瞬變電磁法在伊田煤礦探放水中的應(yīng)用

摘要：采用瞬變電磁法（TEM）在山西潞安集團(tuán)蒲縣伊田煤業(yè)有限公司探查煤礦采空區(qū)積水分布情況、斷層等構(gòu)造的含導(dǎo)水性情況及二#煤底板的富水性情況，為礦井防治水工作的合理實(shí)施提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：瞬變電磁法煤礦采空區(qū)含水性

山西潞安集團(tuán)蒲縣伊田煤業(yè)有限公司一座資源整合礦井，區(qū)內(nèi)老礦井較多，開(kāi)采時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)礦井的安全生產(chǎn)造成極大的隱患。

1、瞬變電磁法勘探原理

瞬變電磁法屬于時(shí)間域電磁法，以通電導(dǎo)線為場(chǎng)源，激勵(lì)并探測(cè)目的物感生的二次電流，在脈沖間隙測(cè)量二次場(chǎng)隨時(shí)間的變化響應(yīng)，以此判斷地下是否存在多層采空區(qū)，具有分辨率高、受地形影響小、工作效率高、靈敏度高、能穿透高阻覆蓋層等優(yōu)點(diǎn)。

瞬變電磁法（簡(jiǎn)稱TEM）是利用不接地回線或接地線圈向地下發(fā)送脈沖電流，以激勵(lì)探測(cè)目標(biāo)體感應(yīng)二次電磁場(chǎng)，脈沖間歇期間，利用線圈或接地電極觀測(cè)二次場(chǎng)隨時(shí)間變化的響應(yīng)。瞬變電磁的基本原理是：工作時(shí)，首先給發(fā)射線框供一直流電流，然后突然切斷電源。線框內(nèi)的電流將發(fā)生一個(gè)突變。根據(jù)麥克斯韋電磁理論，發(fā)射機(jī)電流突然降到零的過(guò)程中，將在發(fā)射線框附近產(chǎn)生一次脈沖磁場(chǎng)，該一次磁場(chǎng)又在地下產(chǎn)生感應(yīng)渦流場(chǎng)，并產(chǎn)生衰變的二次磁場(chǎng)，隨時(shí)間的推移不斷向下、向外擴(kuò)散。這種變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)交替產(chǎn)生，由近及遠(yuǎn)，擴(kuò)散的速度與地下巖層的電阻率有關(guān)，不同時(shí)間擴(kuò)散到不同深度。低電阻率地質(zhì)體如導(dǎo)水?dāng)鄬印⒏凰畢^(qū)、金屬礦體等能引起較強(qiáng)且衰減慢的二次渦流場(chǎng)，而貧水區(qū)等高阻體引起較弱且衰減快的二次場(chǎng)。由于早期信號(hào)反映淺部地電特征，晚期信號(hào)反映較深部地電特征，這就可以達(dá)到測(cè)深的目的。

2、在山西潞安集團(tuán)蒲縣伊田煤業(yè)有限公司煤礦探放水中的應(yīng)用中取得的地質(zhì)成果

本次勘探施工區(qū)域面積約10.46km2，野外工作采用二維測(cè)網(wǎng)布置為40（m）×40（m），即線距40m，點(diǎn)距40m，在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)共布置測(cè)線113條，每條測(cè)線上坐標(biāo)點(diǎn)不等。檢查點(diǎn)按10%考慮，共設(shè)計(jì)工作量約為8740個(gè)物理點(diǎn)。

瞬變電磁勘探施工采用規(guī)則測(cè)網(wǎng)觀測(cè)系統(tǒng)，施工方法選擇分辨率高的中心感應(yīng)裝置，采用480m×480m的單匝回線發(fā)射，有效面積200m2中心探頭進(jìn)行接受采集，供電電流18安培以上，以每一發(fā)射回線中間1/9面積所包含的測(cè)點(diǎn)范圍內(nèi)施工。

2.1視電阻率（ps）擬斷面圖反映特征

圖1是2970線視電阻率斷面圖，該測(cè)線位于測(cè)區(qū)中東部。圖中縱坐標(biāo)為高程，橫坐標(biāo)為測(cè)點(diǎn)號(hào)。圖中黑色實(shí)線分別表示：11#煤底板等高線、2#煤底板等高線，紅色斜線表示斷層。圖中紅色～藍(lán)色的過(guò)渡表示視電阻率值由高～低的變化。

圖2是本測(cè)區(qū)瞬變電磁2450線視電阻率斷面圖，該測(cè)線位于測(cè)區(qū)中部。在縱向上的電性反映與2490線相近。從橫向上看，測(cè)線的540～1340號(hào)測(cè)點(diǎn)之間，深度在120～220之間（圖中紅色虛線圈定區(qū)域），視電阻率值較低。測(cè)線的1560～1860號(hào)測(cè)點(diǎn)之間及測(cè)線的2380～2640號(hào)測(cè)點(diǎn)之間，深度在120～200之間（圖中紅色虛線圈定區(qū)域），有低阻反映，推測(cè)為二疊系煤層采空區(qū)和裂隙含水帶的反映。

圖12970線視電阻率斷面圖

圖22450線視電阻率斷面圖

2970線、2450線ps擬斷面圖反映了這兩條測(cè)線剖面電性分布特征，從縱向上看，從淺到深其視電阻率值基本呈現(xiàn)由中～低～中～高的電性特征。圖中淺部（深度50-80米以淺）為中阻表現(xiàn)，其值從75Ω.m到150Ω.m，從上到下呈逐漸減小的趨勢(shì)，反映了地層上部的電性變化。圖中淺部（深度80～180米）為低阻表現(xiàn)，其值從15Ω.m到50Ω.m，為二疊系砂泥巖地層的反映。中下部（深度180～260米之間）為中阻表現(xiàn)，其值從75Ω.m到250Ω.m呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì)，為二疊系下部地層的反映。下部（深度260米以下）為高阻表現(xiàn)，電阻率值一般都高于250Ω.m，呈逐漸升高趨勢(shì)，為石炭系和奧陶系地層的反映。

其電性成果與實(shí)際地質(zhì)層位的電性分布規(guī)律是一致的，從總體上看，斷面圖視電阻率等值線分布變化劇烈，一是因?yàn)椴煽諈^(qū)塌陷造成的地層分布不連續(xù)引起的，二是受高壓線影響造成的。從圖上看，2970線在840～1360號(hào)點(diǎn)及1840～2280號(hào)點(diǎn)存在兩個(gè)低視電阻率區(qū)（圖中紅色虛線圈定區(qū)域），該區(qū)域是采空區(qū)和富水區(qū)電性反映，2450線在測(cè)線的540～1340號(hào)測(cè)點(diǎn)之間，深度在120～220之間（圖中紅色虛線圈定區(qū)域），視電阻率值較低，。測(cè)線的1560～1860號(hào)測(cè)點(diǎn)之間及測(cè)線的2380～2640號(hào)測(cè)點(diǎn)之間，深度在120～200之間（圖中紅色虛線圈定區(qū)域），有低阻反映，與2#煤采空區(qū)和富水區(qū)的電性反映一致。

2.2平面圖反映特征

在視電阻率異常平面圖上，若地層含有相對(duì)低阻富水區(qū)

和含、導(dǎo)水構(gòu)造時(shí)，電性均勻分布規(guī)律被打破，反映在平面圖上為低阻異常區(qū)呈現(xiàn)視電阻率值減小，等值線扭曲、變形為圈閉或呈密集條帶狀等。在下面（圖3）的2#煤頂板順層視電阻率切片圖上則低阻異常區(qū)更為直觀，表現(xiàn)深藍(lán)色。

圖3 2#煤頂板順層視電阻率切片圖

圖3為2#煤頂板順層視電阻率分布平面。低阻異常區(qū)主要有3個(gè)，異常區(qū)1、2位于測(cè)區(qū)南部，大致于2060～3010線的520～1120號(hào)測(cè)點(diǎn)之間，異常分布范圍較大，異常強(qiáng)度相對(duì)較強(qiáng)，分布區(qū)域煤層底板等高線扭曲、變化劇烈，有大面積采空區(qū)存在；異常3位于測(cè)區(qū)中部，大致在1090～3012線的1600～2200號(hào)測(cè)點(diǎn)之間，異常分布范圍相對(duì)大，異常強(qiáng)度較強(qiáng)，有多個(gè)采空區(qū)分布。

3、評(píng)價(jià)

3.1異常區(qū)評(píng)價(jià)

異常1、2在2060～3010測(cè)線ρs擬斷面圖上都有分布，在各個(gè)層位異常平面圖上分布都較強(qiáng)。異常1、2區(qū)域內(nèi)有大面積采空區(qū)分布，但從異常分布形態(tài)、分布特征和采空區(qū)特征看采空積水區(qū)范圍不是很大，從構(gòu)造上看該區(qū)域有一些較小斷層分布，造成斷層帶電性分布大范圍的變化，引起了整個(gè)斷層帶的低阻異常反映。

異常3分布范圍較大，異常強(qiáng)度較強(qiáng)，在1090～3012測(cè)線ρs擬斷面圖上都有分布。異常3區(qū)域內(nèi)有19012工作面采空區(qū)分布，且異常區(qū)域內(nèi)從二#煤底板等高線看變化平穩(wěn)。異常3應(yīng)為19012工作面采空區(qū)局部積水引起的。

3.2采空區(qū)積水評(píng)價(jià)

瞬變電磁法對(duì)含、導(dǎo)水構(gòu)造等低阻體反應(yīng)敏感，而不含水的采空區(qū)大多是高阻，所以采用瞬變電磁法可以較為準(zhǔn)確地圈出含水構(gòu)造和積水采空區(qū)的邊界和范圍：異常1、2無(wú)法排除異常區(qū)域內(nèi)局部積水的可能性；異常3應(yīng)為19012工作面采空區(qū)局部積水引起的。

4、結(jié)論與建議

通過(guò)本次電法勘探工作，基本查明了測(cè)區(qū)內(nèi)二#煤層及其頂?shù)装甯凰惓^(qū)、采空積水區(qū)的分布范圍和相對(duì)強(qiáng)度、斷層等構(gòu)造的含導(dǎo)水性等。測(cè)區(qū)內(nèi)共發(fā)現(xiàn)3個(gè)低阻異常區(qū)：異常1、2范圍內(nèi)采空區(qū)局部區(qū)域有積水的可能性；異常3應(yīng)為19012工作面采空區(qū)局部積水引起的。

為保證井下采煤生產(chǎn)的安全，建議加強(qiáng)采掘前礦井水文物探（超前探）工作，特別是在生產(chǎn)場(chǎng)地接近異常部位時(shí)應(yīng)邊探邊掘，隨時(shí)觀察記錄水文地質(zhì)條件變化情況，以便實(shí)施針對(duì)性更強(qiáng)和更有效的防治水技術(shù)措施。

參考文獻(xiàn)：

1 牛之璉：2007，時(shí)間域瞬變電磁原理。長(zhǎng)沙：中南工業(yè)大學(xué)出版社