瞬變電磁法在礦井防治水工作中的應(yīng)用

李文剛

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司電法勘探技術(shù)研究所，陜西省西安市，710077）

瞬變電磁法在礦井防治水工作中的應(yīng)用

李文剛

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司電法勘探技術(shù)研究所，陜西省西安市，710077）

為了分析研究麻地梁礦井主采煤層附近地層的富含水性等局部水文地質(zhì)情況，開展了地面瞬變電磁法勘探。通過(guò)瞬變電磁勘探數(shù)據(jù)的濾波與反演等精細(xì)處理，分析了視電阻率擬斷面以及不同層位的富水異常平面結(jié)果。基本查明了區(qū)內(nèi)奧灰、主采煤層附近富水異常區(qū)的空間展布及其相對(duì)強(qiáng)度，為井下防治水工程設(shè)計(jì)提供了物探依據(jù)。

瞬變電磁法 水文地質(zhì) 防治水 富水區(qū) 麻地梁煤礦

煤田水文地質(zhì)工作是煤礦得以正常、安全開采的重要任務(wù)之一，一方面是北方水資源缺乏、煤礦供水問(wèn)題突出，另一方面是礦井突水、采空區(qū)積水等對(duì)煤礦安全生產(chǎn)的威脅。瞬變電磁法可有效探測(cè)低阻含水巖體，準(zhǔn)確率高，因此在探測(cè)礦井富水情況和含水?dāng)鄬印⒘严兜姆植挤矫娴玫綇V泛應(yīng)用。為了探查麻地梁礦井主采煤層附近的含富水情況，本文結(jié)合水文地質(zhì)勘查資料，論述了瞬變電磁法在麻地梁礦井初期建設(shè)防治水工作中的應(yīng)用，為做好礦區(qū)防水治水提供理論基礎(chǔ)，并為礦井工業(yè)水源提供目標(biāo)區(qū)。

1　水文地質(zhì)概況

麻地梁礦井處在內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾煤田西南端，位于黃河西岸鄂爾多斯市境內(nèi)。目前，該礦處在動(dòng)工建設(shè)初期，井田大部被第四系黃土和風(fēng)積沙所覆蓋，只有局部的沖溝中才有基巖出露，根據(jù)地表出露及鉆孔揭露，勘探區(qū)為典型的黃土高原地貌，黃土廣布，溝壑縱橫，侵蝕切割作用強(qiáng)烈，水土流失嚴(yán)重。井田地勢(shì)西北高、東南低，勘探區(qū)地勢(shì)西面及西南低、東面高。

黃河流經(jīng)勘探區(qū)的東緣、南緣，距勘探區(qū)東部邊界約16.8 km為萬(wàn)家寨水庫(kù)，水庫(kù)水位受該水庫(kù)用水調(diào)蓄及周邊地區(qū)調(diào)水量的影響。由于探測(cè)區(qū)周邊的大部分區(qū)域黃河河床坡度大、侵蝕力度大，導(dǎo)致下切作用強(qiáng)烈，河谷狹窄。黃河河床全部為寒武、奧陶系地層，與石炭系、二疊系地層未有直接接觸，所以與煤系地層中的含水巖組也無(wú)水力聯(lián)系。探測(cè)區(qū)東岸的寒武系、奧陶系地下水及煤田內(nèi)地表水全是經(jīng)過(guò)黃河這個(gè)天然場(chǎng)所進(jìn)行排泄，黃河同時(shí)補(bǔ)給西岸寒武系、奧陶系含水層。

礦區(qū)內(nèi)寬緩的老趙山梁背斜從井田東南部南北向通過(guò)，井田中部轉(zhuǎn)為北西向，井田西部又轉(zhuǎn)為東西向，在井田西界外與田家石畔撓折帶交匯。本次瞬變電磁勘探測(cè)區(qū)位于老趙山梁背斜延長(zhǎng)線與田家石畔—長(zhǎng)灘撓折帶交匯處北側(cè)，測(cè)區(qū)無(wú)已知斷層發(fā)育。受該構(gòu)造影響，探測(cè)區(qū)可能存在較強(qiáng)的富含水區(qū)，勘探涉及的地層主要為二疊系、石炭系和奧陶系。

2　瞬變電磁勘探原理

瞬變電磁法（TEM）是利用不接地回線或接地電極向地下發(fā)送脈沖式一次電磁場(chǎng)，用線圈或接地電極觀測(cè)該脈沖電磁場(chǎng)感應(yīng)的地下渦流產(chǎn)生二次電磁場(chǎng)的空間和時(shí)間分布，從而解決有關(guān)地質(zhì)問(wèn)題的時(shí)間域電磁法，其工作原理如圖1所示的。

圖1　瞬變電磁法工作原理圖

它在產(chǎn)生渦流的瞬變過(guò)程中，在空間上形成相應(yīng)的瞬變磁場(chǎng)稱為二次場(chǎng)。二次場(chǎng)是由地質(zhì)異常體的電性特征、賦存狀態(tài)決定的，在其時(shí)間特征中，淺部的異常體信息通過(guò)早期信號(hào)來(lái)反映，而深部地層信息由晚期信號(hào)來(lái)反映，早晚期信號(hào)的響應(yīng)可以反映探測(cè)深淺不同的地質(zhì)信息。一般來(lái)說(shuō)，探測(cè)目標(biāo)的幾何規(guī)模越大、埋藏越淺、導(dǎo)電性越好，則二次場(chǎng)的信號(hào)越強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)；反之，探測(cè)目標(biāo)的幾何規(guī)模越小、埋藏越深、導(dǎo)電性越差，則二次場(chǎng)的信號(hào)越弱、持續(xù)時(shí)間越短。因此，通過(guò)觀測(cè)和研究二次場(chǎng)的空間分布特征和時(shí)間特征，可以推測(cè)解釋異常體的電性結(jié)構(gòu)和空間分布狀態(tài)。

3　瞬變電磁法在麻地梁礦井的應(yīng)用

為了探測(cè)富水區(qū)范圍及主采煤層附近含水情況，結(jié)合勘探區(qū)實(shí)際情況，基本測(cè)網(wǎng)密度設(shè)計(jì)為50 m×20 m。在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)從西向東設(shè)計(jì)41條測(cè)線，測(cè)點(diǎn)從南向北依次編號(hào)為0～46。測(cè)區(qū)具體布設(shè)如圖2所示。

圖2　測(cè)區(qū)測(cè)線、測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖

對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波等處理，最終反演轉(zhuǎn)換得到ρs（視電阻率）和ht（視深度）等參數(shù)，并以ρs和ht為參數(shù)用平面等值線圖的形式繪制出來(lái)，最終繪制了沿測(cè)線和沿測(cè)點(diǎn)的視電阻率擬斷面圖和順層視電阻率綜合切片圖。

異常劃分通常有兩種途徑來(lái)確定:一是根據(jù)探測(cè)區(qū)內(nèi)已知電性及水文地質(zhì)條件來(lái)確定；二是在一個(gè)新的礦區(qū)，根據(jù)對(duì)實(shí)測(cè)曲線的數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算得到。后者就是常用的異常劃分標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)將相關(guān)參數(shù)δ分為5個(gè)等級(jí)，分別為其中δ在此處為視電阻率為視電阻率算術(shù)平均值，δn為視電阻率標(biāo)準(zhǔn)偏差值。本文中將的低阻區(qū)域定為相對(duì)富含水異常區(qū)。

3.1視電阻率擬斷面圖特征

在視電阻率擬斷面圖上，若地層在不受富水區(qū)域或含導(dǎo)水構(gòu)造影響的正常情況下，煤系地層的電性變化有一定的規(guī)律性，視電阻率值變化穩(wěn)定，等值線呈似層狀分布，變化平緩；相反，當(dāng)存在低阻富水區(qū)域或含導(dǎo)水構(gòu)造時(shí)，則視電阻率值降低，等值線發(fā)生扭曲、變形或呈密集條帶狀等，可直觀確定出相對(duì)低阻異常體的空間賦存情況和異常的強(qiáng)弱。

測(cè)區(qū)電性層位表現(xiàn)比較明顯:淺地表以砂質(zhì)粘土為主，視電阻率值為80Ω·m左右；其下是二疊系細(xì)砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖等互層，視電阻率相對(duì)升高，在100～150Ω·m之間；再往下，石炭系含煤地層視電阻率值略高，平均為160Ω·m左右；最下層奧陶系灰?guī)r視電阻率值在170～230Ω·m之間變化。

圖3、圖4分別為6號(hào)測(cè)線、22號(hào)測(cè)線視電阻率斷面圖，圖中等值線值表示視電阻率，單位為Ω·m，后同。由圖3可見，淺層視電阻率等值線變化平緩，表明該處地層穩(wěn)定。深層有較明顯的一處低阻異常延伸到奧灰附近，為1號(hào)異常區(qū)所在位置。在異常附近等值線明顯扭曲，幅值低于其它測(cè)點(diǎn)，呈現(xiàn)低阻反應(yīng)，該位置與撓折帶發(fā)育位置較近，推測(cè)這里地層中裂隙較為發(fā)育，導(dǎo)通不同層位的含水層，使該處地下水富集。而圖4中1～6號(hào)測(cè)點(diǎn)附近，明顯發(fā)育一低阻異常區(qū)，和周圍點(diǎn)同一深度的電性相比較，其阻值低20Ω·m左右，該異常從4#煤層附近一直發(fā)育到奧灰附近。推測(cè)這里地層的富水性較強(qiáng)，該異常標(biāo)記為3號(hào)異常區(qū)。

圖3　6號(hào)線視電阻率斷面圖

圖4　22號(hào)線視電阻率斷面圖

為了更進(jìn)一步的分析異常的特點(diǎn)，在資料解釋時(shí)沿5號(hào)測(cè)點(diǎn)切取了點(diǎn)剖面，如圖5所示。在該剖面上，21～25號(hào)測(cè)線附近的電阻率值明顯偏低，從剖面上分析，該異常（3號(hào)異常區(qū)）從奧灰發(fā)育上來(lái)，在煤系地層附近發(fā)育不明顯，特別是在4#煤層上面的地層基本沒有變化，因此推測(cè)該異常是由于奧灰富水所引起。另外，剖面上33～41號(hào)測(cè)線附近出現(xiàn)了一個(gè)次級(jí)異常帶，標(biāo)記為2號(hào)異常區(qū)，從剖面上看該異常發(fā)育較淺、規(guī)模較小，推測(cè)為砂巖局部含水所致。

圖5　沿5號(hào)點(diǎn)視電阻率斷面圖

3.2視電阻率平面圖反映特征

在富水異常平面圖上，若層位分布穩(wěn)定、不受低阻富水區(qū)域和含、導(dǎo)水構(gòu)造控制和影響的情況下，電性分布穩(wěn)定，視電阻率值不會(huì)產(chǎn)生明顯的畸變，在圖上表現(xiàn)為視電阻率等值線分布均勻、平緩；反之，若地層含有相對(duì)低阻富水區(qū)和含、導(dǎo)水構(gòu)造時(shí)，電性的均勻分布規(guī)律被打破，反映在平面圖上為低阻異常區(qū)呈現(xiàn)視電阻率值減小，等值線扭曲、變形為圈閉或呈密集條帶狀等。

圖6為4#煤層上20 m附近的富水區(qū)范圍視電阻率異常分布平面圖，該層的視電阻率值在76～150Ω·m之間變化，平均視電阻率值為134Ω·m，標(biāo)準(zhǔn)偏差為22.6，根據(jù)異常劃分標(biāo)準(zhǔn)，小于127Ω·m的區(qū)域?yàn)橄鄬?duì)低阻異常區(qū)。從圖上看，主要富水區(qū)（1號(hào)異常區(qū)）處于測(cè)區(qū)的西面，這與該區(qū)域可能受撓折帶控制有關(guān)。該區(qū)域煤層埋深較大，新生系地層較厚，為地下水滲入、運(yùn)移創(chuàng)造了條件。另外，該測(cè)區(qū)東部附近，發(fā)育有一個(gè)次級(jí)異常（2號(hào)異常區(qū)），該異常從物性上分析，富水性較弱。

圖7、圖8分別為6#煤層和8#煤層下30 m附近富水區(qū)范圍視電阻率異常平面圖，反映了砂巖層段的電性分布特征。兩層的視電阻率值在90～220Ω·m之間變化，異常區(qū)根據(jù)對(duì)應(yīng)的異常劃分標(biāo)準(zhǔn)圈定。從圖上看，主要富水區(qū)在測(cè)區(qū)西部，該異常區(qū)與4#煤層上20 m對(duì)比發(fā)現(xiàn)，其分布范圍變化不大。原先在4#煤層上20 m發(fā)育的2號(hào)異常區(qū)在這里消失，但3號(hào)異常區(qū)在此層段上出現(xiàn)，由于這里的原始資料質(zhì)量較好，異常可靠性也較高。

圖6　4#煤層上20 m附近富水區(qū)分布圖

圖7　6#煤層附近富水區(qū)分布圖

圖8　8#煤層下30 m附近富水區(qū)分布圖

圖9為奧灰附近層段的富水性異常分布圖。灰?guī)r電阻率較高的性質(zhì)在測(cè)區(qū)東部得以體現(xiàn)，反映了灰?guī)r層段的電性分布特征。本層段的視電阻率值在80～235Ω·m之間變化，平均視電阻率值為176 Ω·m，標(biāo)準(zhǔn)偏差為33.7，根據(jù)異常劃分標(biāo)準(zhǔn)，小于165Ω·m的區(qū)域?yàn)橄鄬?duì)低阻異常區(qū)。主要富水區(qū)（1號(hào)異常區(qū)）在測(cè)區(qū)西部，分布范圍與4#煤層頂板上20 m、6#煤層附近以及8#煤層下30 m層位富水范圍相比變化不大。測(cè)區(qū)南部3號(hào)異常區(qū)的范圍和幅值相比8#煤底板下30 m范圍略有擴(kuò)大，推斷為奧灰在此處附近相對(duì)富水所致。

圖9　奧灰附近富水區(qū)分布圖

3.3測(cè)區(qū)水文地質(zhì)初步綜合評(píng)價(jià)

從瞬變電磁法探測(cè)結(jié)果來(lái)看，測(cè)區(qū)內(nèi)主要的富水區(qū)位于測(cè)區(qū)的西面附近（1號(hào)異常區(qū)），在其他的地方零星發(fā)育一些富水區(qū)（2號(hào)異常區(qū)、3號(hào)異常區(qū)）。1號(hào)異常區(qū)的發(fā)育形態(tài)為一喇叭形狀，在靠近老趙山梁背斜延長(zhǎng)線與田家石畔—長(zhǎng)灘撓折帶交匯處一側(cè)，其富水異常尤為明顯。推測(cè)這是由于這里裂隙較為發(fā)育，形成儲(chǔ)水空間，同時(shí)這些裂隙也可能導(dǎo)通上下含水層，從而導(dǎo)致此處地層富水性較強(qiáng)。

從剖面上分析2號(hào)異常區(qū)僅發(fā)育在4#煤層附近，推測(cè)只是由于砂巖局部含水所引起；3號(hào)異常區(qū)是從奧灰附近發(fā)育的，根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)情況推測(cè)這里的富水性也較強(qiáng)。

4　結(jié)論

測(cè)區(qū)內(nèi)共查出3處相對(duì)低阻異常區(qū)，通過(guò)分析電阻率斷面圖及平面圖，測(cè)區(qū)西部存在分布范圍廣、含水性強(qiáng)的主要富水區(qū)為1號(hào)異常區(qū)，而2號(hào)異常區(qū)推測(cè)是砂巖局部含水所引起，3號(hào)異常區(qū)分析是由于奧灰含水所引起。通過(guò)對(duì)麻地梁礦井的地面瞬變電磁法勘探取得的研究成果證明，瞬變電磁法在富水區(qū)的探測(cè)方面應(yīng)用會(huì)取得很好的效果，為礦井建設(shè)的防水治水工作提供了理論依據(jù)和保證。由于本次電法資料反映的參考文獻(xiàn)：

均是水的靜態(tài)特性，而在煤層開采或巷道掘進(jìn)的情況下，由于地應(yīng)力的急劇變化，煤層附近水的賦存狀態(tài)也會(huì)隨之變化，所以必須考慮到煤層頂板冒落以及底板破碎等造成裂隙擴(kuò)大或增加新的導(dǎo)水通道的可能性。

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（責(zé)任編輯 郭東芝）

Application of transient electromagnetic method in water prevention and control work in mine

Li Wengang
（Electric Prospecting Research Institute，Xi'an Research Institute of China Coal Technology& Engineering Group Corp.，Xi'an，Shaanxi 710077，China）

In order to analyze the local hydrogeological conditions of the stratum around the primary mineable coal seam of Madiliang Coal Mine，such as the water-bearing ability，ground prospecting with transient electromagnetic method was carried out.Based on the precise processing of transient electromagnetic prospecting data，such as smoothing and inversion，the apparent resistivity pseudosection map and abnormal water-rich area in different strata were analyzed.The spatial distribution and relative intensity of abnormal water-rich area around the Ordovician limestone layer and primary mineable coal seam were found out，which provided geophysical prospecting basis for water prevention and control engineering design.

transient electromagnetic method，hydrogeology，water prevention and control，water-rich area，Madiliang Coal Mine

P631

A

李文剛（1982-），男，甘肅會(huì)寧縣人，工程師，大學(xué)本科，畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）地球物理勘探專業(yè)，從事應(yīng)用地球物理方面的研究。