瞬變電磁法在礦區(qū)水文地質(zhì)勘查中的應(yīng)用

袁 春， 王嵩嵩

（1.吉林省煤田地質(zhì)物探公司，吉林 長春 130031；2.吉林省煤田地質(zhì)勘察設(shè)計研究院，吉林 長春 130021）

0 引 言

某煤礦在1956年勘探時，在煤礦的東部煤層淺部（現(xiàn)為采空區(qū)）打過鉆孔，對深部沒有進行控制，煤礦在生產(chǎn)過程中對深部殘煤進行了巷道清理揭露，擴大了煤層儲量。1988年9月在原礦井的基礎(chǔ)上建井，次年6月建成投產(chǎn)，主要對深部煤層進行邊采邊探。區(qū)內(nèi)地質(zhì)工作是在原國有礦山開采探明基礎(chǔ)上進行的，利用原開采圖件資料查找和開采殘煤，所以，本礦區(qū)地質(zhì)情況及煤層賦存情況已清楚。鄰區(qū)以往雖然進行了大量的地質(zhì)工作，但對本區(qū)的地下地質(zhì)構(gòu)造和煤層的起伏形態(tài)了解不深。而鉆孔所了解的地質(zhì)情況僅局限于一點，對全區(qū)的了解遠遠不夠，且勘探區(qū)地下地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，以往地質(zhì)及工作遠遠達不到礦井建設(shè)的需要。加之本區(qū)內(nèi)淺部煤層多年被開采，對深部煤層開采產(chǎn)生影響，且小煤窯開采資料保留不足，因此，有必要對煤層的開采及水文地質(zhì)情況進行大致了解，為礦區(qū)提供地下地質(zhì)體的構(gòu)造情況，滿足礦井建設(shè)的需要［1］。

1 水文地質(zhì)特征

1.1 含水層

1）第四系全新統(tǒng)粉砂、細砂、亞粘土孔隙水含水層主要分布于溝谷及低洼處，結(jié)構(gòu)松散，厚度2～10m，一般寬度30～100m，水位埋深一般2～5m。富水不均勻，總的為弱富水。主要接受大氣降水與山坡帶潛水補給，少部分孔隙水受溪流補給。

2）侏羅系安民組安山巖、流紋巖、砂巖風化裂隙水含水層，該含水層分布面積較大，且穩(wěn)定和連續(xù)性好，厚度270～1 010m，巖性主要為安山巖、流紋巖、細砂巖、凝灰質(zhì)砂巖，以泥質(zhì)膠結(jié)為主。該含水層主要接受第四系含水層的補給，隨深度增加，含水性逐漸減小。經(jīng)礦山開采證實，礦井正常涌水量20m3／h，最大涌水量30m3／h，含水系數(shù)為1.135 2～2.375 8，屬弱富水。

3）構(gòu)造裂隙水，礦井內(nèi)部斷層不發(fā)育，井下所見多為壓扭性小斷層，少數(shù)為張扭性斷層，破碎帶寬0.2～2m，擠壓片理，三角面發(fā)育，多為斷層泥充填，井下未見明顯的涌、漏水現(xiàn)象，僅局部有潮濕顯示，表明斷層破碎帶基本上不含水或微弱含水，且導(dǎo)水性差。

1.2 隔水層

煤層頂?shù)装寰鶠樯皫r、砂質(zhì)頁巖互層，泥質(zhì)膠結(jié)，裂隙不發(fā)育，厚度90～120m。除少數(shù)裂隙微弱含水外，余者一般不含水或含水微弱。

1.3 地下水的補給逕流排泄條件

第四系含水層主要補給來源為大氣降水的滲入。侏羅系安民組安山巖、流紋巖、砂巖含水層主要是接受第四系含水層的補給。地下水的排泄則主要以礦井的開采排水及供水的疏干為主要方式。

1.4 礦井充水因素

坑道內(nèi)主要充水因素是受大氣降水補給的第四系含水層中的地下水，沿孔隙、裂隙滲入井筒，流入坑道。

1.5 礦坑涌水量預(yù)測

煤礦目前采礦標高為－40m，并且開采多年，本次礦坑涌水量預(yù)測采用比擬法，預(yù)測標高為－220m，各項參數(shù)采用－40m實際開采過程中的數(shù)據(jù)。

通過計算預(yù)測坑道涌水量為44.8（正常）～67.2t／h（最大）。

上述為2010年7月時的煤礦水文情況，其中，礦區(qū)內(nèi)老采空區(qū)及周邊老采空區(qū)分布、積水情況沒有描述。

2 物性特征

地球物理勘探方法以各巖層的物性、電性差異為勘探對象及解釋依據(jù)，勘探目的層與圍巖的物性、電性差異大小直接影響物探成果的精度，決定勘探方法的可行性。

2.1 地表地質(zhì)條件及其它影響條件

本區(qū)地勢較為平緩，地表基本上是農(nóng)田和林地，測區(qū)地面高壓線等對電法數(shù)據(jù)采集質(zhì)量有較大影響。

2.2 淺、深部地球物理條件

本區(qū)淺部地層主要是第四系地層。深部地層較為平緩，主要標志層間距變化不大，巖性、巖相組合特征清楚，各標志層與圍巖物性差異較明顯，如采空區(qū)無水為相對高阻，充水則為相對低阻，為電法勘查對比解釋提供了有利條件。但斷裂構(gòu)造的發(fā)育會對資料的認識、解釋產(chǎn)生影響，因為有的裂隙富水。

3 方 法

本次勘探的地質(zhì)任務(wù)是探測采空區(qū)及積水情況，因而選擇了對低阻反應(yīng)靈敏、橫向分辨率高的瞬變電磁法進行施工。瞬變電磁法（TEM）是一種時間域人工源的電磁法，具有較高的抗干擾能力和分辨率，其原理是：首先給地面的發(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)生一個突變，這種瞬態(tài)變化的電流將在空間產(chǎn)生一個瞬態(tài)的磁場，二次瞬態(tài)磁場引起地下形成渦流，渦流隨時間的推移不斷向地下半空間擴散，擴散的速度與地下地層的電阻率有關(guān)，不同時間擴散到不同深度。我們通過記錄地下渦流變化（即磁場變化率dB／dT）的情況來達到了解地下電阻率的目的［2］。

含水巖層（砂巖、巖溶裂隙、采空區(qū)）本身是一有限導(dǎo)電地質(zhì)體，其瞬變電磁響應(yīng)（同點裝置多測道）表現(xiàn)為中間低兩側(cè)高的異常特征。圍巖電阻率較小時，集流響應(yīng)的支配作用使瞬變電磁異常特征更為明顯，加上含水巖體上經(jīng)受激發(fā)極化效應(yīng)的影響，含水巖層上甚至可以測量到負的瞬變電磁響應(yīng)，有利于這類地質(zhì)體的探測。

在數(shù)據(jù)采集工作開展前進行野外工作參數(shù)的試驗工作，選擇最佳施工參數(shù)。

其試驗?zāi)康娜缦拢?/p>

1）通過試驗確定最佳施工參數(shù)。

2）了解測區(qū)的物性條件、工作環(huán)境、干擾背景。

3）對設(shè)計提出的工作布置及地質(zhì)任務(wù)情況進行論證。

4）對設(shè)計方案提出優(yōu)化。

試驗主要內(nèi)容為：

1）發(fā)射線圈。在滿足勘探深度的前提下選擇較小線圈，以提高工作效率，根據(jù)試驗選擇5m×5m，可以滿足設(shè)計要求的地質(zhì)任務(wù)。

2）電流脈沖寬度（ms）。為保證對目的層的有效觀測，選取適合于本區(qū)的發(fā)射脈沖寬度，試驗了10，20，40ms。通過儀器衰減曲線對比及深度演算得出，40ms為最佳發(fā)射電流脈沖寬度。

3）TEM測深發(fā)射邊框5m×5m，發(fā)射電流25A，50A進行了4μs采樣15 200μs的試驗。一般來說，采樣延遲大，捕捉深部信息多。但針對本區(qū)地質(zhì)任務(wù)，兼顧淺層與深層的信息。

4）疊加次數(shù)。通過試驗選取合適的次數(shù)，既保證采集數(shù)據(jù)完整，又能保證經(jīng)濟效益的原則［3－4］。

煤礦水文地質(zhì)瞬變勘探成果如圖1所示。

圖1 煤礦水文地質(zhì)瞬變勘探成果圖

4 勘探結(jié)果

1）可能的采空區(qū)分布面積相對較小（合計0.073km2），不規(guī)則。

2）構(gòu)造復(fù)雜，斷層較多。全區(qū)地層傾角較大，推斷解釋斷層6條，F(xiàn)4，F(xiàn)5，F(xiàn)6，F(xiàn)7，F(xiàn)8，F(xiàn)9均為正斷層，走向主要為南北向。

3）異常區(qū)富水情況。26，27線的125～225m，應(yīng)為采空區(qū)富水區(qū)（充水系數(shù)可能100%，面積約0.028km2），并且向界外延伸；其它采空區(qū)充水系數(shù)可能75%～25%充水（面積約0.106km2），且向界外延伸；采空區(qū)積水量估算77 760m3，積水量為物探施工時的估算量，隨著時間的推移，這個量應(yīng)該是有變化的［5－6］。部分或局部的煤層上覆或下伏地層中含水量相對較大，且向界外延伸。

4）導(dǎo)水情況。反映出有斷裂構(gòu)造發(fā)育，且富水區(qū)有斷層存在，構(gòu)成上覆或下伏地層與下面煤層及采空區(qū)之間的導(dǎo)水通道［7－8］。

通過實踐證明，瞬變電磁法是在解決礦區(qū)水文地質(zhì)勘查中的一種行之有效的勘查方法。

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