瞬變電磁勘探在煤礦水文地質專項勘查中的應用

曹莉蘋，古志文 ，謝小國

（1.成都理工大學，成都 610059；2.四川中成煤田物探工程院有限公司，成都 610072）

我國川南地區(qū)煤礦水文地質條件復雜，煤礦采空區(qū)積水、地下富水帶與巖溶水害已經成為制約該地區(qū)煤礦安全生產的重大隱患[1-2]。采用瞬變電磁勘探技術，已經成為探測和發(fā)現煤礦水害、保障礦井安全生產最有效的途徑。

1 瞬變電磁法（Transient electromagnetic method）簡介

1.1 方法原理

該法是在地表敷設不接地線框或接地電極，輸入階躍電流。當回線中電流突然斷開時，在下半空間就要激勵起感應渦流以維持斷開電流前已存在的磁場。并且，此渦流場隨時間以等效渦流環(huán)的形式向下傳播、向外擴展，利用不接地線圈、接地電極或地面中心探頭觀測此二次渦流磁場或電場的變化情況，用以研究淺層至中深層的地電結構，進而達到解決地質問題的目的[3-5]。TEM被認為是目前劃分風化層厚度和圈定構造、破碎帶并確定其產狀最有效方法。由于是在沒有一次場背景的情形下觀測純二次場異常，因而探測效果更直接、更明顯、原始數據保真度更高，其工作原理見圖1。

1.2 方法特點

1）把頻率域法的精確度問題轉換成靈敏度問題，加大功率靈敏度可以增大信噪比，加大勘探深度；

2）高阻圍巖地區(qū)不會產生因地形起伏影響的假異常；低阻圍巖區(qū)，由于是多道觀測，地形影響也較易分辨；

3）可以采用同點組合（同一回線，重疊回線，中心回線）進行觀測，使與探測目標的耦合最緊，取得的異常響應強，形態(tài)簡單，分層能力強；

4）線圈點位、方位或接發(fā)距要求相對不嚴格，測地工作簡單，工效高；

5）有穿透低阻覆蓋的能力，探測深度大；

6）剖面測量與測深工作同時完成，提供了更多有用信息，減少了多解性。

圖1 瞬變電磁原理示意圖

一般來講，巖石隨著濕度或者飽和度的增加，電阻率相對降低。斷層、陷落柱的電阻率主要取決于巖石的破碎程度及其富水性，富水斷層、陷落柱的電阻率遠小于不富水斷層、陷落柱和周圍不富水地層的電阻率，這是瞬變電磁探測含水斷層、陷落柱和進行富水區(qū)探測的地球物理依據。

2 資料處理與解釋

2.1 資料處理

野外采集的數據含有發(fā)射線框、發(fā)射電流、接收線圈、疊加次數、接收增益等諸多因素的影響，必須進行歸一化處理[2]。資料處理流程如圖2。

2.2 資料解釋

瞬變電磁資料的處理工作和解釋工作是同時進行的，它們之間存在一種從實踐到認識的提升過程。瞬變電磁資料的解釋主要依據單點數據結合整條測線的視電阻率等值線斷面圖對測區(qū)內地層、煤系地層的富水情況及灰?guī)r巖溶發(fā)育情況進行解釋。

1）根據相關巖石的地球物理特征，在視電阻率擬斷面圖上根據視電阻率等值線形態(tài)，推斷地層空間形態(tài)；

2）圈出圍巖相對低阻異常范圍，推斷其空間位置；

3）根據地層的含水特征推斷異常的富水狀況；

4）結合已有地質資料和鉆孔資料，定性分析推斷的富水異常、富水類型及富水區(qū)的分布和規(guī)模；

5）根據確定的富水巖層、導水斷層、陷落柱和巖溶的電磁異常特征，推斷未知地區(qū)的異常。

圖2 資料處理流程

6）將視電阻率等值線斷面圖與不同標高視電阻率水平切片圖結合，解釋圈定電法異常在視電阻率水平切片上的展布。對有異常反應的區(qū)域在平面位置上進行圈定和組合，初步確定富水異常區(qū)的范圍；然后與視電阻率等值線斷面圖進行對比分析，進一步確定富水區(qū)的分布范圍及賦存形態(tài)，并繪制出綜合解釋圖。

3 應用效果

3.1 巖溶溶洞富水區(qū)和巖溶裂隙富水區(qū)

川南某無煙煤礦床，小窯開采歷史悠久。采用瞬變電磁勘探與水文地質工作結合，通過瞬變電磁勘探成果和已有地質資料分析，確定了暗河、疑似陷落柱和含水異常帶的分布等。

圖3 視電阻率等值線斷面圖

工作區(qū)地層有第四系，三疊系飛仙關組，二疊系宣威組、峨眉山玄武巖、茅口、棲霞組等。第四系坡、殘積和沖、洪積物多分布在坡麓、低洼地、溝谷及河床邊灘，不整合于各時代地層之上，厚度不大，導電性能強，呈低阻反映。飛仙關組主要以砂巖、泥巖為主，電阻率呈低阻反應，該地層富水或破碎區(qū)域視電阻率較低。峨眉山玄武巖在節(jié)理不發(fā)育的情況呈高阻反應，勘探區(qū)內玄武巖層厚較薄、節(jié)理較為發(fā)育，其電阻率值比正常值偏低，呈中高阻反應。茅口灰?guī)r在巖溶不發(fā)育的情況下呈高阻反應，在巖溶發(fā)育的情況根據富水情況呈中低或低阻反應。

通過數據處理，繪制視電阻率等值線斷面圖（圖3、圖4）。可以看出，低阻異常區(qū)Ⅰ和低阻異常區(qū)Ⅱ（圖 3）均發(fā)育在茅口灰?guī)r中。從形態(tài)可以看出，低阻異常區(qū)Ⅰ為獨立發(fā)育的巖溶溶洞富水區(qū)，可能是由于巖溶溶洞發(fā)育所致；低阻異常區(qū)Ⅱ為串連發(fā)育的巖溶裂隙富水區(qū)，可能是由于該處含水裂隙較為發(fā)育所致。

低阻異常區(qū)Ⅱ接近地表，通過水文地質調查，該處地下水主要是溪溝水經過棲霞灰?guī)r的落水洞成為地下水，徑流一段距離后又以巖溶泉或暗河出口泄出地表，地下水位標高510～530m。由于礦井回風斜井落平標高+455m，低于上述地下水集中排泄區(qū)的標高，在降落漏斗形成并擴展時，將疏排地下水，從而引起勘探區(qū)域地下水位下降，改變其地下水流場，將以礦井回風井標高+455m作為排泄地。預計礦井回風井水量甚大，有可能產生突水、淹井事故，成為重要水害。

圖4 視電阻率等值線斷面圖

3.2 斷層反映

如圖4所示，在高程約445～480m、點號550～800之間，宣威組地層中存在一低阻異常區(qū)Ⅲ。宣威組為煤系地層，以泥巖、砂巖、粘土巖為主。根據鉆孔資料，該處揭露隱伏斷層f15，在該斷層影響下，巖石破碎，形成斷層擠壓破碎帶，溝通了地表水體的通道，進而形成裂隙富水區(qū)帶[6-7]。該富水區(qū)具有富水性不均一、富水性弱等特點，但由于低阻異常區(qū)Ⅲ在垂直標高上有一定發(fā)育，推斷其裂隙可能和地表水體有水力聯系。巷道施工靠近此類異常區(qū)需提前探查，以防裂隙導通此類富水異常區(qū)而產生突水事故。

3.3 暗河發(fā)育情況和受斷層影響裂隙富水區(qū)

川南某礦井位于四川盆地與云貴高原的過渡地帶，河谷切割強烈，水文地質條件復雜，曾進行過不同程度的地質及水文地質勘查工作。區(qū)內地層最老為茅口棲霞組，最新為第四系全新統(tǒng)。斷層較發(fā)育，溶洞、漏斗、溶丘、溶蝕洼地、槽谷等巖溶地貌發(fā)育齊全，形態(tài)各異，暗河管道系統(tǒng)十分復雜。為進一步查明勘探區(qū)域范圍內的地下承壓水賦存情況，查清巖溶、疑似陷落柱、暗河、富水區(qū)（帶）的分布，在勘探區(qū)內開展了水文地質專項勘查和瞬變電磁勘探工作。

圖5 視電阻率水平切片圖

經瞬變電磁法勘探，查出暗河影響區(qū)域位于工區(qū)西北端的棲霞茅口組地層中，影響區(qū)域由上至下由北向南擴大（圖5）。推測暗河走向為北東東，流向為北東東向南西西方向。暗河富水區(qū)底板低于暗河排泄口標高，在暗河影響區(qū)內巖石破碎，富水性極強。另外，暗河影響區(qū)域鄰近斷層F27末端，與受F27斷層末端影響的低阻異常區(qū)Ⅱ關系緊密，在裂隙和小溶洞連通下，兩個異常區(qū)含水體相互補給。

通過對勘探區(qū)進行瞬變電磁勘探，進一步驗證了以往地質推斷的暗河的存在，且基本查出了部分暗河的分布和運動軌跡。另外，加深了斷層F27的認識。斷層F27尾部位于勘探區(qū)內茅口棲霞地層，在該斷層的影響下，茅口棲霞地層巖體破碎，裂隙非常發(fā)育。且在勘探區(qū)北部，發(fā)育一暗河，該暗河與斷層造成的裂隙相互連通，使得勘探區(qū)內，茅口棲霞地層富水性強，在復雜的構造作用下形成了一個區(qū)域范圍較大的巖溶富水區(qū)，區(qū)內溶洞（圖5 低阻異常區(qū)Ⅲ）和裂隙（圖5 低阻異常區(qū)Ⅱ）均發(fā)育，對巷道掘進和煤層回采造成較大影響。

4 結論

瞬變電磁法具備測地工作簡單、工作效率高、分層能力強、對低電阻率地質目標體反應敏感等特點，結合水文地質調查資料，更能較好地反映地下地質異常體、探測巖溶發(fā)育帶，為煤礦水害防治提供可靠地質依據。

[1] 虎維岳.礦山水害防治理論與方法[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2005.

[2] 梁爽.瞬變電磁法在煤礦水害防治中的應用[J].煤田地質與勘探，2012：70～73.

[3] 李貅.瞬變電磁測的理論與應用[M].西安：陜西科學技術出版社，2002：102□105.

[4] 牛之璉.時間域電磁法原理［M］.長沙：中南大學出版社，2007：7□67.

[5] 方文藻.瞬變電磁測深法原理[M].西安：西北工業(yè)大學出版社，1993.

[6] 劉樹才，劉志新，姜志海.瞬變電磁法在煤礦采區(qū)水文勘探中的應用[J].中國礦業(yè)大學學報，2005 ：34.

[7] 黃力軍，陸桂福，劉瑞德.電性源瞬變電磁法在煤田水文地質調查中的應用[J].工程地球物理學報，2004(4)：174～177.