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[摘 要]煤层采空区对隧道安全施工造成严重的影响和威胁，笔者通过在云南某高速公路隧道采空区的瞬变电磁探测、资料分析，再结合钻探的验证，阐述了瞬变电磁法在探测隧道煤层采空区的应用效果及自己的认识。
[关键词]煤层采空区；隧道；瞬变电磁法
中图分类号：TH527 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）32-0000-01
近年来随着我国经济的大力发展，在云南地区的交通建设的投入也随之加大，穿越煤层开采区的公路隧道越来越多，煤层开采遗留下来的运输及采掘巷道给隧道施工带来一定的影响。对于在建高风险隧道，隧道开挖前方的隐伏煤层采空区，由于充填物各异，施工中易造成岩体坍塌、涌水、涌泥等地质灾害；在隧道顶部隐伏煤层采空区，易引起拱顶大面积坍塌、冒顶、涌水（涌泥）等，严重的还会引起隧体失稳；在隧道底部的隐伏煤层采空区，极易引起隧底突然塌落。为了排除隧道隐伏煤层采空区对隧道安全施工、运营的影响和威胁，探明采空区的存在及特征在隧道的设计、施工中尤为重要[1]。
1 地质及地球物理特征
勘查区地表出露的地层由新至老有第四系（Q）、三叠系下统永宁镇组（T1y）、飞仙关组（T1f）、二叠系上统龙潭组（P2l）、峨眉山玄武岩组（P2β）。区內含煤地层为上二叠统龙潭组（P2l），煤系地层总厚121-150m左右，有C14、C14、C21、C22号4层可采煤层，纯煤总厚度为7.71m。隧道穿过了所有煤层。大地构造位置上是处于华南褶皱系（Ⅱ）、滇东南褶皱带（Ⅱ1）、罗平—师宗褶断束（Ⅱ11）。在区域构造位置上是处南盘江复向斜、师宗—弥勒断裂内带，由于受北西—南东方向强烈挤压应力，致使矿区构造复杂化。
覆盖层、基岩裂隙和岩溶发育与完整基岩之间有着较大的物性差异（如介电常数、电阻率等），覆盖层及基岩裂隙和岩溶发育带的电阻率较完整基岩电阻率低，从而形成了不同的电性界面。当井下的煤被采出后，在岩体中形成一定规模的空间，使周围应力平衡状态被打破，产生局部的应力集中，采空区在地应力的作用下发生形变、断裂、位移、冒落，形成了冒落带、裂隙带、变形带，其影响范围超过了采空区范围，直接影响了其电性分布状态，形成的高阻体与围岩电性形成明显的差异。在地下水积聚及地表水沿裂隙向采空区渗透，采空区显现的视电阻率将发生明显变化，由高阻异常体转变为低阻异常体。这些地球物理特征为开展地球物理勘探提供了前提条件。
2 技术方法选择
在煤炭采空区的地球物理勘查中，通常可以采用瞬变电磁法、高密度电阻率法、放射性土壤氡气测试法及地质雷达法等勘查手段。瞬变电磁法（Transient Electromagnetic Method，TEM），观测纯二次场，具有对低阻含水体灵敏度高、受体积效应影响小、纵横向分辨率高等优点，与直流电法相比，他能够穿透高阻屏蔽层，对高阻屏蔽层下伏地层或构造有较好的分辨能力，易受到外界的干扰，但在外界干扰小，地势开阔的地方优势较大，如探测深度大、易于发现构造和地下水等；高密度电法跟地质雷达法由于受到探测深度的限制，在多层采空区并存的情况下，分辨率极低；放射性土壤氡气测试法基本不受电磁场及居民区的干扰，这可以弥补电法勘探的不足，但氡气测量只能确定平面异常范围，无法确定异常深度[3]。因此，本次工作才用瞬变电磁法。
根据本工作区的地质情况特点和地层电性分布特征，采空区充填空气的情况下，二次场信号衰减数据变化较快，所观测的二次感应电压信号弱；采空区充填水的情况下，二次场信号衰减相对较慢，所观测的二次感应电压信号强。其电性分布情况为在没有采空区的情况下，视电阻率呈均匀分布或是均匀变化；在有采空区，但不充水的情况下，视电阻率呈现为高阻异常；在采空区充水的情况下，视电阻率呈现为低阻异常。
3 使用仪器及工程布置
本勘查区施工的瞬变电磁探测仪器为澳大利亚EMIT公司生产的SM24瞬变电磁仪测量系统。SM24仪器接收部分使用16通道的接收机，24位AD转换；探头有效接收面积为10000平方米的TEM-3垂向Z分量接收探头；发射部分使用ZT-30发射机，可以用电池或者发电机供电，输出电流可达30A。
根据踏勘情况及时对现场地形地貌进行综合分析，在矿区已知采空区内对瞬变电磁仪器进行稳定性、噪音测试分析，通过选择多种不同的参数（叠加次數、发射频率、关断延时、发射电流、采集频率、装置类型等）组合进行对比试验，最终选择采用效果最佳、施工效率高的施工装置。本次施工布置基本覆盖隧道及隧道左右50米的范围，对隧道穿过的采空区达到全覆盖。（见图1）
4 资料解释
当勘探区井下的煤被采出后，在岩体中形成一定规模的空间，使周围应力平衡状态被打破，产生局部的应力集中，采空区在地应力的作用下发生形变、断裂、位移、冒落，形成了冒落带、裂隙带、变形带，其影响范围超过了采空区范围，直接影响了其电性分布状态，形成的高阻体与围岩电性形成明显的差异。在地下水积聚及地表水沿裂隙向采空区渗透，采空区显现的视电阻率将发生明显变化，由高阻异常体转变为低阻异常体。
从本次瞬变电磁探测成果看，在3线、5线（见图2）23号点—26号点（水平范围）、标高为1970米—2010米（垂直范围）区域的视电阻率呈高阻的异常，结合地质资料在该范围内有煤矿采煤巷道，并且从视电阻率断面图可以看出在其他范围内并无明显异常，总体的视电阻率呈中高阻的均匀变化，故推断解释该异常范围为煤矿的采空区。
由于该异常为高阻异常，推断解释该采空区为无水采空区。根据不同高程的平面图推断解释受采空区影响的区域（平面范围：1线23号点—26号点、3线23号点—27号点、5线23号点—26号点、7线23号点—25号点；垂直范围：标高1970米—2010米）（见图3）。
5 钻探验证
物探成果解释都存在多解性问题，为了能更好的确定采空区的分布情况，布置的3个钻孔对瞬变电磁勘探成果圈定的异常区域进行了钻探的验证，除了一个钻孔采空区不明显外，其余两个都充分验证了本次物探成果的准确性。
6 结论
由于受目前技术手段和技术水平的限制，所获得的各种原始信息及经过的探测成果数据资料等，均存在一定的局限性或片面性，特别是电法勘探成果还存在一定的多解性。但从地质规律而言，这些资料信息均存在着一定的内在联系。在电法资料解释的基础上，对煤矿勘探和生产中所获取的钻探、巷探及采掘揭露的各种地质资料信息，采用多种方法（如数理统计、地质统计、数学模拟等）进行综合、集成分析和处理，结合解释成果，运用地质理论进行综合地质分析，去粗取精，去伪存真，从中提取有用的地质信息，并通过建立特定的数学地质模型，总结和研究勘探区范围内的构造发育和煤层变化等地质规律，反过来对瞬变电磁勘探成果进行分析对比，进一步细化资料解释，得出符合地质规律的电磁勘探结果，以提高成果的精度和可靠性。
在采空区的探测中不但要考虑测区的物性条件，还要考虑物探方法的适用性，必须针对测区特点选择合适的工作方法。在条件允许的情况下应该采用多种物探方法进行综合探测，互为补充，互相验证，才能提高采空区的探测精度[2]。
参考文献
[1] 吴德胜，吴丰收，等.隧道煤层采空区的探测技术[J].物探与化探，2012.
[2] 李坚等.小煤窑采空区物探技术在铁路工程地质勘察中的应用[J].物探与化探，2012.
[3] 李志华.铁路煤矿采空区的综合物探研究.[J].物探与化探，2012.
[4] 牛之琏.时间域电磁法原理[M].中南大学出版社，2007.
[关键词]煤层采空区；隧道；瞬变电磁法
中图分类号：TH527 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）32-0000-01
近年来随着我国经济的大力发展，在云南地区的交通建设的投入也随之加大，穿越煤层开采区的公路隧道越来越多，煤层开采遗留下来的运输及采掘巷道给隧道施工带来一定的影响。对于在建高风险隧道，隧道开挖前方的隐伏煤层采空区，由于充填物各异，施工中易造成岩体坍塌、涌水、涌泥等地质灾害；在隧道顶部隐伏煤层采空区，易引起拱顶大面积坍塌、冒顶、涌水（涌泥）等，严重的还会引起隧体失稳；在隧道底部的隐伏煤层采空区，极易引起隧底突然塌落。为了排除隧道隐伏煤层采空区对隧道安全施工、运营的影响和威胁，探明采空区的存在及特征在隧道的设计、施工中尤为重要[1]。
1 地质及地球物理特征
勘查区地表出露的地层由新至老有第四系（Q）、三叠系下统永宁镇组（T1y）、飞仙关组（T1f）、二叠系上统龙潭组（P2l）、峨眉山玄武岩组（P2β）。区內含煤地层为上二叠统龙潭组（P2l），煤系地层总厚121-150m左右，有C14、C14、C21、C22号4层可采煤层，纯煤总厚度为7.71m。隧道穿过了所有煤层。大地构造位置上是处于华南褶皱系（Ⅱ）、滇东南褶皱带（Ⅱ1）、罗平—师宗褶断束（Ⅱ11）。在区域构造位置上是处南盘江复向斜、师宗—弥勒断裂内带，由于受北西—南东方向强烈挤压应力，致使矿区构造复杂化。
覆盖层、基岩裂隙和岩溶发育与完整基岩之间有着较大的物性差异（如介电常数、电阻率等），覆盖层及基岩裂隙和岩溶发育带的电阻率较完整基岩电阻率低，从而形成了不同的电性界面。当井下的煤被采出后，在岩体中形成一定规模的空间，使周围应力平衡状态被打破，产生局部的应力集中，采空区在地应力的作用下发生形变、断裂、位移、冒落，形成了冒落带、裂隙带、变形带，其影响范围超过了采空区范围，直接影响了其电性分布状态，形成的高阻体与围岩电性形成明显的差异。在地下水积聚及地表水沿裂隙向采空区渗透，采空区显现的视电阻率将发生明显变化，由高阻异常体转变为低阻异常体。这些地球物理特征为开展地球物理勘探提供了前提条件。
2 技术方法选择
在煤炭采空区的地球物理勘查中，通常可以采用瞬变电磁法、高密度电阻率法、放射性土壤氡气测试法及地质雷达法等勘查手段。瞬变电磁法（Transient Electromagnetic Method，TEM），观测纯二次场，具有对低阻含水体灵敏度高、受体积效应影响小、纵横向分辨率高等优点，与直流电法相比，他能够穿透高阻屏蔽层，对高阻屏蔽层下伏地层或构造有较好的分辨能力，易受到外界的干扰，但在外界干扰小，地势开阔的地方优势较大，如探测深度大、易于发现构造和地下水等；高密度电法跟地质雷达法由于受到探测深度的限制，在多层采空区并存的情况下，分辨率极低；放射性土壤氡气测试法基本不受电磁场及居民区的干扰，这可以弥补电法勘探的不足，但氡气测量只能确定平面异常范围，无法确定异常深度[3]。因此，本次工作才用瞬变电磁法。
根据本工作区的地质情况特点和地层电性分布特征，采空区充填空气的情况下，二次场信号衰减数据变化较快，所观测的二次感应电压信号弱；采空区充填水的情况下，二次场信号衰减相对较慢，所观测的二次感应电压信号强。其电性分布情况为在没有采空区的情况下，视电阻率呈均匀分布或是均匀变化；在有采空区，但不充水的情况下，视电阻率呈现为高阻异常；在采空区充水的情况下，视电阻率呈现为低阻异常。
3 使用仪器及工程布置
本勘查区施工的瞬变电磁探测仪器为澳大利亚EMIT公司生产的SM24瞬变电磁仪测量系统。SM24仪器接收部分使用16通道的接收机，24位AD转换；探头有效接收面积为10000平方米的TEM-3垂向Z分量接收探头；发射部分使用ZT-30发射机，可以用电池或者发电机供电，输出电流可达30A。
根据踏勘情况及时对现场地形地貌进行综合分析，在矿区已知采空区内对瞬变电磁仪器进行稳定性、噪音测试分析，通过选择多种不同的参数（叠加次數、发射频率、关断延时、发射电流、采集频率、装置类型等）组合进行对比试验，最终选择采用效果最佳、施工效率高的施工装置。本次施工布置基本覆盖隧道及隧道左右50米的范围，对隧道穿过的采空区达到全覆盖。（见图1）
4 资料解释
当勘探区井下的煤被采出后，在岩体中形成一定规模的空间，使周围应力平衡状态被打破，产生局部的应力集中，采空区在地应力的作用下发生形变、断裂、位移、冒落，形成了冒落带、裂隙带、变形带，其影响范围超过了采空区范围，直接影响了其电性分布状态，形成的高阻体与围岩电性形成明显的差异。在地下水积聚及地表水沿裂隙向采空区渗透，采空区显现的视电阻率将发生明显变化，由高阻异常体转变为低阻异常体。
从本次瞬变电磁探测成果看，在3线、5线（见图2）23号点—26号点（水平范围）、标高为1970米—2010米（垂直范围）区域的视电阻率呈高阻的异常，结合地质资料在该范围内有煤矿采煤巷道，并且从视电阻率断面图可以看出在其他范围内并无明显异常，总体的视电阻率呈中高阻的均匀变化，故推断解释该异常范围为煤矿的采空区。
由于该异常为高阻异常，推断解释该采空区为无水采空区。根据不同高程的平面图推断解释受采空区影响的区域（平面范围：1线23号点—26号点、3线23号点—27号点、5线23号点—26号点、7线23号点—25号点；垂直范围：标高1970米—2010米）（见图3）。
5 钻探验证
物探成果解释都存在多解性问题，为了能更好的确定采空区的分布情况，布置的3个钻孔对瞬变电磁勘探成果圈定的异常区域进行了钻探的验证，除了一个钻孔采空区不明显外，其余两个都充分验证了本次物探成果的准确性。
6 结论
由于受目前技术手段和技术水平的限制，所获得的各种原始信息及经过的探测成果数据资料等，均存在一定的局限性或片面性，特别是电法勘探成果还存在一定的多解性。但从地质规律而言，这些资料信息均存在着一定的内在联系。在电法资料解释的基础上，对煤矿勘探和生产中所获取的钻探、巷探及采掘揭露的各种地质资料信息，采用多种方法（如数理统计、地质统计、数学模拟等）进行综合、集成分析和处理，结合解释成果，运用地质理论进行综合地质分析，去粗取精，去伪存真，从中提取有用的地质信息，并通过建立特定的数学地质模型，总结和研究勘探区范围内的构造发育和煤层变化等地质规律，反过来对瞬变电磁勘探成果进行分析对比，进一步细化资料解释，得出符合地质规律的电磁勘探结果，以提高成果的精度和可靠性。
在采空区的探测中不但要考虑测区的物性条件，还要考虑物探方法的适用性，必须针对测区特点选择合适的工作方法。在条件允许的情况下应该采用多种物探方法进行综合探测，互为补充，互相验证，才能提高采空区的探测精度[2]。
参考文献
[1] 吴德胜，吴丰收，等.隧道煤层采空区的探测技术[J].物探与化探，2012.
[2] 李坚等.小煤窑采空区物探技术在铁路工程地质勘察中的应用[J].物探与化探，2012.
[3] 李志华.铁路煤矿采空区的综合物探研究.[J].物探与化探，2012.
[4] 牛之琏.时间域电磁法原理[M].中南大学出版社，2007.