn)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(shù)研究所研發(fā)的WTEM-1D瞬變電磁儀進(jìn)行探測，沿管道方向及兩側各約40 m的范圍布設測線(xiàn)，每條測線(xiàn)長(cháng)4380 m，共布置縱向測線(xiàn)5條，分別為L(cháng)100、L120、L140、L160和L180，線(xiàn)距20 m，點(diǎn)距20 m。

3  資料解釋與驗證

3.1  剖面解釋

綜合已有地質(zhì)資料與物性資料對每條測線(xiàn)進(jìn)行數據處理和解釋?zhuān)�現以L(fǎng)120測線(xiàn)為例進(jìn)行解釋說(shuō)明。L120測線(xiàn)瞬變電磁反演結果（圖 4）中，該測線(xiàn)探測范圍內地下存在7處異常區。其中點(diǎn)號0 m～540 m發(fā)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?chē)鷰r性；在點(diǎn)號3260 m～3380 m發(fā)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?chē)鷰r性；在點(diǎn)號800 m～1240 m、1400 m～1560 m、1960 m～2100 m發(fā)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(diǎn)號2620 m～2860 m和3740 m～4100 m發(fā)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(zhì)充填后所引起。

圖 4 L120測線(xiàn)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(xiàn)的解釋成果，根據點(diǎn)號將各測線(xiàn)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?zhuān)�最終選擇在A(yíng)1、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(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)采空區，與瞬變電磁法A7采空異常反應一致。

4  結語(yǔ)

采用瞬變電磁法對陜西省府谷縣輸氣管線(xiàn)途經(jīng)范圍內下伏煤礦采空區進(jìn)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(zhì)災害區的探測問(wèn)題，研究成果可為同類(lèi)輸氣管道的建設運營(yíng)提供參考。

參考文獻：

[1]劉國輝，溫來(lái)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(xué)技術(shù)，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(xué)技術(shù)，2014，42(8)：109-112.

[3]譚新平，徐志敏，辛會(huì )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(jiǎn)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(cháng)輸管道保護工作。聯(lián)系方式：15769126677，113875353@qq.com。