高分辨反射系數法在瞬變電磁探測煤礦水害中的應用效果

段吉學 劉 江 許德才 汶小崗 馮西會

(1.內蒙古自治區地質調查院，內蒙古自治區呼和浩特市，010020；2.國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西省西安市，710021；3.陜西省煤田物探測繪有限公司，陜西省西安市，710005；4.陜西省煤田地質集團有限公司,陜西省西安市，710021)

1 研究概況

煤礦水害一直是影響煤礦安全生產的一個重要因素。煤礦地質條件、水文地質條件的復雜程度都影響著煤礦水害的發生，所以對于每個井田查明其范圍內的地質條件、水文地質條件都非常重要。瞬變電磁法勘探具有橫向分辨率高，對低阻體、地下含水體等反映靈敏的特點，在煤礦水害勘探和金屬礦勘探領域得到了廣泛的應用。但瞬變電磁法勘探經常由于淺層電性條件、地質條件的復雜性等因素的限制和物探方法本身具有的多解性，使得瞬變電磁法勘探的解釋精度和成果可靠性受到一定的影響。采用常規瞬變電磁法進行野外數據采集時，采樣時間的間隔一般采用近似對數等間隔，這樣隨著時間的增大，采樣時間的間隔也增大，對應在深度上面就是有限數據的間隔也增大，意味著隨著深度的增加瞬變電磁勘探的縱向分辨率降低。

2 用反射系數法作數據處理

2.1 工作原理

反射系數法 (簡稱“K剖面法”)是利用反射系數解釋電測深曲線的一種方法。K剖面法能有效地提高對電性層的分辨能力，壓制地下局部干擾和電性不均勻體的影響，減少旁側影響。在分層定量解釋時方法簡單、參數多、圖件直觀。

高分辨率反射系數法是反射系數法的基礎上發展起來的工作方法，在野外工作和資料解釋方面有其創新點，高分辨率反射系數法在直流電測深法應用中取得了明顯成效。現將該技術拓展應用到瞬變電磁法中，其原理如下：

反射系數法的理論基礎是波動場與電場的相似性，自然界中的交變電磁場與波動場具有嚴格的一致性，它們都遵守了波動方程。無論是波動場或電磁場遇到波阻抗界面時都會產生反射與透射，其特性可以用反射系數等參數通過波動方程來表達。電法勘探中的一系列問題可以利用解波動場的一系列方法和反射系數等參數加以求解，這就是反射系數法的實質。

反射系數法已經在直流電測深法中得到應用，其原理和方法都已有論述。直流電場和交變電磁場具有相似的系數和公式，只是其中的參數不同而已。其中反射系數表示的是界面反射電流的能力。

直流電場中：

(1)

交變電磁場中：

(2)

式中：K12——直流電場中的反射系數；

ρ1和ρ2——第一層和第二層介質的電阻率，Ω·m；

z1和z2——第一層和第二層介質的阻抗率，Ω。

反射系數法是以波動方程為基礎的，直流電法所滿足的拉普拉斯方程是波動方程的一個特例。因此，反射系數法完全可以應用到交流電法中去，并且可取得類似的效果。

應用瞬變電磁法工作，當探測較深的地層(約大于300 m)時，其采樣點布置較直流電測深法要密，故在觀測精度較高時，也能達到高分辨率的效果。

高分辨率反射系數法能夠消除一定的地形影響，因為反射系數K僅與測點下地質體產生的二次電位差V2相關，而與地形影響產生的二次電位差(干擾電位差)無關, 反射系數K也與由表層不均勻性影響產生的干擾電位差無關，即該參數亦可消除表層不均勻性對勘測深層地質體的干擾，從而提高了資料解釋的可靠性和精度，將其應用到瞬變電磁法數據處理時,可消除一定的地形影響。所以高分辨率反射系數法可在瞬變電磁探測煤礦水害的實際應用中，在消除一定的地形影響、提高對地層的分辨率方面發揮一定的效果。

2.2 工作方法

(1)抽取瞬變電磁測深法測各時間道的歸一化二次電位V(i)。用瞬變電磁法公式計算出歸一化二次電位V(i)隨高程H(即探測深度)衰減的曲線(i表示時間道的順序號)。

(2)計算出高分辨率反射系數法的各種參數。通過二次電位V2(i)，計算出K1值，H(i)計算出K2值，再計算擬視反射系數的導數Ks。

式中：V2(i)、V2(i-1)——某一瞬變測點第i道和第i-1道的歸一化二次電位值；

H(i)、H(i-1)——某一瞬變測點第i道和第i-1道的探測深度；

Ks——擬視反射系數；

K1——測點相鄰兩道二次電位V2的相對偏差；

K2——測點相鄰兩道探測深度H的相對偏差。

3 野外數據采集

勘探區地形支離破碎，溝壑縱橫，為典型的黃土高原地貌，區內植被稀少，水土流失嚴重。基巖及紅土沿溝谷兩側大面積出露，局部溝幫及梁峁之上覆蓋第四系黃土或風成沙。

勘查區處于鄂爾多斯盆地次級構造單元陜北斜坡北部。陜北斜坡被圍于西部天環坳陷、北部伊盟隆起、東部晉西撓折等構造體系之中，位于鄂爾多斯向斜東翼，除翼部邊緣地帶傾斜較大外，主要發育構造多呈寬緩短軸狀背斜，地層傾角1°～3°，巖層傾向北西、北西西向。未發現規模較大的褶皺，斷裂構造一般不發育。

勘探區地表大部分被第三、第四系沉積物所覆蓋。地層由老至新依次為上三疊統瓦窯堡組(T3w)、侏羅系下統富縣組(J1f)、侏羅系中統延安組(J2y)，第三系上新統靜樂組(N2j)，第四系中更新統離石組(Q2l)。

井田范圍內正在生產的小煤礦眾多，各小煤礦多以房柱式及人工打眼放炮采煤，開采技術落后，主要分布在井田東南部廟溝門、三道溝地區的小煤礦主要開采5-2煤層，少數為5-2上煤層，中南部開峁溝、張明溝一帶的小煤礦主要開采3-2、3-3煤層，西部老高川地區的小煤礦主要開采2-2煤層，少數開采3-1煤層。本勘查區5-2煤層最大埋深為178 m，因此可以確定本次勘探的最大深度約為180 m。

主要地質任務就是查明井田區域內老窯采空區的空間分布范圍及富水情況。

瞬變電磁法具有體積效應小，異常響應形態簡單，分層能力強，有較強穿透高阻覆蓋層的能力，對低阻反應靈敏，易于突出電阻率低弱異常的特點。工作方法選擇瞬變電磁法，工作裝置采用大定源內回線裝置。儀器采用美國ZONGE公司研發的GDP-32II電法工作站，發射邊框160 m×160 m、發射頻率32 Hz、發射電流12 A、采樣延時250 μs、疊加次數256次。觀測精度要求不大于7%。

4 資料解釋

本次資料在常規資料處理的基礎上，再進行高分辨反射系數法的精細處理，通過對處理資料所形成的圖件進行分析，從點、線、面綜合解釋，得出最終地質成果。

4.1 孔旁測深曲線特征分析

選擇C1鉆孔資料顯示，第四系中上更新統厚13.60 m，新近系保德組厚2.90 m，下覆地層為侏羅系延安組，巖性主要為細粒砂巖、粉砂巖及煤層。3-3煤層埋深47.10 m，厚度為0.60 m；5-2上煤層埋深100.10 m，厚度為1.50 m；5-2煤層埋深121.50 m，厚度為3.60 m。

根據C1鉆孔以南10 m處測點孔旁測深資料，繪制該點視電阻率—視深度曲線圖，見圖1。

圖1 視電阻率—視深度曲線圖

由圖1可以看出，曲線首支呈下降趨勢，表層視電阻率值較下部視電阻率值要高(表層黃土受風化作用影響，土質松散、含水較少，新近系紅土在電性上呈低阻反映)，對應第四系黃土和新近系紅土。曲線出現極小值拐點后迅速上升，之后趨于平穩，變化較小，分析為細粒砂巖、粉砂巖和煤層互層的延安組地層。依據上述瞬變電磁單點曲線分析結果，并結合C1鉆孔資料可知，瞬變電磁法曲線形態與實際地層情況基本吻合，但在解釋深度上存在一定的誤差，經分析計算得出本次瞬變電磁法深度解釋系數為0.75。

4.2 視電阻率等值線斷面圖解釋

圖2為D264線(部分)瞬變電磁多參數解釋資料對比圖。從圖2(a)可以看出，視電阻率等值線在一定程度上受到了地形起伏的影響，故利用反射系數法求取每個測點相應深度的視反射系數Ks值，將每個Ks值與其點號、高程一一對應，最終形成視反射系數Ks等值線斷面圖，從圖2(b)中可以看出，視反射系數Ks等值線明顯減弱了地形起伏的影響，且異常反映更加清晰。將各個測點相同測道的V/I值組合起來進行橫向、縱向對比分析，繪制為多測道V/I剖面曲線，如圖2(c)所示，凸顯微弱異常。其中視電阻率斷面圖和Ks斷面圖中黑色粗實線為5-2上煤層底板等高線。

從圖2中可以看出，在D264線400～680段視電阻率等值線向下彎曲，相對其兩側呈低阻異常，但400處彎曲幅度較小，異常不明顯，是否為地形影響難以確定。Ks斷面圖中相同地段處Ks等值線出現較明顯異常反映，可確定為地下地質體的反映。多測道剖面曲線圖中該地段處二次場信號較大，衰減較慢，其在電性上為明顯的低阻異常體反映，三者對應較好。根據已知鉆孔資料可知，D1鉆孔位于D264線48號點以東18 m，其在該測線投影位置如圖2(d)中所示，鉆孔揭露5-2上煤層為采空區，且結合以往區內三維地震勘探成果可知，460～520段解釋為5-2上煤層采空區，并且有向北延伸之趨勢。

圖2 D264線多參數解釋對比圖

圖3 5-2上煤層視電阻率等值線平面圖

綜上所述，根據瞬變電磁法資料并結合區內已知鉆孔資料，將D264線400～680段推斷為5-2上煤層采空積水區。

4.3 5-2上煤層視電阻率等值線平面圖分析與解釋

由5-2上煤層視電阻率等值線平面圖見圖3。由圖3可知，視電阻率值在20～68 Ω·m之間變化，總體上看視電阻率值變化不大。測區的東北部沿已掘進巷道走向存在大面積的低阻區域，推斷為巷道內大量的鐵器、機器等干擾引起的。但是在測區的南部由東部邊界直至西部邊界存在大面積的低阻區域，該區域相對周圍呈明顯的低阻異常，等值線變化較密集，而且區域內存在大量的小窯巷道，視電阻率數值最小為16 Ω·m。根據5-2上煤層視電阻率等值線數值的大小、形態的變化及斷面異常特征，結合已知鉆孔資料和收集的小窯巷道分布圖推斷分析認為，測區南部由東部邊界直至西部邊界存在的大面積低阻異常為5-2上煤層采空積水區的電性反映。

5-2上煤層頂板主要以泥巖和粉砂質泥巖為主，其次為泥質粉砂巖和細砂巖。根據地質報告可知：延安組第一段主要含水層為主采5-2上煤層頂板砂巖，一般厚10～21 m，巖性為灰白色中細粒砂巖，基巖裂隙帶較發育，地表出露泉點16個，流量為0.014～0.203 L/s，含水性微弱。5-2上煤層位于地下水侵蝕基準面以下，其開采后形成的冒落帶高度為6 m，形成的導水裂隙帶高度為33.27 m，極易形成導水通道，上部含水層中的水通過導水裂隙帶成為補給水源，局部地段導水裂隙帶將直接溝通地表水體，使地表水成為直接充水水源。根據地質資料可知，勘探區內5-2上煤層無出露，不利于采空后形成的積水排泄。

綜上所述，5-2上煤層開采后形成的采空區具有一定的補給通道及水源，排泄條件不利，故隨著時間的積累，5-2上煤層采空區內存在一定量的積水。

根據5-2上煤層視電阻率等值線平面圖資料，5-2上煤層采空區邊界主要依據視電阻率等值線變化密集帶結合視電阻率值來劃分的，邊界線一般位于密集帶的中點。5-2上煤層采空區邊界部分成果圖見圖4。由圖4可以看出，采空區西部邊界已由D1、D2、D3、ZKIV-1鉆孔4個鉆孔控制，說明依據視電阻率等值線變化密集帶劃分采空區邊界線的原則是正確的。

圖4 5-2上煤層采空區邊界部分成果圖

5 結論

(1)通過本次工作，對勘探區范圍內老窯開采情況有了進一步的深入了解，推斷出了區內3-3煤層、5-2上煤層采空區賦存位置、范圍和形態，并對采空區含水性進行了評價。

(2)在瞬變電磁法勘探工作中，運用高分辨反射系數法處理瞬變電磁勘探的資料，利用反射系數法參數進行資料處理和解釋，不僅提高瞬變電磁勘探的縱向分辨率，還可以一定程度上消除由于地形的變化對實測數據的影響，提高資料處理的精度，使資料解釋的地質成果與實際地質情況相符，達到了為煤礦安全生產提供可靠的水文物探資料目的。