大地電磁法在煤礦地下水探測技術應用

于超 劉永芳

（同煤浙能麻家梁煤業有限責任公司，山西朔州036000）

0 引言

某礦南翼礦井水發育比較明顯，井下水源較多；盜采引起的老巷積水、采空區分布不規則。煤層開采對煤層上下的整體結構造成破壞，形成多種導水通道，且由于空間裂隙存在，改變了原有充水環境，水文地質條件變得復雜。地下采空區分布、采后地層變動和裂隙發育等不可確定因素給礦井防治水帶來巨大挑戰。

采空區周邊及其上部地層在應力作用下使得其地球物理特征也發生變化，如果有地下水存在，地下水將會沿著開采形成的導水裂隙帶涌入工作面和采空區，形成新的積水形態，導水通道的多樣化導致各含水層形成連通。采空區形成后的煤巖體結構發生變化，巖體變得疏松，裂隙發育，整體性遭到嚴重破壞，加上空氣、不同充填松散物的作用，改變后的地層視電阻率遠高于周邊地質體，該電性體現為高阻異常；如若采空區形成后所涉及的地質體被水充填，形成充水地質體，使得原本松散的破碎帶、裂隙帶達到充水飽合狀態，則改造后的地質體視電阻率要低于周邊地質體，該電性體現為低阻異常。這種異常的電性變化為使用大地電磁法來探明采空區水文地質情況創造了物理基礎和應用條件[1-3]。

1 大地電磁法簡介

1.1 測量原理

大地電磁法是在地面上探測地下天然電磁場來研究地下巖體的電性特征及其分布特征的一種物理勘探方法。大地電磁法是通過改變電磁波頻率來實現電磁感應的原理，在地表收集地下電磁數據來分析地下不同的地質信息。通過測定從高到低不同頻率的地球電磁反映序列，經過數據處理和分析來判定地層由淺至深的電性結構。大地電磁法原理見圖1。

圖1 大地電磁法原理示意

1.2 正演模型及反演

正演模型的探測對象為地質體的電導率結構，通過二維正演進行視電阻率分析，獲得不同地質體因素下的不同模型。在地球物理中，正演一般對應于求解一數理模型的邊值或初值問題。

大地電磁的技術核心是反演，就是根據實測的數據（包括視電阻率、相位、表面阻抗等數據）來反推產生這些數據的系統內在信息的一種數學物理過程。在測得地球響應，如視電阻率、相位、表面阻抗等，通過一定的數學處理（反演）求得一個合理的地電模型，定量給出不同電性介質在地下的分布規律。

1.3 適用條件

大地電磁法作為一種利用天然電磁場來研究地下電性結構的物探方法，優點是不受高阻層屏蔽、對高導層分辨能力強，勘探深度大，施工成本低，工作方便；缺點是體積效應，反演的非唯一性較強（跟地震方法相比），縱向分辨能力隨著深度的的增加面迅速減弱，目前該技術可通過計算計實現實時數據處理和顯示，大大提高了工作效率，被廣泛應用于礦產勘探、地下水勘探、構造探查等領域。

2 礦井地質特征及測線布置

該煤礦南翼斷裂構造較發育，可采煤層4#煤賦存深度500 m左右。南翼有F3、F2號兩個大斷層，及部分次生小構造，斷層落差F3 82 m～400 m，F2 28 m～45 m。井田的水文地質條件較復雜，礦井充水水源、導水通道種類豐富，第四系潛水含水層與下聯河有一定的水力聯系。

根據地表現場的實際情況和礦井生產布局選擇在礦井南翼井田邊界線布置測線，然后依據地表收集地下電磁數據來分析地下不同的地質信息來確定地下水的位置，測線長度為400 m，電極距離采用20 m，共布置21個測點。

3 探測結果分析

在獲得實測數據后，通過計算機可視化集成系統的開發，獲得反演結果圖，根據不同地質體反演圖像分析地質電阻異常區，通過已知地質異常區地質條件及生產情況，對異常區域和實際地質情況進行比對，進而對未知地質異?，F象進行分析較準，確定異常原因，進而確定地下采空區范圍。測線0 m～400 m探測結果見圖2，圖中有五處高阻異常區，分別為：高阻異常區1、高阻異常區2、高阻異常區3、高阻異常區4、低阻異常區5，下面就每個異常區分別進行分析。

圖2 測線0 m～400 m大地電導率剖面

（1）在圖2中，1#測線低阻異常區5的水平范圍為300 m～400 m，深度在200 m～250 m之間。由于該區域的電阻率值明顯低于周邊介質，且形成閉合的環形低阻區域，因此根據電磁法理論及經驗判斷低阻異常區5疑似為地下水富存區域。

（2）在圖2中，高阻異常區1的水平范圍為80 m～150 m，深度在50 m～110 m之間。該異常區范圍在井上下對照平面圖的位置見圖3，此處有一標高為370 m的巷道，該附近地面標高在470 m，計算得出巷道地底埋深為100 m，與探測結果吻合，因此推測高阻異常區1為巷道存在造成影響區域。

圖3 1#測線異常區1與巷道位置關系

（3）在圖2中，高阻異常區2的水平范圍為0 m～140 m，深度在190 m～260 m之間。該異常區范圍在煤層底板等高線平面圖上的位置見圖4，此處地面標高在470 m，煤層標高為200 m～250 m，計算得出煤層埋深介于220 m～270 m之間，與探測結果吻合，因此推測高阻異常區2為采空區存在影響區域。

圖4 異常區2與煤層位置關系

（4）在圖2中，高阻異常區3的水平范圍為320 m～400 m，深度在90 m～120 m之間。本測線靠近ⅩⅣ勘探線，將測線投影至ⅩⅣ勘探線上，測線范圍與煤層的垂直與水平范圍疊加后呈現圖5中的斜線陰影部分。在探測線范圍內的地面標高480 m，煤層底板標高為290m～390m，計算得出煤層埋深介于90m～190m，與探測結果吻合，因此推測高阻異常區3為采空區存在影響區域。

圖5 1#測線異常區3與ⅩⅣ勘探線位置關系

（5）在圖2中，高阻異常區4的水平范圍為240 m～400 m，深度介于120 m～180 m之間。本測線靠近ⅩⅣ勘探線，該測線在勘探線剖面的位置及所探測的煤層深度范圍見圖6，在探測線范圍內的地面標高480 m，煤層底板標高為240 m～370 m，計算得出煤層埋深110 m～240 m，與探測結果吻合，因此推測高阻異常區4為采空區存在影響區域。

圖6 1#測線異常區4與ⅩⅣ勘探線位置關系

3 結論

測線水平范圍0 m～160 m、深度320 m～370 m區間有采空區；區域水平范圍160 m～220 m、深度300 m～360 m區間有采空區；水平范圍260 m～740 m、深度300 m～470 m區間有采空區；水平范圍460 m～600 m、深度100 m～130 m區間為巷道影響區。

通過理論分析和實踐證明，大地電磁法測試精度高，可通過計算機實現實時數據處理和顯示,界面圖像直觀，能夠有效的探測地下水分布位置，便于礦山企業采取有針對性的防治水手段，做到有的放矢，減少不必要的資金浪費，實現安全、經濟、效益全面發展。