杨晓岩

国家管网集团北京管道陕西输油气分公司

摘要：以陕西省府谷县输气管道途经范围内下伏隐蔽采空区为研究对象，采用瞬变电磁法探测其位置分布。在对瞬变电磁发射线框和发射频率现场试验的基础上，确定合理的工作参数，对整条输气管线下伏采空区进行探测，最终圈定了7处采空异常区，探测结果得到后期钻探验证，表明瞬变电磁法可以有效探测输气管线下伏隐蔽采空区。

关键词：采空区；瞬变电磁法；输气管道

在输气管道建设运营过程中，清楚掌握管道沿线的地质灾害并采取科学合理的避让或治理措施，是保障管道安全运行的前提条件。煤矿采空区作为一种典型的地质灾害，是在役管道安全运行的隐患，也是新建管道路由必须考虑的避让对象。采空区灾害的严重性与开采规模成正比，随着时间的推移，煤层围岩应力发生改变，采空区的塌陷会造成地面下沉、裂缝，可能会对途经采空区的输气管道造成严重损坏。据调查，全国有一半以上的煤矿采空区没有经过处理，并且有些不规范开采煤矿形成的采空区已经不能准确定位，因此，查明输气管线下伏煤矿采空区就显得尤为重要。

目前，对于煤矿采空区探测的方法较多，包括地震勘探、地质雷达法、高密度电阻率法以及瞬变电磁法等。在上述探测方法中，地质雷达法和高密度电阻率法的探测效果虽好，但是在地形复杂以及接地条件差的区域，往往达不到预期效果，并且两种方法探测深度有限；地震勘探的精度较高，但是施工周期长，成本高，且对地形条件要求较高[1]。而瞬变电磁法具有探测深度大、施工灵活、受地形影响小的优点，广泛应用于煤矿采空区的探测中[2]。

1  瞬变电磁法工作原理

瞬变电磁法（Transient electromagnetic method，TEM）属时间域电磁测深法，又称“纯异常场法”，它是利用阶跃波形电磁脉冲激发，利用不接地回线向地下发射一次场，在一次场的间歇期间（断电后），测量由地下介质产生的感应二次场随时间的变化来达到寻找各种地质目标体的一种地球物理勘探方法[3]。

瞬变电磁法的勘探原理（图 1）是：在地表敷设不接地线框或接地电极，输入阶跃电流，当回线中电流突然断开时，在下半空间就要激励起感应涡流以维持断开电流前已存在的磁场，并且此涡流场随时间以等效涡流环的形式向下传播、向外扩展，利用不接地线圈、接地电极或地面中心探头观测此二次涡流磁场或电场的变化情况，用以研究浅层至中深层的地电结构。由于是在没有一次场背景的情形下观测纯二次场异常，因而异常更直接、探测效果更明显、原始数据的保真度更高。

图 1 瞬变电磁法勘探原理示意图

2  探测实例

以陕西省府谷县输气管道下伏隐蔽采空区为研究对象，采用瞬变电磁法对管道沿线的下伏采空区进行探测。

2.1  有效性试验

工作参数选择是否合理将直接影响探测的结果，因此，通过试验选择合理的工作参数是进行瞬变电磁数据采集的前提。本次试验工作选择在勘查区内平坦无干扰地段，分别开展发射线框和发射频率选择试验。

发射线框。线框边长会直接影响勘探深度，在相同频率下，线框边长越大，探测深度越深。根据已知地质资料可知，勘探区内目的层埋深约250 m左右。发射线框为180 m×300 m和240 m×360 m时观测得到的响应曲线，当发射线框尺寸为240 m×360 m时，在响应曲线尾支更平滑。通过数据处理得到深度示意图（图 2），发射边框180 m×300 m时，探测深度小于250 m；发射边框为240 m×360 m时，能满足探测深度，因此为了保证感应场强度，故选用240 m×360 m发射边框进行工作。

图 2 反演深度示意图

发射频率。会影响探测深度，频率越低，探测深度越深。4 Hz、8 Hz和16 Hz的响应曲线（图 3）中可以看到，4 Hz衰减曲线由于采样周期较长，造成晚期出现随机干扰，有效采样道数变少，证明其频率不适合本测区的电性反应条件；8 Hz的衰减曲线比较圆滑，较晚的信号出现的波动干扰也较小，证明有效信号的总体衰减趋势特征已经被完整采集；16 Hz的衰减曲线更为圆滑，但其衰减曲线的采样道数只有25道，总采样道数比8 Hz频率少3道，证明这个频率的采样周期完成后，有效衰减信号仍然还在延续，说明只能采集到衰减信号的前部和中部，较晚的信号无法获得，因此会丢失较深的地层信息。因此，确定选用既能够将有效的衰减信号采集完整，并且能够保持较多的采样道数的8 Hz进行数据采集。

图 3 不同发射频率响应曲线对比图

2.2  探测施工

在进行了探测有效性试验的前提下，按探测深度和精度，使用重庆奔腾数控技术研究所研发的WTEM-1D瞬变电磁仪进行探测，沿管道方向及两侧各约40 m的范围布设测线，每条测线长4380 m，共布置纵向测线5条，分别为L100、L120、L140、L160和L180，线距20 m，点距20 m。

3  资料解释与验证

3.1  剖面解释

综合已有地质资料与物性资料对每条测线进行数据处理和解释，现以L120测线为例进行解释说明。L120测线瞬变电磁反演结果（图 4）中，该测线探测范围内地下存在7处异常区。其中点号0 m～540 m发现相对高阻反应，根据异常所在标高1050 m～1100 m处，结合资料分析推断为新田煤矿5-1煤层采空，致使该处电阻率偏高于周围岩性；在点号3260 m～3380 m发现相对高阻反应，根据异常所在标高1200 m～1250 m处，结合资料推断为西岔沟煤矿3-1煤层采空，致使该处电阻率偏高于周围岩性；在点号800 m～1240 m、1400 m～1560 m、1960 m～2100 m发现相对低阻反应，根据异常所在标高1050 m～1100 m处，结合资料分析推断为新田煤矿5-1煤层围岩富水或采空区局部含水引起；在点号2620 m～2860 m和3740 m～4100 m发现相对低阻反应，根据异常所在标高1150 m～1250 m处，结合资料推断为西岔沟煤矿3-1煤层采空充水或泥质充填后所引起。

图 4 L120测线瞬变电磁反演断面图

3.2  平面解释

综合勘查区5条瞬变电磁测线的解释成果，根据点号将各测线异常展布在平面上，圈定了7处异常区。其中采空区4处，分别为A1、A5、A6、A7；围岩富水或采空区局部含水3处，分别为A2、A3、A4（图 5）。

图 5 瞬变电磁探测平面成果图

根据上述平面解释，最终选择在A1、A5、A6、A7位置处布置验证钻孔，分别编号Z1、Z5、Z6和Z7。其中，Z1钻孔深度53.60 m，在50.98 m～53.60 m位置处见采空区，与瞬变电磁法A1采空异常反应一致；Z5钻孔深度154.52 m，在119.10 m～120.70 m位置处见采空区，与瞬变电磁法A5采空异常反应一致；Z6钻孔深度176.92 m，在120.70 m～123.50 m位置处见采空区，与瞬变电磁法A6采空异常反应一致；Z7钻孔深度165.96 m，在124.25 m～125.60 m位置处见采空区，与瞬变电磁法A7采空异常反应一致。

4  结语

采用瞬变电磁法对陕西省府谷县输气管线途经范围内下伏煤矿采空区进行探测，圈定了隐蔽采空区的分布情况，探测结果得到了钻探验证，表明瞬变电磁法能够较好地解决煤矿采空地质灾害区的探测问题，研究成果可为同类输气管道的建设运营提供参考。

参考文献：

[1]刘国辉，温来福，郝海强，等. 地震勘探在山西某煤田采空区探测中的有效性研究[J].勘察科学技术，2014，(01)：58-61.

[2]覃庆炎.瞬变电磁法在积水采空区探测中的应用[J]. 煤炭科学技术，2014，42(8)：109-112.

[3]谭新平，徐志敏，辛会翠，等.瞬变电磁法二维正演数值模拟及在工程勘察中的应用效果分析[J].工程勘察，2016，44(7)：68-75.

作者简介：杨晓岩，1982年生，工程师，现任陕西输油气分公司管道部主任，主要从事长输管道保护工作。联系方式：15769126677，113875353@qq.com。