瞬變電磁法在礦山水文地質勘查及類型劃分中應用研究

司炳新

（伊春市自然資源局，黑龍江 伊春 153000）

隨著我國礦山開采工作的不斷深入，不可避免會遇到各類環境問題。從現階段我國礦井開采狀況上可以看出，因為部分礦區礦層結構較為復雜，尤其是水文環境對礦區開采工作產生極大影響。負責開采的相關工作人員必須采用具體、有效的措施，對當前礦山水文地質情況進行信息勘查和類型劃分，為礦山礦井開采，提供良好的空間環境。

目前，我國相關部門在礦山水文地質勘查中，所使用的最有效的勘查方法就是瞬變電磁法。瞬變電磁法又被稱之為時間域電磁法，是近年來國內法地質勘查領域，勘查效果較好的一種新型探測方法，可以作為電磁勘探的一項重要分支，甚至在國際上，有言論稱其為電法的新一次革命性發展。瞬變電磁法主要是利用一種不接地的電網回線進行磁場發射，在間歇期利用另一組回線進行感應磁場接收。因為接收到的電磁場是由地下優秀導體受到外界刺激的電流所產生的不穩定性磁場，所以與其他探測方法相比，其探測深度更大，提取到的信息也會更加豐富。近幾年來，該方法得到了長足發展，特別是針對具有良性導體的地質，其探測效果更為明顯，取得了令人矚目的應用效果。綜合來看，瞬變電磁法作為一種新型勘測方法，雖然具有較大應用范圍，但主要應用于礦山水文地質勘查和礦山水文劃分中。實際應用詳細分析如下[1]。

1 瞬變電磁法在礦山水文地質勘查中的應用

圖1 瞬變電磁法工作圖

瞬變電磁法在礦山水文地質勘查中具有廣泛的應用，與其重要的勘測原理具有密切關系。

根據磁場發射的性質，可以將瞬變電磁法劃分為連續諧變和階躍諧變兩種，測量裝置主要包括發射器、電磁感應器和接收器三大部分。當發射回線電流以后，根據電磁感應理論，電流變化會產生廣闊磁場。磁場在傳播過程中，又會在內部形成感應電流，這種電流被稱為二次電質電流，包含了地質關系相關信息，原理示意圖如圖1所示[2]。

在礦山水文地質勘查中，利用瞬變電磁法的電磁場原理，可以進行有效的水文地質勘查，其主要應用以下幾個方面[3]。

1.1 地質含水層勘測

含水層是礦山開采工作最嚴重的威脅之一。通過瞬變電磁法可以提前對礦山水文地質進行勘測，因為具有明顯低阻含水敏感性、定向性強大、分辨率高的特征，可以進行高速、高效率的地質含水層勘測。在一般情況下，需要對當前礦山礦區的礦層進行開發劃分，并定位首要開采區域，集中性分析。

一般情況下，對開采工作威脅最大的地質含水層是底板承壓水層。這種含水層一般是由多個小含水層組合而成。當周圍礦區的地質裂隙發育不完全時，底板承壓含水層會逐漸轉化為富水性較弱的非均質裂隙承壓含水層。

此時，其所包含的小含水層之間會通過雜色黏土巖隔離，如果其厚度小于800m，就會隨著裂隙發育，再次轉化為強含水層，這些含水層會對后續勘測產生極大威脅。

應用瞬變電磁法進行地質含水層勘探時，首先，使用電磁儀進行電磁項圈布線。一般情況下，線圈邊長為2米乘2米的多扎矩形，回扎數為64個。線圈直徑為0.6米。在實際探測時，工作人員需要合理調配電圈通電和斷電的時間，確認增參數，并在實際測量時，保證電圈工作面順槽和切點停電的數據質量。應用瞬變電磁法進行礦山含水層地質勘查是，探測間距需要小于200米，探測點間距需要小于10米，并且可以在適當的斷層區段內，加密數據點。表層探測完畢后，進行礦區巷道底板探測，如圖2所示。

當礦區開采巷道的正下方底板具有一定范圍內的分布電阻時，可以將瞬變電磁的發射線框和電磁接收線框以水平的角度進行巷道放置。當探測巷道下方底板沒有固定分布電阻時，可以將發射線框和接收線框以45度傾斜角的位置進行防止，然后根據電阻率實際分布情況，進行含水性勘測。勘測完畢后，可以選擇水量較小的含水區進行打孔驗證，如果對開采影響較小或者含水層過大，則不需要打孔驗證[4]。

圖2 巷道探測示意圖

1.2 地質采空區勘測

礦山水文地質的采空區，一般位于井下礦區巷道的下部。其外部勾走一般為石炭系太原組灰巖巖溶裂隙。與含水層類似，采空區內部同樣可能含有大量的積水。但是與之不同的是，采空區大多為整體性孔洞，數量單一但容積大。整體走向為上下，缺乏含水層所包含的標準性規律。

一般情況下，采空區在礦山開采過程中，帶來大面積坍塌和洼陷的情況，對礦山開采工人的生命安全，具有極大威脅性。應用瞬變電磁法，可以對水文地質中的采空區進行預測，幫助開采人員規避大面積采空區。

在實際勘測中，瞬變電磁法通過不接地的線圈回線，或者接地電源，將電流向礦區地質巖體集中發射電磁場。在發射間歇期間，根據電磁線圈和接地電極的觀測介質，生成電流感應旋渦流場。

通過流場的實際地下介質電阻率，分析當前礦區水文地質構造的情況和地下倒水信息。其優勢在于，即便切斷電源以后，巖體中的感應電流也可以根據時間的增長，通過衰減性熱損耗形成二次感應渦流場，觀測地下介質信號。在實際水文地質勘測前，需要將礦區的挖掘機向前掘進至少20米左右，確保前期工作環境安全，檢測磁變儀器狀態是否良好，其檢測中心應該傾向于防爆口檢測。利用地下管輸裝置，對字頭積水進行排空，除了必要的電磁檢測裝置以外，其他電源點線需要完全切斷電源，然后進行瞬變電磁法勘測[5]。

勘測方向一般設置為勘測區斜巷10°和20°、縱向0°和-10°四個方向。沒法探測方向需要設置至少14個，一共56個探測物理點。

電磁波疊加次數設置為32次，測線距離設置為4條，需要嚴格按照規定布線，保證電磁數據質量。如果探測結果顯示，顯示無明顯的低電阻區，則認定該探測區域存在大面積采空區的可能性較小。

當發現當前采空區出現10m～50m左右的低阻異常區時，則基本可以認定當前區域存在低阻異常區。此時需要設計并施工至少6個鉆孔，按照順層和底層方向分別鑿設3個鉆孔。地測人員需要實時采集鉆孔中的水質數據，并第一時間對積水進行化驗。

瞬變電磁法對地質低阻有良好的相應特征，所以在對礦山水文地質勘測中，可以更準確的確定覆采空區的實際位置。再利用鉆孔對其進行精確驗證，取得較為良好的應用效果。瞬變電磁法具有低阻反應敏感、方向性強、體積效應小、施工準確度高等多方面優勢，是現代水文地質勘測中，勘測地下采空區的重要手段。

1.3 地質突水性勘測

突水性是礦山水文地質勘測領域，對當前地質水流畸變現象發生概率的綜述，是當前水文環境一項重要的安全參數。礦山突水的危險性較高，且受當前礦山地質和水文地質以及開采因素等多方面影響。

掌握地質整體富水性，是勘測并確定當前地質突水性的前提。采用瞬變電磁法，可以勘測礦山水文地質富水性情況，進而結合觀測指標，確定當前礦山地質的突水性。

在地質突水性勘測中，瞬變電磁法布線應該以水平方向、斜上和斜下45度兩個方向進行探測，探測目標為當前礦山水文地質的派生斷層，且需要采用不同的共面軸進行偶級對調。一般情況下，突水性地質均含有奧陶系含水特征，更容易出現陷落突水情況。

在電特性表達上，區別于正常的低壓電阻率，具有突水性特征的地質因為內部結構極為松散，且巖石破碎程度較高，出現持續高電阻情況。

瞬變電磁法在進行礦山水文地質勘查中，進行電磁波傳輸時，如果探測到當前地質陷落柱構造異常，且對電磁波能量吸收具有較大差異，其電磁率較低的巖石，會出現較強的吸附作用，進而產生斷裂構造截面，對電磁波進行折射和反射。因此在布線時，需要在不同地質層添加電性不同的良導體，根據采集數據利用層析成像的方法，即可進行處理，可以較為直觀地反映出工作面內異常成分分布[6]。

2 瞬變電磁法在礦山水文地質類型劃分中的應用

瞬變電磁法在礦山水文地質勘測時，主要是通過電磁發送和接受時的電阻分析，實現當前地質勘測。在這一過程中，通過電阻率和水體類型，可以對當前水文地質類型進行系統劃分。劃分依據一般有以下兩點：一是當前礦山水文地質的充水特征；二是當前礦山水文地質條件的復雜程度。根據不同的劃分依據，進行不同標準的地質類型劃分。

2.1 礦山充水特征劃分

利用瞬變電磁法，以當前礦山地質充水特征，進行地質類型劃分時，可以分為以下6種：第一種是巖溶型地質，相關工作人員在對該地質礦山進行開采時，根據瞬變電磁法特征分析結構可以肯定，其所包含的水質一般為熔巖水。而受到熔巖水影響的礦山稱之為熔巖性礦山；第二種是孔隙型地質，孔隙性的礦山水文地質表面，會存在大量的礦山孔隙。孔隙中存在大型水孔氣泡，會體現在電磁數據中；第三種為老空水型。老空水型一般為不規律的礦山坑組成的水文地質，會嚴重影響后續開采；第四種為裂隙型礦山。如果當前礦山水文地質存在大量裂隙，內部水體會對其不斷沖刷，出現大量緩坡，影響礦山開采；第五種地表型，通過瞬變電磁法接收到的瞬時電阻信息，可以確定地下水文下滲現象，如果該現象具有較大面積，則表明當前礦山水文地質為地表型水文地質；第六種為混合型。此類礦山地質較為復雜，其整體表現特征為多方向特征，內部結構混亂，不適合大面積開采。

2.2 礦山水文地質復雜程度劃分

礦山水文地質復雜程度，是當前水位地質類型劃分最廣泛的劃分標準之一。瞬變電磁法可以通過各類電阻報告數據，進行多樣化分析，根據分析結果確定當前水文地質的綜合復雜程度。根據這一標準，一般情況下，礦山水文地質的劃分可以分為以下四種類型：第一種是簡單型地質。這種地質無論是水文條件還是綜合開采條件，均沒有較大的特征，屬于單純性地質，復雜性較小。相關工作人員可以進行常規的礦山開采，安全性較高；第二種是中等型地質。

對于中等性地質來說，其水文條件存在部分復雜區域，例如存在老空水或者大面積孔隙等等。但是復雜區域較小或者類型單一，勘查工作較為簡單。

利用瞬變電磁法進行地址勘查時，可以根據電阻范圍進行規模確認；第三種是復雜型地質。這類礦山水文地質構造已經十分復雜，內部充水量較多，充水類型多樣，整體勘查定位工作較難。無法對其進行有效的范圍勘測，開采時具有較大危險性；第四種為極復雜型。此類礦山中存在大量的積水環境，含水層極為復雜，危險性極高，容易出現大面積漏水、滲水、爆井、垮塌等現象。

3 結語

總而言之，礦山水文地質勘查和類型高準確的劃分，對當下礦山開采工作具有重要意義。而瞬變電磁法獨有的各項優勢，在上述兩項工作中具有重要作用，必須給予高度關注。尤其是在地下水文條件勘測中，工作人員通過加強前期勘查，制定完善的勘查策略，保證勘查的可靠性。加強礦山水文地質勘查可以保證項目施工的安全性和穩固性，為我國地質開發和研究提供有效幫助。