瞬變電磁法在礦井富水區(qū)探查中的應(yīng)用研究

張同華 袁明旺 張秀軍

(肥城白莊煤礦有限公司，山東 肥城271623)

1 瞬變電磁法簡介

可控源電磁法(CSEM∶Controlled Source EM Methods)，是采用可以控制的人工場源來測量電磁場，通過計算視電阻率和視深度以達到探測地下電性分布的目的。 可控源電磁法分為時間域和頻率域，可控源時間域電磁法(Time domainelectromagnetic methods)，或稱瞬變電磁法(Transient electromagnetic method)，簡寫為TEM。 它是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)送一次脈沖磁場， 在一次脈沖磁場的間歇期間，利用線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法。瞬變電磁法的發(fā)射回線和接收回線組成測量裝置，工作過程分為發(fā)射、電磁感應(yīng)和接收三部分。當發(fā)射回線中通以階躍電流I ，該穩(wěn)定電流突然切斷后，根據(jù)電磁感應(yīng)理論，發(fā)射回線中電流突然變化必將在其周圍產(chǎn)生磁場，該磁場稱為一次磁場，一次磁場在周圍傳播過程中，如遇到地下良導(dǎo)電的地質(zhì)體，將在其內(nèi)部激發(fā)產(chǎn)生感應(yīng)電流，又稱渦流或二次電流。由于二次電流隨時間變化，因而在其周圍又產(chǎn)生新的磁場，稱為二次磁場。

由于良導(dǎo)電體內(nèi)感應(yīng)電流的熱損耗，二次磁場大致按指數(shù)規(guī)律隨時間衰減。 二次磁場主要來源于良導(dǎo)電地質(zhì)體的感應(yīng)電流，因此它包含著與地質(zhì)體有關(guān)的地質(zhì)信息，二次磁場通過接收回線觀測，并對所觀測的數(shù)據(jù)進行分析和處理，解釋地下地質(zhì)體及相關(guān)的物理參數(shù)。

由以上分析可知，瞬變電磁法是在無一次場背景的情況下來觀測純二次場，其主要的噪聲源不同于頻率域電磁法(FEM)；就此而言，二者是不等價的。較好。

第三，進行數(shù)據(jù)濾波處理。 可以選擇無相移數(shù)字濾波、三點濾波、卡爾曼濾波、函數(shù)擬合、綜合濾波(無相移數(shù)字濾波與函數(shù)擬合法相結(jié)合的一種混合方法)以及手動濾波方式。 每種濾波方法的效果是不一樣的，這里選擇了三點濾波和函數(shù)擬合，效果較好。

最后，通過以上處理步驟，在此系統(tǒng)的解釋軟件中可自動計算視電阻率值、繪制初步的視電阻率斷面圖、并產(chǎn)生相應(yīng)的可由Surfer 軟件處理的xyz 格式的數(shù)據(jù)資料，根據(jù)相關(guān)信息，通過Surfer 軟件繪制出最終的結(jié)果圖。

圖1 瞬變電磁數(shù)據(jù)處理及解釋流程圖

2 瞬變電磁法野外數(shù)據(jù)采集

本次勘探采用美國Zonge 公司生產(chǎn)的GDP-32Ⅱ型多功能電法工作站， GDP-32Ⅱ?qū)倜绹鳽onge 工程公司的第四代可控源和天然場源電法和電磁法探測多通道接收機， 是目前國際上最先進的地電磁系統(tǒng)。

本次勘探采用大定源回線裝置，大定源回線裝置布設(shè)大線圈作為發(fā)射線框，在距發(fā)射線框邊框1/3 距離用接收框接收電磁信號。 采用大定源回線裝置有如下優(yōu)點∶

（1）此種裝置能夠在完成地質(zhì)任務(wù)的前提下，提高工作效率；

（2）受地面作物影響較小，只需布設(shè)大線框就可以測量線框內(nèi)部很多點，效率較高。

通過施工前的試驗工作得出當頻率為4Hz 和8Hz 時曲線效果最好，1Hz 和2Hz 曲線尾部效果明顯較差， 考慮到盡可能采集多的深部信息，本次瞬變電磁施工選擇發(fā)射線框為1000m×1000m，頻率4Hz，電流保證18A 以上。

3 瞬變電磁數(shù)據(jù)處理

野外采集到的原始數(shù)據(jù)并不十分理想，這是因為在數(shù)據(jù)采集工作過程中，存在各種干擾。 若以此原始數(shù)據(jù)來繪制解釋圖件進行資料的解釋，則具有很大的難度，甚至出現(xiàn)錯誤解釋。 因此，需要對原始數(shù)據(jù)進行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理，盡量消除各種干擾。

首先，數(shù)據(jù)采集回來后，需要在電腦上先用采集軟件打開數(shù)據(jù)，對原始數(shù)據(jù)挑選或壞數(shù)據(jù)剔除，以保證其后的處理工作順利。 查看每一次數(shù)據(jù)的發(fā)射電流以及電位差的信號是否正確，要求數(shù)據(jù)整體呈指數(shù)衰減趨勢，晚期的時候不能有交叉。

第二，讀取剔除掉壞數(shù)據(jù)之后的數(shù)據(jù)文件，系統(tǒng)自動設(shè)置時間道零點，這時可以看到所有點的歸一化電位曲線，若曲線光滑，則歸一化

4 瞬變電磁法數(shù)據(jù)解釋

4.1 視電阻率斷面圖分析

正常地層沉積時，電性特征呈現(xiàn)一定規(guī)律展示，當砂巖、礫巖、灰?guī)r含水層裂隙發(fā)育充水時電阻率會明顯下降，在電法資料上會形成橫向上的相對低阻異常。

圖2 為L1 線視電阻率擬斷面圖。圖中橫向坐標為測點號，縱向坐標為高程，圖中的黑線表示二1 煤層和一1 煤層，紅色線段為斷層。圖中藍色～黃色～紅色的過渡表示視電阻率值由低～中～高的變化。

圖2 L1 視電阻率斷面圖

從縱向上看，從淺到深其視電阻率基本呈現(xiàn)由低～中～高的電性特征。 圖中上部藍色區(qū)域視電阻率值在40Ω.m 以下，第四系、第三系和二疊系的反應(yīng)。 黃色區(qū)域視電阻率值在60～110Ω.m 之間，為下伏煤系的電性反映，圖下部紅色區(qū)域視電阻率較大，其值一般大于120Ω.m，為奧陶系地層反映。

從橫向上看，電阻率總體變化較大，呈現(xiàn)由小號到大號視電阻率逐漸增大的趨勢，反映了該區(qū)域內(nèi)地層的變化趨勢，總體為南部深，北部淺且斷層處視電阻率變化明顯。

4.2 水平切片圖分析

圖3 綜合水平切片圖

本測區(qū)內(nèi)， 二1 煤深度變化大， 本次制作從標高為0 到標高為-400m 水平切片， 來了解二1 煤附近地層視電阻率由淺到深的變化情況。從圖3 綜合水平切片圖可以看出，由淺到深視電阻率逐漸變大，反映了該測區(qū)內(nèi)正常地層視電阻率變化情況。從-100m 和-200m 水平切片可以看出測區(qū)南部視電阻率明顯小于測區(qū)北部，反映了測區(qū)內(nèi)煤系地層南部深北部淺的總體特征； 從-100m～-400m 水平切片可以看出測區(qū)內(nèi)相對低阻異常分布于全區(qū)內(nèi)，但分布位置處或附近大多都伴隨斷層發(fā)育，說明該測區(qū)內(nèi)低阻富水區(qū)與斷層發(fā)育有密切的關(guān)系。 由淺到深測區(qū)內(nèi)部分低阻異常區(qū)位置和范圍變化較小，說明這些低阻異常區(qū)上下水力聯(lián)系較好。

5 結(jié)束語

近年來， 我國煤礦無論是水害發(fā)生的次數(shù)還是傷亡數(shù)都居高不下，礦井水害已經(jīng)成為制約我們煤礦安全生產(chǎn)的重大隱患，煤礦安全生產(chǎn)形勢嚴峻。瞬變電磁法是一種較新的探水技術(shù)，與其他方法相比，有其獨有的優(yōu)勢，抗干擾、輕便、測距大、對水敏感、定向性好等，因此，該技術(shù)是煤礦水害探測的最佳選擇。

［1］薛國強,李貅,底青云.瞬變電磁法正反演問題研究進展[J].地球物理學(xué)進展,2008,23(4)∶1165-1172.

［2］呂國印.瞬變電磁法的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].物探化探計算技術(shù),2007,29(增刊)∶111-115.