瞬變電磁法在長榆河煤業8號煤層富水性勘查的應用研究

李志鋒

（山西潞陽煤炭投資經營管理有限公司，山西 壽陽 045400）

1 工程概況

為了探查山西壽陽潞陽長榆河煤業有限公司主要含水層富水區的分布范圍和勘查區內斷層的含、導水性以及老窯采空積水區和地質構造的導水性，為采掘工作提供地質資料，擬采用瞬變電磁法在地面進行地下水勘查工作。該井田位于壽陽縣城北東約10°方向、直線距離15km處，壽陽－盂縣公路在井田北部經過，距太舊高速公路約17km。井田位于太行山北端與晉中盆地之間的低山丘陵區，地表部份被黃土覆蓋，地形較為平緩，土梁與沖溝發育。地形總體東高、西低，最高點位于礦區東南角，標高為1454m，最低點位于西北部溝谷中，為1210m，最大相對高差244m。井田形態為一近東西向的刀把形（見圖1），東西長10000m，南北寬550-2150m，面積6.5624km2。井田主采8號煤，位于太原組頂部，上距6號煤層底板6.70～29.40m，平均 15.86m。上距 K7砂巖底 0－3.83m，平均1.94m。煤層厚度 1.00～2.60m，平均1.80m。結構簡單，一般不含夾石。頂、底板為砂質泥巖、泥巖、粗砂巖。該煤層在井田西北部被剝蝕，屬穩定大部可采煤層。煤層底板標高+1270～+1110m。

圖1 勘查區范圍地形圖

2 施工準備

2.1 施工方法選擇與原理

根據此次地質情況與實際要求，經決定采用瞬變電磁法方法。瞬變電磁法[1],簡稱TEM,是一種時間域電磁感應法，其工作原理主要是通過不接地回線或接地線源來向所勘查地區內發送一次脈沖場，在一次脈沖場間歇期間再利用回線來接收感應二次場，該二次場是由于地下良導體巖石受電磁波會產生一種不穩定電磁場，通過對接受的二次場隨時間變化而產生的信號規律分析，來確定地下巖層導電性不均勻分布情況，對其進行分析可以得到地下低電阻異常區域的情況，以達到對所需地域探測的目的。瞬變電磁法對比別的方法有很多優點，比較突出的優點有以下方面：

1）瞬變電磁法對于導電圍巖和導電覆蓋層的分辨能力優于別的方法，并且施工效率高，更適合勘探工作的需要。

2）在高阻圍巖條件下，沒有地形引起的假異常。

3）所得到異常的幅度大、形態簡單及受旁側影響小，提高了對地質體的橫向分辨能力。

有限導電地質體瞬變電磁響應可以用一個具有電阻和電感的回線上的響應相等效，回線中的感應電壓V2（t）正比于二次磁場的時間導數。

式中：τ為衰減的時間常數。

2.2 儀器的選擇

結合本次勘查任務與實際地質情況，決定采用加拿大產PROTEM 67D瞬變電磁勘探系統[2]。該電磁系統的可以在外部條件復雜與噪音干擾下，依然能完美的接受到地磁信號，且儀器動態范圍較大，可以根據所勘查區域內的建筑及村莊來進行靈活的調節，以滿足不同地質情況，由于本次所勘查區域范圍大，勘測深度較深，該儀器靈敏度較高，發射機電流較大，可以有效的接收地質深部的電磁信號，完成本次勘查任務。

3 勘查結果與分析

3.1 順層擬等視電阻率切面圖分析

圖2 8號煤層底板上15m順層擬等視電阻率切面圖

圖2 是8號煤層底板上15m順層擬等視電阻率切面圖，其空間位置對應于二疊系下統山西組砂巖裂隙含水層（K7）的位置，圖中是沿8號煤層底板上15m地層的視電阻率的變化分布，視電阻率由高到到低變化（圖中藍色到紅色變化），反映了砂巖裂隙發育沖水狀況，圖中電阻率高低只是在所勘查區域相對的高低，在裂隙發育帶的劃分上應該在其基礎上。裂隙發育帶在順層擬等視電阻率切面圖上表現為視電阻率低的異常特征，即圍巖裂隙越大，含水量越多所測電阻率就會越小，因此上圖中可以分析得：勘查區中北部和西北部一帶存在范圍較大的低阻異常區，其他范圍內存在有小范圍的不連續的低阻異常區，結合地質資料及鉆探資料推斷為二疊系下統山西組砂巖裂隙含水層（K7）裂隙發育富水的反映。

圖3 8號煤層順層擬等視電阻率切面圖

圖3 是8號煤層順層擬等視電阻率切面圖，其空間位置對應于8號煤層的位置，圖中是沿8號煤層的視電阻率的分布情況，藍色到紅色表示視電阻率從低到高的變化情況，反映了8號煤層采空充水的特征。采空充水帶在順層擬等視電阻率切面圖上表現為視電阻率低的異常特征，即采空充水性越強的地段電阻率值越小。從圖中可以看出：勘查區北部和東部有一些范圍較大的低阻異常區，勘查區其他范圍內也存在有小范圍的不連續的低阻異常區。結合地質資料及鉆探資料推斷其為采空充水的反映。

3.2 勘查區富水異常劃分及評價

從8號煤層底板上15m順層擬等視電阻率切面圖來看，主要低阻異常區位于勘查區中北部和西北部，通過對勘查區順層8號煤層底板上15m視電阻率統計，發現其視電阻率背景值在90Ω/m以上，結合鉆孔資料，判斷該層低阻異常應主要考慮視電阻率小于50Ω/m的區域，但有部分高阻中的相對低阻的區域也為低阻異常區，據此劃分了低阻異常范圍，進而圈定出了二疊系下統山西組砂巖裂隙含水層（K7）富水異常區范圍，總體來看，二疊系下統山西組砂巖裂隙含水層（K7）富水異常區主要集中在中北部和西北部一帶，在勘查區其它區域有一部分不連續的富水異常區。

從8號煤層順層擬等視電阻率切面圖來看，勘查區的主要低阻異常區位于勘查區北部和東，通過對勘查區順層8號煤層底板視電阻率值統計，發現其視電阻率背景值在100Ω/m以上，結合鉆孔測井資料及鄰區資料，判斷該層位低阻異常應主要考慮視電阻率小于60Ω/m的區域，但有部分高阻中的相對低阻的區域也為低阻異常區，據此劃分了低阻異常區范圍，繼而圈定了8號煤層采空充水富水異常區范圍，總體上看，在勘查區北部和東部有幾個較大的富水異常區。

3.3 8號煤層富水異常區分布劃分

通過本次勘探發現，勘查區內8號煤層頂板二疊系下統山西組砂巖裂隙含水層（K7）富水異常區有14塊如圖4所示。勘查區富水異常區分布主要集中在勘查區中部和東部，范圍較大且連續。

圖4 8號煤層頂板二疊系下統山西組砂巖裂隙含水層（K7）富水異常區分布示意圖

圖5 8號煤層采空充水富水異常區分布示意圖

通過本次勘探發現了勘查區內8號煤層采空充水富水異常區的分布規律，勘查區內8號煤層采空充水富水異常區有3塊：如圖5所示。勘查區富水異常區分布主要集中在勘查區東部。其中東部存在較大的兩個異常區，分別是B2和B3富水異常區。依據剖面圖中采空區特征反映和切片圖中的異常位置，結合地震資料，劃分了推斷采空區范圍（圖中洋紅色陰影位置）。

綜上所述，通過對所獲瞬變電磁資料的計算、處理，結合地震勘探解釋資料和地質資料進行認真分析，查明了勘查區內8號煤層頂板二疊系下統山西組砂巖裂隙含水層（K7）、8號煤層采空充水，劃分出了8號煤層頂板二疊系下統山西組砂巖裂隙含水層（K7）、8號煤層采空充水。其中8號煤層頂板二疊系下統山西組砂巖裂隙含水層（K7）劃分了14塊富水異常區、8號煤層采空充水劃分了3塊富水異常區。

4 結 論

通過對所獲瞬變電磁資料的計算[3]、處理，結合地震勘探解釋資料和地質資料進行認真分析，查明了勘查區內8號煤層頂板二疊系下統山西組砂巖裂隙含水層（K7）、8號煤層采空充水，并且劃分出了8號煤層頂板二疊系下統山西組砂巖裂隙含水層（K7）、8號煤層采空充水富水異常區分布范圍。對富水異常區的劃分是基于本次瞬變電磁法勘探的解釋成果，通過本次勘查工作，建議礦方在開采過程中對圈定的富水異常區地段進行井下電法探測及井下鉆探工作，進行近距離的精確探測，以確保安全生產。