瞬變電磁法勘探在煤礦防治水工作中的應用

張大明

摘要：本文介紹了瞬變電磁法在山西辛安煤礦水文物探中的應用情況，取得了較好的成果，并對該方法應用中遇到了最小探測深度的問題進行了探討。

Abstract： In this paper， the application of transient electromagnetic method in hydrogeophysical prospecting of Xin'an coal mine in Shanxi Province is introduced， and good results are obtained. The problem of minimum detection depth encountered in the application of this method is discussed.

關鍵詞：瞬變電磁法；最小探測深度；關斷時間；線圈自感

Key words： transient electromagnetic method；minimum detection depth；turn-off time；coil self-inductance

中圖分類號：TD745 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）07-0137-02

0 引言

為了滿足礦井能力提升后辛安煤礦生產及巷道布置的需要，更好地解決礦井生產建設中的各種地質問題，促進煤礦生產實現標準化、現代化，保證礦井安全生產，加強煤炭資源的合理開發利用山西山陰中煤順通辛安煤業有限公司委托河北省煤田地質局物測地質隊對辛安煤礦進行三維地震及瞬變電磁綜合勘探。在施工期間，克服了煤層埋藏過淺，山區地表地質條件復雜，整個區域內的地表地質條件不一致且相差巨大等困難，最終較好地完成了數據采集任務。

1 測區地質—地球物理特征

山西山陰辛安煤礦勘探區面積為2.38km2，地層構造自上而下依次為：第四系砂土沉積層；二疊系下統下石盒子組；二疊系下統山西組；石炭系上統太原組；石炭系中統本溪組；奧陶系灰巖。

主要地層的地質—電性特征：

第四系沉積層，一般厚0～25m，平均15m，厚度較薄由西向東變薄，直至消失。

二疊系下統下石盒子組，主要為灰、灰綠、灰白、褐黃、紫紅色粉砂巖、中-粗粒砂巖、泥巖、砂質泥巖，底部為標志層K5粗粒砂巖。本組殘留最大厚度98.0m，平均25.36m。與下伏地層呈整合接觸關系。

二疊系下統山西組，本組地層也是本井田的含煤地層，主要有灰白、灰、灰黑、褐灰色泥巖、砂質泥巖、炭質泥巖、粉砂巖、粗砂巖及煤層，底部為標志層K3細砂巖、粗砂巖。本組厚度43.81～100.45m，平均80.47m。與下伏地層呈整合接觸關系。

石炭系上統太原組，本組地層為本井田主要含煤地層。主要由灰、深灰、灰黑、褐灰、灰白色泥巖、炭質泥巖、粉砂巖、細砂巖、中-粗粒砂巖、細礫巖、石灰巖及煤層組成，底部為K2細-中粗粒砂巖標志層。該組厚度為94.66～105.40m，平均97.97m。與下伏地層為整合接觸。

2 實際施工技術

因為電法勘探與三維地震同時施工，為了省略測地工作，根據三維地震勘探觀測系統并結合已知資料，設計瞬變電磁法測線與地震測線重合，測線線距（是地震測線距的整數倍）為40m，點距為40m。瞬變電磁法采用重疊回線裝置進行測量，線框邊長為120m×120m，供電電流7A，發射頻率單頻25Hz，固定增益22。

3 TEM與三維地震資料的聯合解釋

本次瞬變電磁測深資料處理與解釋的步驟為：首先對瞬變電磁法實測數據進行圓滑，消除畸變點，然后計算全期視電阻率曲線，進行時深轉換后繪制視電阻率斷面圖。

本區煤系地層在垂向上一般成層狀分布，在橫向上變化較小，因而對于瞬變電磁法來說，其電性響應特征在視電阻率斷面圖上表現為在縱向上視電阻率等值線均勻連續變化，在橫向上視電阻率等值線平坦，無較大褶曲躍變。如果沉積的均勻完整性遭到破壞，如地應力作用產生的裂隙充水，地下水溶蝕作用產生的巖溶以及煤層開采后形成的采空區、冒落帶、裂隙帶沖水等，其電性響應特征在視電阻率斷面圖上將表現低阻異常，使得視電阻率等值線出現不同程度的褶曲與躍變。所以，根據計算機反演處理的視電阻率斷面圖，結合相關地質資料，可確定勘探區內采空區分布的情況。

圖1所示為測區第11線對應的反演視電阻率斷面圖，根據該圖可以看出本區煤層存在比較明顯的電性分層（圖中橢圓為地震解釋的采空區），第四系基底埋深按照“西→東”走向逐漸減少。煤層所對應電性層的深度東側和西側并不在同一水平線上，埋深較淺的東側有的部位存在剝蝕現象，其埋深由西向東連續變化（深部埋深約為240m）。圖1所展示的電性分界面有著顯著的分布規律，基于瞬變電磁測深數據反演解釋的采空區積水和與煤礦提供的積水情況基本一致，得到了很好的印證。煤層底板附近有個局部異常反映，其視電阻率呈低阻反映。查閱相關地震資料得知，該局部異常為采空區，并從礦方所給資料可知此處為積水區，從TEM反演視電阻率斷面圖可以看出這個地帶雖然含水，但是由于其分布不具有連同性，所以相對于其他層位的水分比而言，該部位的水分布相對獨立。

用相同深度的視電阻率值標在對應的測點上來構制平面圖，主要反映了某一深度的巖層橫向電性變化特征。但當測區內煤層附近地層為非水平狀態時，等值線平面圖就不能很好地反映煤層底板附近地層電性的連續變化。因此，結合地震勘探資料解釋的煤層底板等高線，將測區內煤層底板深度所對應的反演視電阻率值標在對應的測點上，并繪制成沿煤層切片圖，該圖較好地反映煤層底板對應深度的構造異常及其視電阻率值的相對大小，突出反映了二維或三維地電異常體的響應特征。

圖2為第11測線附近TEM沿煤層底板切片圖，圖中低阻異常顯然就是采空積水區的反映。通過各測線斷面圖和不同層位的平面圖綜合解釋，就可得出測區內低阻異常區的范圍、立體分布形態及富水強度等水文地質資料。

4 地質結論

通過瞬變電磁法勘探，得到了測區內富水異常區的范圍、立體分布形態及富水強度等水文地質參數。為煤礦的巷道設計提供了客觀依據，同時為制定煤礦回采方案提供了比較詳實的水文地質信息。

基于瞬變電磁法對良導體的較強的反映能力，在比較科學的勘探深度下綜合勘探斷層的水文地質特性，從而全面了解該斷層的富水性、局部巖溶發育帶分布特點等，最后根據勘探結果綜合描述該地帶的水文分布特征，大大提高水文物探的精確度和可靠性。

5 存在的問題

通常所說的瞬變電磁對目標層的探測深度，即瞬變電磁的最大探測深度，通俗來講就是在趨膚效應的作用下，瞬變電磁法所達到的一個極限的探測深度。

但還有一個不被人們關注的問題，那就是最小探測深度。由于本區域屬于山區地質條件復雜，由西向東第四系逐漸變薄甚至被剝蝕，二疊系基巖裸露，因此西部埋藏較深，而東部煤層出露甚至被剝蝕，這樣整個區域內的地表地質條件不一致且相差巨大，對瞬變電磁勘探的深度范圍提出一定要求，該區東部埋藏過淺，瞬變電磁地表五十米無法接收線圈所接收的信號，由于關斷時間的存在，此范圍內一種是來自地下的電磁感應信號，一種是線圈本身的自感。在瞬變電磁接收信號的早期時間道中，線圈自感信號比有用信號大得多，但它比有用信號衰減也快得多，所以總存在一個使瞬變電磁沒法分辨有用信號的時間范圍，即瞬變電磁對地探測時存在不可探測的“半盲深度”。因為，不論是發送線圈還是接收線圈本身都有一個固有的過渡過程，此深度范圍的地質信息只能在稍后延遲時間的觀測信號中被反映出來。所以此深度被定義為目標層剛剛影響電磁響應信號的界限深度。線圈放置在地面上，當激勵電流斷開后，在線圈內部產生一個感生電動勢，而我們通常觀測到的信號是二次感應電壓與此感生電動勢的和。如果確定了兩者之間的大小及關系，也就找到了估算最小探測深度的辦法。

通過對回線線圈的自感信號的理論解析式和衰減曲線特征分析，找出自感信號的影響幅度和范圍，根據信號的衰減的特性，提出一種直接可用的估算方法，計算出可分辨有用信號的最早時間。表1給出了估算瞬變電磁能探測的最小深度的估算結果，以求得研究早期信號的分離及指導野外施工。

參考文獻：

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[3]趙紅.瞬變電磁法在掘進工作面超前探測中的應用[J].價值工程，2013（32）.