綜合物探技術(shù)在勘查礦區(qū)水文地質(zhì)中的應(yīng)用

武 鵬

(山西省煤炭地質(zhì)水文勘查研究院，山西 太原 030006)

綜合物探技術(shù)在勘查礦區(qū)水文地質(zhì)中的應(yīng)用

武 鵬

(山西省煤炭地質(zhì)水文勘查研究院，山西 太原 030006)

介紹了瞬變電磁法與直流電法的基本原理，對二者的工作方法及在礦區(qū)水文地質(zhì)勘查中的使用儀器和裝置進(jìn)行了闡述，并對應(yīng)用效果進(jìn)行了分析，結(jié)果表明綜合物探方法在礦區(qū)水文地質(zhì)勘查中是一種行之有效的方法。

瞬變電磁法，直流電法，綜合物探，水文地質(zhì)

0 引言

全球性的能源短缺，給煤炭事業(yè)的發(fā)展開辟了前所未有的發(fā)展空間，然而對查清影響煤礦安全生產(chǎn)的水文地質(zhì)條件也提出了更高的要求。近年來，礦區(qū)透水事故不斷發(fā)生，給企業(yè)造成重大的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此綜合物探技術(shù)在礦區(qū)水文地質(zhì)勘查中的應(yīng)用也日益增多和倍受青睞，以從根本上預(yù)防礦區(qū)水害的發(fā)生。

1 物探方法及原理

1.1 瞬變電磁法

瞬變電磁法(簡稱TEM)是利用不接地回線向地下發(fā)送一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場的間歇期間，利用另一回線或探頭接收由地下地質(zhì)體受激勵引起的渦流產(chǎn)生的隨時(shí)間變化的感應(yīng)二次場的一種方法[1,2]，如圖1所示。

1.2 直流電法

直流電法中激發(fā)極化測深法是很早應(yīng)用并發(fā)展起來的一種較成熟的方法。其基本原理是通過一對接地電極把電流供入大地，并在同一測點(diǎn)上逐次擴(kuò)大極距，而通過另一對接地電極觀測地質(zhì)體所產(chǎn)生的電位或電位差，以計(jì)算得到觀測點(diǎn)處沿垂直方向由淺到深的視電阻率ρS及極化率ηs的變化情況[3-5]。

2 地球物理特征及使用儀器及裝置

2.1 地球物理特征

煤層賦存于成層分布的煤系地層中，煤層被開采后形成采空區(qū)，破壞了原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，使得采空區(qū)及其上部地層的地球物理特征發(fā)生了顯著變化，主要表現(xiàn)見表1。

一般情況下，冒落帶的高度一般在十幾米左右，其內(nèi)部充填的松散物的視電阻率明顯高于周圍介質(zhì)，裂隙帶的高度一般在幾十米，主要是由于采空區(qū)塌陷造成巖石出現(xiàn)裂隙，巖石的電阻率明顯變大，而當(dāng)采空區(qū)充水較多時(shí)，由于水的存在，導(dǎo)電性變強(qiáng)，采空區(qū)的電阻率明顯變小[6，7]。

由此可見，采空積水區(qū)的視電阻率明顯區(qū)別于采空區(qū)和未采區(qū)的視電阻率，是本次電法探測采空積水區(qū)的物理前提。

表1 煤巖層物性參數(shù)表

2.2 儀器及裝置

本次探測使用的是IGGETEM-30B型瞬變電磁儀，采用重疊回線框裝置，20 m×40 m的“∞”字形4匝線框，儀器參數(shù)的選擇如下:

時(shí)基：40 ms；采樣道：66道；關(guān)斷時(shí)間：50 μs；延時(shí)：340 μs；接收面積：800 m2；發(fā)射框：20 m×40 m；延時(shí)道：Log10；疊加次數(shù)：512次；發(fā)射電流：5.5 A。

激發(fā)極化測深法采用TD-3數(shù)字直流電法儀，根據(jù)勘探區(qū)各煤層的埋藏深度情況，將AB/2極距最大選擇為300 m，以保證勘探深度能探測到10號煤層以下。裝置采用溫納測深裝置，即供電電極距AB/2為測量電極距MN/2的3倍[8]，電極排列形式見表2。

表2 激發(fā)極化法電極排列一覽表 m

時(shí)間參數(shù)的選取為：TIME=10 000 ms，V-DELY=5 000 ms，M-DELY=250 ms，M-END=270 ms，M2-END=5 250 ms，供電電壓在900 V左右，供電電流在700 mA左右。

3 資料解釋

資料解釋中應(yīng)遵循由已知到未知、從點(diǎn)到面、從簡單到復(fù)雜的原則。瞬變電磁法實(shí)測曲線解釋中，首先分析已知鉆孔資料與TEM曲線的對應(yīng)關(guān)系，再結(jié)合地質(zhì)、含水層視電阻率值的大小及層厚和埋深等因素[9-12]，由點(diǎn)到線，由線到面，解釋工作區(qū)內(nèi)煤層頂?shù)装搴托「G采空區(qū)富水性及奧陶系灰?guī)r含水層的富水情況，劃分、圈定富水異常區(qū)范圍及對測區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造導(dǎo)水性進(jìn)行評價(jià)。

3.1 異常特征

由2.1節(jié)對采空區(qū)及采空積水區(qū)特征的描述，本區(qū)基本符合該特征，具體表現(xiàn)為：

1)采空區(qū)在瞬變電磁多測道電壓剖面圖和平面圖上表現(xiàn)為“低電壓值異常”，在視電阻率擬斷面圖和平面圖上表現(xiàn)為“高電阻異常”[13]。

2)采空區(qū)充水較多時(shí)，在瞬變電磁多測道電壓剖面圖和平面圖上表現(xiàn)為“高電壓值異常”，在視電阻率擬斷面圖和平面圖上表現(xiàn)為“低電阻異常”，在激電測深曲線和斷面圖上表現(xiàn)為“高極化率異常”[14]。

以此作為資料分析解釋的依據(jù)對所測的曲線進(jìn)行分析解釋。

3.2 探測資料的分析解釋方法

野外采集資料經(jīng)整理、處理后，對處理后的資料采用了多種方法進(jìn)行分析解釋，主要有衰減曲線類型分析、數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析、縱橫向?qū)Ρ确治鋈N方法。

3.2.1 衰減曲線類型分析

不同地質(zhì)條件下的衰減曲線類型不同，通過對衰減曲線分類，可以初步確定勘查區(qū)的地層變化情況。本次瞬變電磁法衰減曲線類型主要有兩類：一類曲線中段衰減較慢[15]，說明測點(diǎn)處的地層電阻率較低，另一類曲線從中段到尾支衰減較快，說明測點(diǎn)處的地層電阻率較高，從側(cè)面可以反映出采空區(qū)與采空積水區(qū)及未采區(qū)的區(qū)別。

3.2.2 數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析

通過數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的方法，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定解釋的基線標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確地劃分正常區(qū)和異常區(qū)。本次數(shù)理統(tǒng)計(jì)主要是對各測道電壓的最大值、最小值和中值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)[16]，并計(jì)算其平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，以平均值為基線在多測道剖面圖和等電壓平面圖確定瞬變電磁法的正常區(qū)和異常區(qū)，把電壓值分成不同的級別，從電壓值的大小可以劃分煤層的未采區(qū)、采空區(qū)和采空積水區(qū)。

3.2.3 縱橫向?qū)Ρ确治?/p>

橫縱向?qū)Ρ确治鲋饕运沧冸姶哦鄿y道電壓剖面和等電壓平面圖分析，從多測道電壓剖面的曲線異常形態(tài)分析采空區(qū)和未采區(qū)的位置，同時(shí)，結(jié)合擬視電阻率斷面圖確定采空區(qū)的深度，從不同測道等電壓平面圖的異常形態(tài)分析采空區(qū)和未采區(qū)的范圍，綜合對比兩種分析解釋的結(jié)果，使解釋結(jié)論更趨于實(shí)際。

等視電阻率斷面是研究沿測線方向斷面上ρs值的變化，它能比較詳細(xì)和清楚地反映地下構(gòu)造特征和各種地質(zhì)現(xiàn)象，等ρs斷面圖是電測深定性圖件中最重要的一種，是解釋中不可缺少的圖件之一。等視電阻率斷面圖上的等值線的變化反映了斷面地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)和各種地質(zhì)現(xiàn)象，如背斜、向斜、斷層、采空區(qū)、陷落柱及深淺層構(gòu)造關(guān)系，同時(shí)，從圖中可以看出巖層的缺失、新地層的出現(xiàn)，以及地層巖性橫向、縱向變化等地質(zhì)現(xiàn)象。同樣，等ηs斷面圖與之類似，它反映了地質(zhì)斷面上的富水情況。

4 工程實(shí)例

4.1 測線、測點(diǎn)的布置

選取勘探區(qū)5線(94個(gè)測點(diǎn))進(jìn)行瞬變電磁特征分析，并對5線33號點(diǎn)進(jìn)行直流激電特征分析，進(jìn)而驗(yàn)證和確定異常區(qū)的特性。

4.2 選取典型的測線進(jìn)行分析

1)瞬變電磁。

多測道電壓剖面圖上(見圖2)，中、晚期測道曲線出現(xiàn)3處高值異常，分別為9號～10號點(diǎn)、31號～35號點(diǎn)、61號～62號點(diǎn)，異常幅度較大。

視電阻率擬斷面圖上(見圖3)，標(biāo)高1 450 m左右，31號～35號點(diǎn)等值線的阻值較低，為煤層采空區(qū)積水的反映，結(jié)合調(diào)查的煤礦采空資料綜合分析認(rèn)為，9號～10號點(diǎn)的高值異常為地面鐵磁物質(zhì)干擾所致，31號～35號點(diǎn)、61號～62號點(diǎn)的異常為采空積水的反映。

2)直流激電。5線33號點(diǎn)：曲線形態(tài)與30號點(diǎn)類似，從ρs單支曲線看出(見圖4)，AB/2=3 m～18 m曲線由低到高變化，為覆蓋層的反映，AB/2=18 m～45 m的高阻段為砂巖的反映，AB/2=45 m～150 m的直線段為煤系地層的反映，AB/2=150 m～300 m曲線沿某上角度直線上升，為砂巖的反映。從ηs單支曲線看出(見圖5)，淺部的90 m以上的ηs值較低，說明90 m以上地層富水性較差,AB/2=90 m～180 m曲線出現(xiàn)高值異常，ηs值最大達(dá)2.5%左右，結(jié)合煤層賦存深度，解釋該段為強(qiáng)含水層，煤層采空積水區(qū)。

5 結(jié)語

通過本次采用瞬變電磁法和直流電法的綜合地球物理勘探方法，并結(jié)合已知鉆孔資料，推斷出工作區(qū)內(nèi)采空積水區(qū)的賦存位置、范圍和形態(tài)，基本查明了斷層的含水、導(dǎo)水性，為礦井防治水提供客觀的探放水資料，是一種較為理想且行之有效的勘探方法。

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Application of comprehensive geophysical prospecting on hydrogeological survey in mineral areas

Wu Peng

(ShanxiCoalGeologicalProspectingInstituteofHydrogy,Taiyuan030006,China)

This paper introduced the basic principle of transient electromagnetic method and direct current method, elaborated the both work methods and the using instruments and equipment of mining area hydrogeology exploration, and analyzed the application effects, the results showed that the comprehensive geophysical prospecting method was an effective method in hydrogeology exploration.

transient electromagnetic method, direct current method, comprehensive geophysical prospecting, hydrogeology

2015-02-11

武 鵬(1984- )，男，助理工程師

1009-6825(2015)12-0078-03

P631

A