瞬變電磁法在探測(cè)煤礦富水區(qū)中的應(yīng)用

袁振坤，楊亞杰

(1．河南神火煤業(yè) 小煤礦區(qū)域管理一公司，河南 禹州 461670;2．河南神火興隆礦業(yè)有限責(zé)任公司泉店煤礦，河南 許昌 461000)

·技術(shù)經(jīng)驗(yàn)·

瞬變電磁法在探測(cè)煤礦富水區(qū)中的應(yīng)用

袁振坤1，楊亞杰2

(1．河南神火煤業(yè) 小煤礦區(qū)域管理一公司，河南 禹州 461670;2．河南神火興隆礦業(yè)有限責(zé)任公司泉店煤礦，河南 許昌 461000)

煤礦老采空區(qū)水害具有破壞性大，突發(fā)性強(qiáng)等特點(diǎn)，對(duì)礦井安全生產(chǎn)有極大威脅。本文應(yīng)用瞬變電磁法對(duì)禹州神火正德礦業(yè)有限公司礦區(qū)內(nèi)富水區(qū)進(jìn)行了探測(cè)，本次瞬變電磁施工方案設(shè)計(jì)合理，測(cè)區(qū)共布置測(cè)線120條，總計(jì)完成坐標(biāo)物理測(cè)點(diǎn)數(shù)為1 377個(gè)，質(zhì)量檢查觀測(cè)點(diǎn)89個(gè)，總計(jì)物理點(diǎn)數(shù)1 466個(gè)。原始資料總體上質(zhì)量較高，處理、解釋方法正確合理，結(jié)論可靠，達(dá)到了預(yù)期探查目的。通過本次瞬變電磁勘探工作，初步查明:測(cè)區(qū)內(nèi)含有4個(gè)富水區(qū)，1個(gè)四2煤層采空巷道影響區(qū)，3個(gè)(四2煤上部)煤層采空影響區(qū)。

瞬變電磁法;煤礦富水區(qū);探測(cè);應(yīng)用

1 研究區(qū)概況

神火正德礦業(yè)有限公司位于禹州市磨街鄉(xiāng)大澗村境內(nèi)，研究區(qū)位于該公司井田南部，測(cè)區(qū)東北角附近有胡家門、蘇家門等村莊。瞬變電磁法勘探區(qū)位于該公司礦區(qū)內(nèi)，一期與二期工程總有效面積約為1．7 km2，礦區(qū)位于華北地臺(tái)南緣，嵩箕臺(tái)隆小區(qū)東段，白沙—許復(fù)向斜西翼，地層走向近北東，傾向南東。區(qū)域地層出露主要有寒武系、石炭系、二疊系及新生界第四系等。區(qū)內(nèi)礦產(chǎn)以煤、鋁土礦為主，二1煤層基本全區(qū)可采，其他煤層局部可采，是地方的支柱礦產(chǎn)，水泥用灰?guī)r也是區(qū)域內(nèi)重要的建材，鋁土礦局部可采。區(qū)內(nèi)地層出露簡(jiǎn)單，主要為二疊系下統(tǒng)下石盒子組、石千峰組、第四系僅在礦區(qū)北部局部地段分布，區(qū)域內(nèi)鉆孔穿見寒武系、石灰系、二疊系地層。

2 地質(zhì)任務(wù)及地球物理特征

2．1 地質(zhì)任務(wù)

1)利用瞬變電磁法在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行富水區(qū)探測(cè)，基本查明富水區(qū)的范圍。

2)基本查明測(cè)區(qū)范圍內(nèi)斷層的分布情況。

2．2 地球物理特征

瞬變電磁法是以巖石導(dǎo)電性差異為應(yīng)用前提的地球物理勘探方法。根據(jù)本測(cè)區(qū)的地質(zhì)情況特點(diǎn)和以往的工作經(jīng)驗(yàn)可知:一般情況下，如果采空區(qū)充填空氣，所觀測(cè)的二次感應(yīng)電壓信號(hào)初期較強(qiáng)，但衰減較快;如果采空區(qū)充填水，則所觀測(cè)的二次感應(yīng)電壓信號(hào)初期較弱，但衰減相對(duì)較慢。在晚期時(shí)，采空區(qū)充水的二次感應(yīng)電壓信號(hào)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于采空區(qū)充空氣。如果測(cè)區(qū)水系不發(fā)育，且煤層頂?shù)装甯羲院?，則由采空區(qū)顯現(xiàn)高阻特性。如果測(cè)區(qū)水系發(fā)育且頂?shù)装逋杆詮?qiáng)，則由采空區(qū)所引起的電性異常主要表現(xiàn)為低電阻特性。在一定情況下可能會(huì)導(dǎo)致地面變形或者塌陷。斷層接觸帶多充填破碎角礫巖，在本測(cè)區(qū)會(huì)形成導(dǎo)水通道。

當(dāng)?shù)貙优c構(gòu)造含水時(shí)，由于地下水的流動(dòng)性及電離作用，電阻率呈現(xiàn)低阻特征。分析對(duì)比電阻率參數(shù)，區(qū)分物性差異，尋找低阻異常區(qū)可以劃分含水范圍。

在橫向上，沉積地層的電性正常情況下是均一的或變化不大。當(dāng)存在富水性的斷層構(gòu)造或其它良導(dǎo)電地質(zhì)體時(shí)(如斷層破碎帶富水，灰?guī)r內(nèi)的充水溶洞、裂隙、陷落柱等)都將打破水平方向電性均一性。當(dāng)其在三維空間上具有一定規(guī)模時(shí)可改變縱向電性的變化規(guī)律，表現(xiàn)為局部、區(qū)域性的電性異常。

上述不同條件下的電性變化為以電性差異為應(yīng)用前提的瞬變電磁法的應(yīng)用提供了良好的地球物理應(yīng)用前提。

3 瞬變電磁法原理及儀器

瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Method)，簡(jiǎn)稱TEM，屬于電磁感應(yīng)類探測(cè)方法，其機(jī)理就是導(dǎo)電介質(zhì)在階躍變化的電磁場(chǎng)激發(fā)下而產(chǎn)生渦流場(chǎng)效應(yīng)，即利用一個(gè)不接地的回線或磁偶極子向地下發(fā)射脈沖電磁波作為激發(fā)場(chǎng)源，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，脈沖電磁波結(jié)束以后，大地或探測(cè)目標(biāo)體在激發(fā)場(chǎng)的作用下，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生感生的渦流，這種渦流有空間特性和時(shí)間特性，可以利用專門儀器觀測(cè)這種渦流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的強(qiáng)弱、空間分布特性和時(shí)間特性。

本次瞬變電磁法勘探選用的儀器為澳大利亞產(chǎn)的Terra TEM，探頭選用國(guó)產(chǎn)SB－70K(P)磁探頭。Terra TEM是一款先進(jìn)的瞬變電磁儀，有一個(gè)凸形的緊湊包裝，為地球物理學(xué)者提供了一定范圍的測(cè)量功能。由于安裝了中型動(dòng)力發(fā)射機(jī)和高速數(shù)字儀，Terra TEM具備了探測(cè)從淺層高阻巖體到深層礦物目標(biāo)體的能力。大型觸摸屏和直覺菜單使Terra TEM成為市場(chǎng)上最有用戶良好界面的瞬變電磁系統(tǒng)之一?？蛇x擇的附件更進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)性能，能夠?qū)皶r(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行縮減、處理和可視化。系統(tǒng)可為工作人員和細(xì)微的時(shí)空差異提供及時(shí)的質(zhì)量控制反饋。

4 施工參數(shù)選擇

在正式開始工作之前，需要確定瞬變電磁工作中的技術(shù)參數(shù)，由于大定源回線裝置發(fā)射功率比較大，可以產(chǎn)生比較高的信噪比，因此，本次勘探所采用的裝置為大定源回線裝置。大定源回線裝置發(fā)送線框依據(jù)探測(cè)深度，在100 m×200 m至300 m×600 m范圍內(nèi)選擇，長(zhǎng)邊應(yīng)平行于地質(zhì)體走向鋪設(shè)。由于本礦區(qū)目標(biāo)體的最大埋深深度大致為600 m左右，采用200 m×200 m的回線框，可以達(dá)到探測(cè)要求，因此，采用200 m×200 m的框進(jìn)行探測(cè)。

由于發(fā)射電流與瞬變磁場(chǎng)響應(yīng)成正比關(guān)系，供電電流一般為2～30 A，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和地質(zhì)資料，供電電流為6 A時(shí)，已經(jīng)達(dá)到了本次勘探的要求。因此，發(fā)送電流選為6 A。

為了確定測(cè)量的其他參數(shù)，在測(cè)區(qū)已知的鉆孔位置處對(duì)發(fā)射頻率、接受探頭一致性等參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選擇最佳采集參數(shù)。在試驗(yàn)中，采用25 Hz、8．33 Hz、2．5 Hz不同采樣頻率進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè);根據(jù)觀測(cè)結(jié)果和反演計(jì)算結(jié)果，從觀測(cè)質(zhì)量、探測(cè)深度、工作效率等方面綜合分析，確定適合本區(qū)野外工作的采樣頻率、測(cè)量探頭等工作參數(shù)。

本次試驗(yàn)，根據(jù)瞬變電磁法所要完成的地質(zhì)任務(wù)，同時(shí)考慮到TEM方法可能的探測(cè)深度，為了達(dá)到最大探測(cè)深度又能兼顧淺部信息，根據(jù)試驗(yàn)方案的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，確定瞬變電磁法生產(chǎn)參數(shù)如下:

發(fā)送電壓:24 V

發(fā)送電流:6 A

發(fā)送基頻:8．33 Hz

發(fā)送邊長(zhǎng):200 m×200 m

接收線圈面積:2 000 m2

5 成果解釋與探測(cè)成果

5．1 成果解釋

由于篇幅所限本文僅對(duì)視電阻率等值線剖面圖中的一測(cè)線進(jìn)行解釋，在視電阻率等值線剖面圖上，若煤系地層未受采空區(qū)或其它地質(zhì)構(gòu)造影響，其視電阻率值變化穩(wěn)定，等值線呈現(xiàn)明顯的似層狀分布，變化平緩;相反，當(dāng)存在采空區(qū)或其它地質(zhì)構(gòu)造影響時(shí)，其視電阻率等值線發(fā)生扭曲、變形。采空區(qū)充水時(shí)呈現(xiàn)低阻反映，可根據(jù)低阻異常來(lái)確定采空區(qū)的位置。

資料解釋的原則遵循從已知到未知。資料的解釋工作是在地球物理特征的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。對(duì)于瞬變電磁資料，根據(jù)視電阻率的高低反映可以確定采空區(qū)的位置和范圍以及斷層的位置。不充水采空區(qū)在瞬變電磁剖面上表現(xiàn)為相對(duì)高的視電阻率，而充水采空區(qū)在瞬變電磁剖面上表現(xiàn)為相對(duì)低的視電阻率。根據(jù)視電阻率值的高低，如果在周圍的高阻區(qū)域出現(xiàn)相對(duì)低阻的圈閉，認(rèn)定為低阻異常;反之，為高阻異常。根據(jù)等值線全圈閉的變化，以及視電阻率等值線在橫向上的變化來(lái)判斷斷層的位置。

下面對(duì)部分測(cè)線綜合剖面圖進(jìn)行簡(jiǎn)要分析:

測(cè)區(qū)55線視電阻率等值線斷面圖見圖1，圖2。從剖面圖上看，探測(cè)深度范圍內(nèi)縱向視電阻率值有從低到高的變化趨勢(shì)，與實(shí)際地質(zhì)層位的電性分布規(guī)律一致。在瞬變電磁剖面圖中，A代表低阻區(qū)域，C代表中間區(qū)段，B代表高阻區(qū)域。

圖1中，縱、橫坐標(biāo)分別為高程和測(cè)點(diǎn)號(hào)，A為高電阻區(qū)域，B為低電阻區(qū)域。由解釋原則可知，若煤系地層未受采空區(qū)或其它地質(zhì)構(gòu)造影響，其視電阻率值變化穩(wěn)定，等值線呈似層狀分布，變化平緩;相反，當(dāng)存在采空區(qū)或其它地質(zhì)構(gòu)造影響時(shí)，其視電阻率等值線發(fā)生扭曲、變形。

從圖2中可以看出，剖面淺部視電阻率值相對(duì)較低，為表層第四系的反映，主要為砂質(zhì)黏土、砂土及耕植土等，厚度不均勻，在0～16 m變化。高程380～200 m視電阻率值橫向變化不大，為下伏二疊系淺部風(fēng)化層的反映，高程200～50 m，測(cè)點(diǎn)210～420號(hào)點(diǎn)之間出現(xiàn)明顯的低阻圈閉，為富水區(qū)的反映。

5．2 探測(cè)成果

根據(jù)探測(cè)結(jié)果，得到了TEM解釋平面成果圖，見圖3。

圖3 TEM 測(cè)區(qū)解釋成果平面圖

圖3中淺灰圈定區(qū)域?yàn)橄鄬?duì)低阻區(qū)域，推測(cè)為局部富水區(qū)，其中富水區(qū)2，3面積較大，建議在此段采掘時(shí)應(yīng)加以注意，及時(shí)做井下超前探測(cè)或者地質(zhì)預(yù)報(bào)。勘探區(qū)左上角和右下角3個(gè)深灰圈定區(qū)域，相對(duì)高阻，推測(cè)為上部煤層采空影響區(qū)。測(cè)區(qū)中部的深灰所圈定區(qū)域推測(cè)為四2煤巷道采空影響區(qū)。

根據(jù)順?biāo)?煤視電阻率順層切片，結(jié)合測(cè)線斷面圖，推斷富水區(qū)4個(gè)，四2煤巷道采空影響區(qū)1個(gè)。四2煤上部煤層采空影響區(qū)3個(gè)。

6結(jié)論

本次瞬變電磁施工方案設(shè)計(jì)合理，測(cè)區(qū)共布置測(cè)線120條，總計(jì)完成坐標(biāo)物理測(cè)點(diǎn)數(shù)為1 377個(gè)，質(zhì)量檢查觀測(cè)點(diǎn)89個(gè)，總計(jì)物理點(diǎn)數(shù)1 466個(gè)。原始資料總體上質(zhì)量較高，處理、解釋方法正確合理，結(jié)論可靠，達(dá)到了預(yù)期探查目的。

通過本次瞬變電磁勘探工作，初步查明:測(cè)區(qū)內(nèi)含有4個(gè)富水區(qū)，1個(gè)四2煤層采空巷道影響區(qū)，3個(gè)(四2煤上部)煤層采空影響區(qū)。

［1］ 張勝業(yè)，潘玉玲．應(yīng)用地球物理學(xué)原理［M］．中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，2004:

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Application on Transient Electromagnetic M ethod in Probing W ater－rich Area of Coal M ine

Yuan Zhen－kun，Yang Ya－jie

Coal mine goaf water has destructive，sudden and strong feature，the mine production safety is threatened．In this paper by applying the transient electromagnetic method the water－rich areas in the mining area of Yuzhou Shenhuo Zhengde mining company limited were detected，the transient electromagnetic construction scheme design is reasonable，test area arranged 120 measuring lines，total complete coordinate physical measuring points for 1 377，quality inspection observation points 89，total physical points 1 466．On the whole the original data quality is high，processing and interpretation method is correct and reasonable，the results are reliable，achieves the desired probe purpose．The transient electromagnetic exploration initially identified that the measuring area contained 4 water rich areas，1 fourth 2 coal seam gob area，3(fourth 2 coal seam upper)worked － out affected zone．

Transient electromagnetic method;Water－rich area of coal mine;Probe;Application

［TD12］

A

1672－0652(2012)09－0041－04

2012－06－06

袁振坤(1982—)，男，河南商丘人，2006年畢業(yè)于河南理工大學(xué)，助理工程師，主要從事煤礦測(cè)量地質(zhì)及防治水工作(E －mail)yzk163@126．com