地面瞬變電磁技術在探測煤層頂底板富水區分布中的應用

李 剛

(山西潞安礦業集團慈林山煤業有限公司李村煤礦，山西省長治市，046600)

煤層頂底板附近富水區的存在會對煤礦生產影響較大，威脅煤礦生產安全，從而造成嚴重的經濟損失[1-2]。因此，提前提供區域內詳細的富水區分布情況，可為煤礦的安全高效開采和智慧礦山建設提供有力的保障。瞬變電磁法(TEM)屬時間域電磁測深法，又稱“純異常場法”，它是利用階躍波形電磁脈沖激發，利用不接地回線向地下發射一次場，在一次場的間歇期間，測量由地下介質產生的感應二次場隨時間的變化來達到尋找各種地質目標體的一種地球物理勘探方法[3]。當前，瞬變電磁法因其具有施工靈活、抗干擾強、施工效率高等特點，在煤礦生產中被廣泛應用[4-8]。筆者以李村煤礦二采區為例，分析了瞬變電磁法在煤礦水文地質勘查中的應用。

1 研究區概況

1.1 地質概況

研究區位于李村煤礦二采區，該區地層屬華北地層區山西地層分區晉東南小區，為華北型石炭-二疊系含煤構造，地層自下而上分別為奧陶系中統、石炭系本溪組、太原組、二疊系上統、下統、第四系。井田內大部分被第四系黃土所覆蓋，中部出露二疊系上統石千峰組下段地層。采區內3號煤層為主采煤層，位于山西組下部，上距K8砂巖23.30～60.83 m，煤厚4.3～5.8 m，平均厚度4.94 m，結構簡單，含0～1層泥巖、炭質泥巖夾矸，是全區主要可采煤層。

1.2 主要含水層水文地質特征

3號煤層為帶壓開采區，影響3號煤層開采的含水層主要是第四系及基巖風化帶、K10、K8及K7含水層；其中K8和K7含水層為3號煤層頂、底板直接含水層。

(1)K8及山西組砂巖裂隙含水層組。K8砂巖為山西組與下石盒子組分界，該含水層為碎屑巖裂隙含水層組，井田內無出露，包括K8、K7砂巖及3號煤層頂板砂巖裂隙含水層，構成主采3號煤層的充水水源。巖性以中、細粒砂巖為主，平均厚度13.26 m，井田內該含水層組屬富水性弱-中等的砂巖裂隙含水層組。

(2)上、下石盒子組砂巖裂隙含水層組(K10)。該含水層組為碎屑巖裂隙含水層組，井田內局部出露。主要由中、粗粒砂巖組成，一般裂隙較發育，局部充填。該含水層富水性與裂隙發育程度及其充填情況有關。

(3)基巖風化帶裂隙含水層。該含水層的巖性因地而異，風化裂隙發育因巖性、構造及地形控制而不同，一般發育深度在50 m左右，該含水層一般富水性差異較大。

(4)松散層孔隙含水層組。該含水層組主要由具孔隙的亞粘土、砂、礫石等組成，區內大面積出露，水位埋藏一般較淺，主要接受大氣降水補給，該含水層組滲透性好，局部含水豐富，屬中等富水性含水層組。

2 地面瞬變電磁法探測

2.1 儀器選擇

結合本次探測任務與實際地質情況，本次探測采用美國ZONGE公司生產的GDP-32II型多功能電法儀。該儀器具有動態范圍較大、調節靈活及靈敏度較高等特點，可滿足對本研究區深部地質探測需求。

2.2 測線布置

研究區內構造走向多為南北方向，根據瞬變電磁勘探方法測線布置原則，本研究將測線方向布置為東西向，其編號由南至北排序為L100～L2660，共計65條，各測線間線距為40 m。同時在測線上布設探測坐標點，其編號由西至東排序為100～5100，坐標點共計8364個。本次探測控制面積約為7.13 km2。同時在測區中部、北部及西南部選擇了3條試驗段作為測試試驗地點，其中試驗段1位于L860線700～980點，試驗段2位于L1300線2420～2700點，試驗段3位于L2060線4820～5100點，試驗點總計24個。研究區內測點、測線布置及試驗段位置如圖1所示。

圖1 測線布置示意

2.3 施工參數選擇

瞬變電磁數據采集的參數設置事關數據信號的最終質量以及野外勘探的工作效率。因此，為了保證瞬變電磁法對富水區探測成果的有效性，應在正式探測前進行多次施工參數選擇試驗，通過對比分析不同探測數據的質量，從中挑選出針對該處研究區地質條件的最佳參數。本研究中，選擇了研究區內3條試驗段(試驗段1、2、3)作為測試試驗地點，經測試確定了較合理的施工參數。

(1)發射線框。3號煤層埋深約為500 m，同時考慮到研究區地形及野外施工效率，通過對比觀察各邊框的邊框衰減曲線及邊框反演深度，本研究選擇規格為840 m×840 m線框。此外在對線框進行布設施工時，應確保其長度誤差小于5%、方向誤差小于1°，同時應將線框的余線呈“S”形鋪于地面，且應確保供電導線對地絕緣電阻至少為2 MΩ，導線內電阻小于6 Ω/km。

(2)發射頻率。4 Hz的衰減曲線比較圓滑，外部道強烈干擾而尾部道干擾較小，證明有效信號的總體衰減趨勢特征已經被完整采集。

(3)發射電流。發射電流選取為26 A時，衰減曲線尾部相對較為平滑，能夠有效地壓制背景干擾噪聲，提高探測分辨率。

(4)其他參數。增益為1，疊加次數為8，其他參數隨頻率變化由儀器內部設置自動調節變化。

3 數據處理與解釋

3.1 資料處理

對于野外采集原始瞬變電磁數據，應及時進行逐條驗收，并做好室內評級工作。若驗收過程中發現原始數據存在異常或畸變，則應及時通知現場工作人員對數據存在異常區域進行重新布線檢測；若原始數據驗收合格，則應根據野外采集環境對數據進行濾波、一維反演等相應處理，獲得合適的解釋數據，并將其換算為視電阻率、視深度等含水性解釋所用的參數。其數據處理流程如圖2所示。

圖2 數據處理流程圖

3.2 資料解釋

瞬變電磁數據的解釋工作主要建立在原始數據經相應處理后換算得到的視電阻率斷面圖、視電阻率平面等值線圖和視電阻率順層切片圖的基礎上。因此，為提高探測數據解釋的客觀及準確性，在初步解釋之后調整處理中的相關參數進行反復處理，直到滿足解釋要求。

(1)定性解釋依據。沉積巖層若沉積均勻在垂向上一般呈層狀分布，其橫向上變化較小，因而電性響應特征在視電阻率剖面圖上表現為：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緩，無較大的褶曲躍變。但沉積的均勻完整性若遭到破壞，如地應力作用產生的裂隙充水，煤層開采后形成的冒落帶、裂隙帶充水等，其電性響應特征在視電阻率剖面圖上將表現為低阻異常，使得視電阻率等值線出現不同程度的褶曲與躍變，形成封閉圈。因而針對巖層富水性的解釋，可依據剖面圖或平面圖上視電阻率的橫向變化特征。其中在平面圖上，富水區的解釋主要通過判別平面上的低電阻值封閉圈，極小值封閉圈為強富水區，次一級的極小值封閉圈為弱富水區。同時也應注意對富水異常區的劃分,應結合電性特征與地質情況綜合分析，不能脫離具體的地電環境分析。

圖3 視電阻率剖面與測井曲線 (視電阻率-深度)對比圖

(2)定量解釋依據。電法勘探作為一種間接勘探方法，在原理上無法準確地測定探測目標體的絕對物理電阻率，但可利用相應的儀器設備對目標體的相關電性變化信息進行采集，尤其是均勻地層中發育存在的裂隙、地下水等異常目標體時。通過對采集的原始數據進行處理與分析，可獲得地下視電阻率結果，并據此分析其數據高低變化及形態分布特征，如圖3所示，結合已知鉆孔資料，推斷出有關地質體的相對定量解釋標準。

4 富水異常區探測結果與分析

4.1 視電阻率斷面圖分析

對瞬變電磁探測數據進行相應處理解釋，獲得視電阻率結果，并沿測線方向切取剖面。同時結合已知鉆孔資料及鉆孔附近的地質層位與實際獲得的視電阻率剖面進行比較，求出相應的計算系數對視電阻率結果進行深度校正，并對其進行定量解釋。

4.1.1 L2580線斷面圖分析

L2580線視電阻率斷面圖見圖4。從縱向上看，該圖在剖面線的4420～4540號點均表現為低阻異常(圖中紅色虛線指示區域)，根據其標高推測為K8含水層富水異常區。同時F1斷層在剖面上均無電性異常反映，推斷為不富水斷層。

圖4 L2580線視電阻率斷面圖

4.1.2 L340線斷面圖分析

L340線視電阻率斷面圖見圖5。從縱向上看，該圖視電阻率值從高阻急劇下降到低阻再隨深度的變化逐漸變大，符合地質的巖性變化規律；從橫向上看，該圖剖面線的4340～4500號點表現為低阻異常(圖中紅色虛線指示區域)，根據其標高位置推測為K7、K2含水層富水異常區。同理，在該圖剖面線的4660～5100號點表現為低阻異常(圖中紅色虛線指示區域)，DF9斷層位于該低阻異常區內，推測為DF9斷層為富水斷層，主要為煤系地層之間的富水。

圖5 L340線視電阻率斷面圖

4.1.3研究區視電阻率值電性特征及低阻異常區劃分原則

通過分析各視電阻率斷面圖可知，縱向上從淺到深其視電阻率值基本呈現由中、低、中、高的電性特征。從總體分析，圖中上部(+850 m高程以上)為中阻表現，其值為20～70 Ω·m，從上到下呈逐漸減小的趨勢，反映了新生界電性變化；中上部地層(+850～+400 m高程)為由低阻到中阻的表現，其值為20～40 Ω·m，反映了二疊系地層電性變化；中下部(高程+400～+150 m之間)為中高阻表現，其值為40～60 Ω·m，反映了石炭灰巖地層電性變化；下部(高程+150 m以下)為高阻表現，電阻率值一般都高于60 Ω·m，呈逐漸升高趨勢，反映了奧陶系地層電性變化。

結合研究區的地球物理特征及鉆井資料，經過分析對比后，最終確定了低阻異常區的劃分原則：第四系及基巖風化帶含水層視電阻率≤30 Ω·m為富水區；K10含水層視電阻率≤30 Ω·m為富水區；K8含水層視電阻率≤34 Ω·m為富水區；K7含水層視電阻率≤38 Ω·m為富水區。

4.2 目標層富水異常區圈定

在獲得各測線視電阻率剖面圖，即沿每條測線電性隨深度的變化情況后，求解各目的層深度，然后通過插值方法，求得目的層相應深度對應測點處的參數值，最后利用同一個目的層的插值結果繪制各煤層頂板對應的電性異常分布平面圖，從而獲取第四系及基巖風化帶、K10、K8及K7含水層的視電阻率反演數據順層切片。同時根據電阻率等值線的梯度變化、范圍、各測線的低阻異常的分布、在平面上的連通情況，并結合該研究區內低阻異常區劃分原則，對上述含水層內的富水區的位置、范圍和形態進行解釋與圈定，從而獲取3號煤層頂底板各主要含水層富水異常區圈定結果。富水區異常區圈定成果圖中，色標由藍-白-紅表示視電阻率由低到高，其中圖中藍色區域的視電阻率值小于30 Ω·m，紅色區域的視電阻率值大于80 Ω·m。

(1)第四系及基巖風化帶富水異常區。第四系及基巖風化帶富水異常區圈定成果如圖6所示。由于新生界底部砂及砂礫石含水層與基巖風化帶距離小，相互之間沒有明顯的電性差異，因此只能將其作為一個含水層來進行富水性的評價。已知水文資料顯示該含水層屬于弱富水層，含水層的補給主要來源于地表水，受季節性雨水的影響較大。本測區第四系厚度變化較大，測區的西部基巖出露，風化比較嚴重，東部第四系厚度達到180 m。通過觀察圖中視電阻率反演數據順層切片可知，圖中無紅色區域，即視電阻率均小于80 Ω·m。基于研究區視電阻率值電性特征及低阻異常區劃分原則，本研究在測區東部圈出4個異常區域，編號分別為Q1、Q2、Q3和Q4，推斷解釋為富水區。但第四系、基巖風化帶下部的隔水層主要由具塑性的泥巖、砂質泥巖等組成，呈層狀分布于各砂巖含水層之間，阻隔各砂巖含水層之間的垂向水力聯系，相對獨立。分析認為富水區與煤層相距較大，構造比較簡單，垂向發育不明顯，富水區與煤系地層含水層無明顯導通關系，但隨著礦井的開采或受到特殊因素影響，地層結構發生變化后，有可能會與下部地層形成導通關系。

圖6 第四系及基巖風化帶富水異常區圈定成果圖

(2)K10含水層富水異常區。K10含水層富水異常區圈定成果如圖7所示。K10含水層是3號煤層頂板之上的間接含水層，平均距離為110 m，已知水文資料顯示該層屬于弱富水性含水層。通過觀察圖中視電阻率反演數據順層切片可知，圖中無紅色區域，即視電阻率均小于80 Ω·m。基于研究區視電阻率值電性特征及低阻異常區劃分原則，本研究在測區內共圈定了10個富水異常區，編號自西向東分別標注為K10-1至K10-10。其中K10-1、K10-2、K10-3和K10-5富水異常區控制程度較可靠；其他富水異常區均受高壓線干擾，數據質量受到一定影響。

圖7 K10含水層富水異常區圈定成果圖

(3)K8含水層富水異常區。K8含水層富水異常區圈定成果如圖8所示。K8含水層是3號煤層頂板之上的直接含水層，平均距離為41.89 m，已知水文資料顯示該層屬于弱富水性含水層。通過觀察圖中視電阻率反演數據順層切片可知，圖中無紅色區域，即視電阻率均小于80 Ω·m。基于研究區視電阻率值電性特征及低阻異常區劃分原則，本研究在測區內共圈定了13個富水異常區，編號自西向東分別標注為K8-1至K8-13。其中K8-1、K8-2和K8-6富水異常區控制程度較可靠，其他富水異常區均受高壓線干擾，數據質量受到一定影響。

圖8 K8含水層富水異常區圈定成果圖

(4)K7含水層富水異常區。K7含水層富水異常區圈定成果如圖9所示。K7含水層是3號煤層底板直接含水層，平均距離為15 m，已知水文資料顯示該層屬于弱富水性含水層。通過觀察圖中視電阻率反演數據順層切片可知，圖中無紅色區域，即視電阻率均小于80 Ω·m。基于研究區視電阻率值電性特征及低阻異常區劃分原則，本研究在測區內共圈定了10個富水區，編號自西向東分別標注為K7-1至K7-10。其中K7-1和K7-2富水異常區控制程度較可靠；其他富水異常區均受高壓線干擾，數據質量受到一定影響。

圖9 K7含水層富水異常區圈定成果圖

5 結語

瞬變電磁技術對低阻目標物反應敏感，在煤礦水文地質勘察中優勢明顯。在本研究中通過對所采集瞬變電磁資料的計算、處理，基于經分析研究得到的研究區視電阻率值電性特征及低阻異常區劃分原則，并結合已知水文地質資料進行定性、定量分析和綜合解釋，基本查明了影響勘查區內3號煤層開采的頂底板含水層第四系及基巖風化帶、K10、K8及K7的富水性，通過本次勘查工作，建議礦方在工作面布設過程中進行合理規劃，并在煤層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，從而確保煤礦的安全生產。