瞬變電磁物探技術(shù)在煤礦防治水的應(yīng)用與研究

王振江

（鄭州煤電公司 告成煤礦，河南 登封 452477）

告成煤礦位于登封市東南12km 的告成鎮(zhèn)，是設(shè)計年產(chǎn)量90 萬t的中型礦井，1999年投產(chǎn)，2003年產(chǎn)量達(dá)到120 萬t。目前有四個采區(qū)：13 采區(qū)、21 采區(qū)、23 采區(qū)和25 采區(qū)，13 采區(qū)已基本回采完，準(zhǔn)備開采21 采區(qū)，為了探查21 采區(qū)下部等區(qū)域二1 煤層頂、底板賦水狀況，指導(dǎo)告成煤礦的安全生產(chǎn)，采用瞬變電磁法在21 采區(qū)下部等區(qū)域進(jìn)行二1 煤層頂、底板賦水狀況探查工作。

通過瞬變電磁物探技術(shù)對21 采區(qū)內(nèi)二1 煤層頂、底板的賦水狀況進(jìn)行探查，劃分了勘探區(qū)內(nèi)二1 煤層頂、底板的富水異常分布區(qū)域，為告成礦的安全高效生產(chǎn)做了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

1 瞬變電磁法的原理

瞬變電磁法屬于時間域電磁感應(yīng)法，它利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)送一次脈沖場，在一次脈沖場間歇期間利用回線或電偶極接收感應(yīng)二次場，該二次場是由地下良導(dǎo)地質(zhì)體受激勵引起的渦流所產(chǎn)生的非穩(wěn)電磁場，通過觀測隨時間變化的二次場信號的變化，進(jìn)而分析判斷出地下地層的電性變化及不均勻地質(zhì)體的分布情況。理論上講，干燥巖石的電阻率值很大，但實(shí)際上地下巖石孔隙、裂隙若是含水的話，隨著巖石的濕度或者含水飽和度的增加，電阻率急劇下降，即賦水性的不均勻程度在瞬變電磁參數(shù)圖件上反映為電阻率的高低變化；當(dāng)巖層完整時其電阻率較高，受構(gòu)造運(yùn)動或地下水作用的影響，部分地段巖層破碎或裂隙發(fā)育，破碎程度及其含水的飽和度越大（砂巖、灰?guī)r富水性增強(qiáng)），巖石的導(dǎo)電性會顯著增強(qiáng)，地層電阻率會明顯降低，斷面圖上會有明顯的低阻異常反映。

2 瞬變電磁法的技術(shù)措施

為了保證野外數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)采取一系列的技術(shù)保證措施：

（1）在生產(chǎn)前進(jìn)行了一定量的試驗(yàn)工作，以選取合適的工作參數(shù)，確保記錄到的早、晚期數(shù)據(jù)能滿足使用要求，在保證質(zhì)量的前提下提高生產(chǎn)效率。

（2）遵循瞬變電磁勘探接收站應(yīng)避免布置在強(qiáng)干擾源、強(qiáng)磁場及金屬干擾物分布的地域的原則。

（3）供電導(dǎo)線絕緣電阻不小于2MΩ，內(nèi)阻不大于6Ω/km。

（4）鋪設(shè)線框時長度誤差不大于5%，方向誤差不得大于1 度，余線成S 形鋪于地面。

（5）瞬變電測勘探野外觀測數(shù)據(jù)的信噪比不小于5，不符合要求的測道超過1/5 則增加疊加次數(shù)重復(fù)觀測。

（6）為保證數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，野外觀測時每個測點(diǎn)都進(jìn)行了2～3 次的重復(fù)觀測；按不低于規(guī)范規(guī)定的5%的要求，在勘探區(qū)合理布置質(zhì)量檢查點(diǎn)。

3 瞬變電磁的參數(shù)選擇及測點(diǎn)布置

3.1 瞬變電磁的試驗(yàn)參數(shù)選擇

瞬變電磁勘探有多種工作裝置，結(jié)合儀器特點(diǎn)及本次勘探任務(wù)要求，采用大定源回線裝置，回線內(nèi)觀測；該方法具有勘探深度大、施工效率高、施工受建筑影響小、劃分異常詳細(xì)等特點(diǎn)。

為了選取合適的工作參數(shù)，結(jié)合勘探深度、測線布置情況要求，于2012年6月11日，在勘探區(qū)煤層埋藏最深處選取了5 個坐標(biāo)點(diǎn)（分別為2200 線的2060-2140號點(diǎn)）進(jìn)行了試驗(yàn)，瞬變電磁物理點(diǎn)總數(shù)為25 個，試驗(yàn)內(nèi)容主要為：

（1）發(fā)射線圈（Tx）的大小：640m×640m

（2）發(fā)射頻率：5Hz

（3）積分時間：60S、90S

（4）增 益：試擇范圍1～6

表1

圖1 瞬變電磁處理流程圖

通過試驗(yàn)和資料處理工作，證明所選用5Hz 的工作頻率和640m×640m 的發(fā)射線框可以保證勘探的深度要求，增益用4 可以保證早期道數(shù)據(jù)不溢出，盡量放大晚期數(shù)據(jù)，使用90s 的積分時間和10A 左右的電流可以保證數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量。根據(jù)對本次試驗(yàn)結(jié)果的分析，在此次瞬變電磁勘探野外施工中選擇如下工作參數(shù)能夠滿足勘探任務(wù)的需要并完成本次地質(zhì)任務(wù)。其工作參數(shù)如下：

工作電流 10A；

發(fā)射頻率 5Hz

積分時間 90S

增 益 4

供電電壓 96V

發(fā) 射 框 640m×640m

接收線圈 接收探頭（有效面積100m2）

3.2 瞬變電磁的測點(diǎn)布置

根據(jù)勘探任務(wù)和設(shè)計的要求，瞬變電磁勘探工作測網(wǎng)布置為：基本線距40m，基本點(diǎn)距20m，全區(qū)均勻布設(shè)測點(diǎn)。瞬變電磁勘探測線東南-西北向布置，全區(qū)布置了編號1000-3360 的測線共60條，坐標(biāo)點(diǎn)1574 個，質(zhì)量檢查點(diǎn)107 個，試驗(yàn)點(diǎn)25 個，共計瞬變電磁物理點(diǎn)1706 個，控制面積1.0km2，部分展點(diǎn)成果如表1 所示。

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 數(shù)據(jù)處理流程

瞬變電磁法觀測數(shù)據(jù)是各測點(diǎn)各個時窗（測道）的瞬變感應(yīng)電壓，需換算成視電阻率、視深度等參數(shù)，以便對資料進(jìn)行下一步解釋，主要步驟如下：

（1）濾波：由于勘探區(qū)內(nèi)人文活動頻繁，存在較大的人文噪聲，故在資料處理前首先要對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，消除噪聲，對資料進(jìn)行去偽存真。

（2）時深轉(zhuǎn)換：瞬變電磁儀器在野外觀測到的是二次場電位隨時間的變化，為便于對資料的認(rèn)識，需要將這些數(shù)據(jù)變換成電阻率隨深度的變化。

（3）繪制各種參數(shù)圖件：首先從全區(qū)采集的數(shù)據(jù)中選出每條測線的數(shù)據(jù)，繪制各測線電阻率斷面圖，即沿每條測線電性隨深度的變化情況。然后依據(jù)二1 煤層底板等高線等地質(zhì)資料繪制出不同層位的視電阻率切片圖。

本次一維層狀反演主要采用視縱向電導(dǎo)解釋和利用美國INTERPEX 公司的TEMIX XL v4 進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)處理及資料解釋流程見圖1。

4.2 瞬變電磁數(shù)據(jù)分析

首先，依據(jù)各條測線的等視電阻率斷面圖，對勘探區(qū)內(nèi)可能存在的地質(zhì)異常區(qū)進(jìn)行解釋。接著對各順層視電阻率切片圖進(jìn)行分析，著重分析地質(zhì)異常區(qū)的分布規(guī)律。最后依據(jù)視電阻率斷面圖和平面圖，結(jié)合地質(zhì)資料成果進(jìn)行對比分析，確定富水異常區(qū)的分布規(guī)律和分布范圍，繪制出勘探區(qū)內(nèi)二1 煤層頂、底板各層位上的富水異常分布區(qū)。

圖2 1920 線等視電阻率斷面圖

4.2.1 對等視電阻率斷面圖的分析

圖2 為勘探區(qū)內(nèi)瞬變電磁測線1920 線等視電阻率斷面圖，圖中的縱、橫坐標(biāo)分別為高程和點(diǎn)號，測線長540m。圖中黑色粗實(shí)線為二1煤層。二1 煤層上方白色填充條帶為二1 煤層頂板破碎帶。圖中紅色～黃色～藍(lán)色的過渡表示視電阻率值由高-中-低的變化。

圖3 二1 煤層頂板上20m 等視電阻率順層切片圖

圖4 二1 煤層頂板上40m 等視電阻率順層切片圖

圖5 二1 煤層頂板上60m 等視電阻率順層切片圖

圖6 石炭系L7-8灰?guī)r等視電阻率順層切片圖

圖7 石炭系L1-4灰?guī)r等視電阻率順層切片圖

圖8 奧陶系灰?guī)r頂界面等視電阻率順層切片圖

圖9 奧陶系灰?guī)r頂界面下30m 等視電阻率順層切片圖

從縱向上看，從淺到深其視電阻率值整體呈現(xiàn)由低-中-低-高阻的電性特征。圖中最頂部視電阻率值較小，其值從10Ω.m 到30Ω.m，為第四系耕植土的電性反映；向下在75m 深度處視電阻率值有所抬升，為古近系上部粉砂巖、砂質(zhì)泥巖段的反映；再向下部有一低阻層，其值從15Ω.m 到50Ω.m，為古近系下部泥巖、砂質(zhì)泥巖層的反映；中下部視電阻率值較高，其值從25Ω.m 到500Ω.m，為三疊系及二疊系砂巖、砂質(zhì)泥巖和煤層等地層的反映；底部視電阻率值最高，為石炭系、奧陶系巖層的反映。

從橫向上看，圖中1840-1860 點(diǎn)處二1 煤層頂板等值線明顯彎曲，呈現(xiàn)視電阻率值低阻封閉圈。因受滑動構(gòu)造影響，井田內(nèi)二1 煤層頂板大部分被破碎帶取代，推斷此處異常為二1 煤層頂板巖層破碎、裂隙含水導(dǎo)致電阻率值降低。

4.2.2 對等視電阻率順層切片圖的分析

分析勘探區(qū)內(nèi)地質(zhì)資料，二 1 煤層頂板破碎帶厚度多在20m 至40m 之間，較厚的地帶如2280 線一帶，可達(dá)60m 以上。因此針對二1 煤層頂板破碎帶以20m 間距提取順層數(shù)據(jù)，制作二1 煤層頂板上20m、二1 煤層頂板上40m 二1 煤層頂板上60m切片圖（圖3 至5），以分析二1 煤層頂板破碎帶的含水性。圖6-圖9 分別是石炭系太原組L7-8灰?guī)r、石炭系太原組L1-4灰?guī)r、奧陶系灰?guī)r頂界面、奧陶系灰?guī)r頂界面下30m 的等視電阻率順層切片圖。圖中紅色-黃色-藍(lán)色的過渡表示視電阻率由高～中～低的變化。橫坐標(biāo)表示測線號，縱坐標(biāo)表示點(diǎn)號。

5 存在問題及建議

5.1 受勘探區(qū)內(nèi)地形地物影響，個別測點(diǎn)無法布設(shè)（如1240 線的1440 點(diǎn)和如1480 線的1360 點(diǎn)等），在此區(qū)域勘探精度受一定影響。

5.2 建議對各富水區(qū)予以足夠的重視，特別是斷層附近和斷層尖滅處的富水區(qū)。

5.3 由于隨著開采的影響，上下地層之間存在的水力聯(lián)系加大，建議礦方在開采過程中對圈定的富水異常區(qū)地段進(jìn)行井下鉆探工作，進(jìn)行近距離的精確探測，以確保安全生產(chǎn)。

5.4 建議在生產(chǎn)過程中及時將井下揭露地質(zhì)水文情況和出水量進(jìn)行反饋，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)定量修正，更好地為礦方安全生產(chǎn)服務(wù)。