瞬變電磁法在煤礦富水區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用

杜文龍

（山東省煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì)，山東 泰安 271000）

探測(cè)區(qū)位于毛烏素沙漠與黃土高原接壤地帶，溝壑縱橫，基巖裂隙發(fā)育[1]。3#煤上部直羅組砂巖含水層、延安組砂巖含水層可通過(guò)基巖裂隙與地表水、裂隙水相連通，形成富水區(qū)，對(duì)底部煤層開(kāi)采產(chǎn)生安全隱患。采用瞬變電磁法探測(cè)確定了富水區(qū)的空間分布，為防治水工作提供了技術(shù)保障。

1 工程概況

1.1 概況

朱家峁煤礦位于陜西省橫山區(qū)東北方約20 km處，行政區(qū)劃隸屬橫山縣波羅鎮(zhèn)、殿市鎮(zhèn)所轄，交通條件便利。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力150 萬(wàn)t/a，采用斜井單水平開(kāi)拓方式，開(kāi)采侏羅系延安組3#煤層。

1.2 地質(zhì)概況

探測(cè)區(qū)地表第四系松散沉積物覆蓋廣泛，僅在較大溝谷有局部基巖出露，地層由老至新依次為：三疊系上統(tǒng)瓦窯堡組（T3w）、侏羅系下統(tǒng)富縣組（J1f）、侏羅系中統(tǒng)延安組（J2y）、侏羅系中統(tǒng)直羅組（J2z）及第四系（Q）[1-2]。井田地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，為向西緩傾的單斜構(gòu)造，傾向277°，傾角0.6°左右，無(wú)巖漿活動(dòng)痕跡。

1.3 地球物理特征

區(qū)內(nèi)地形起伏較大，地勢(shì)東高西低，溝壑縱橫，陡坎較多，造成淺層電性不均勻。受新生代的風(fēng)化作用，巖層中若存在充水裂隙等，會(huì)使該煤層與周?chē)鷰r層產(chǎn)生較明顯的電性差異，含水層富水時(shí)，在橫向上，其視電阻率值明顯低于圍巖。不同區(qū)域的電性特征，是尋找含水層及其富水性的基礎(chǔ)。

2 工作方法

根據(jù)本區(qū)地質(zhì)條件和鄰區(qū)工作經(jīng)驗(yàn)，采用大定源瞬變電磁法，網(wǎng)度40 m×20 m，邊框360 m×360 m，頻率25 Hz，電流12 A，積分時(shí)間15 s。

3 數(shù)據(jù)處理

瞬變電磁法觀測(cè)數(shù)據(jù)是各測(cè)點(diǎn)各個(gè)時(shí)窗（測(cè) 道）的瞬變感應(yīng)電壓，需換算成視電阻率、視深度等參數(shù)，才能對(duì)資料進(jìn)行下一步解釋[4]。對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)中明顯不合理的觀察值給予剔除，對(duì)測(cè)區(qū)高壓線、道路車(chē)輛、村莊等的干擾，結(jié)合原始記錄進(jìn)行平滑濾波處理，確保采集的原始資料符合地質(zhì)規(guī)律[5]。修正處理的窗口范圍，反復(fù)進(jìn)行處理和再次解釋。本次瞬變電磁法采用白登海教授研發(fā)的軟件BETEM對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)一維建模、二維反演，再利用voxler 軟件進(jìn)行三維成像[3]，可直觀地了解探測(cè)區(qū)電性空間分布特征。

3.1 一維建模

對(duì)整理后數(shù)據(jù)進(jìn)行一維建模。由鉆孔資料及觀測(cè)曲線可知（圖1），探測(cè)有效范圍為34～520 m，從上到下分多個(gè)電性層。由于關(guān)斷時(shí)間影響，淺部地層信息會(huì)被屏蔽掉，因此34 m 以淺高阻區(qū)為盲區(qū)反映，34～42 m 相對(duì)高阻為第四系電性反映，42～56 m 相對(duì)低阻為基巖接觸帶，該位置裂隙較發(fā)育，相對(duì)富水，56～110 m 電阻率相對(duì)較高，為直羅組砂巖引起的電性反映，110 m 以下為延安組砂巖、泥巖、煤層等引起的電性反映。

圖1 一維建模及鉆孔柱狀圖

3.2 二維斷面反演

根據(jù)一維曲線所建立的地質(zhì)模型，進(jìn)行二維反演，得到各測(cè)線瞬變電磁視電阻率斷面圖。

斷面上視電阻率分布如圖2，橫向?yàn)闇y(cè)點(diǎn)號(hào)，縱向?yàn)楦叱蹋曤娮杪手蹈叩妥兓苫叶戎档淖兓硎尽Ｔ摂嗝婵v向上整體隨深度增加視電阻率降低，在橫向上視電阻率基本呈水平層狀，符合煤系地層的沉積規(guī)律和電性特征。

圖2 視電阻率等值線斷面圖

標(biāo)高1000～1115 m，視電阻率在55～75 Ω·m 之間，呈現(xiàn)橫向展布的層狀相對(duì)低阻異常，推斷該處為第四系與直羅組接觸帶位置，由于地層接觸帶弱富水引起的異常反映。標(biāo)高935～970 m 位置，電阻率在35～45 Ω·m 之間，為煤系地層的電性反映，視電阻率等值線變化平穩(wěn)。點(diǎn)號(hào)1300～1620 m 區(qū)域，標(biāo)高940～950 m，視電阻率等值線扭曲，呈現(xiàn)相對(duì)低阻反映，3 煤之上覆蓋層較薄，溝谷內(nèi)有基巖出露，易于大氣降水及地表水的滲透和匯集，故分析此異常為砂巖相對(duì)富水所致。點(diǎn)號(hào)1400～1420 m 區(qū)域，視電阻率扭曲，呈現(xiàn)高低阻突變，地表測(cè)量記錄該區(qū)域有燃?xì)夤艿澜?jīng)過(guò)，推測(cè)該區(qū)域?yàn)槿細(xì)夤艿烙绊憛^(qū)域。

3.3 三維成像解釋

采用voxler 軟件，對(duì)反演后各剖面的數(shù)據(jù)體進(jìn)行處理，通過(guò)散點(diǎn)數(shù)據(jù)體顯示、三維數(shù)據(jù)體成像、切片成像、截面剝離等多種方式，通過(guò)不同角度對(duì)數(shù)據(jù)體進(jìn)行解譯，可以直觀地觀察各電性層的空間展布情況。

由圖3、圖4 可知，測(cè)區(qū)電阻率整體呈水平層狀展布，淺部電阻率分布不均，是由于地表起伏較大，隨著深度增加，電阻率先增加后減小。

圖3 測(cè)區(qū)視電阻率散點(diǎn)圖

圖4 測(cè)區(qū)視電阻率順層切片疊合圖

標(biāo)高約1030～1100 m，存在一高阻中相對(duì)低阻層，該層為侏羅系碎屑巖類(lèi)風(fēng)化帶裂隙含水層；標(biāo)高約900～1070 m，該層位電阻率相對(duì)平穩(wěn)，根據(jù)電性特征及鉆孔資料，該層位為3 煤上部延安組碎屑巖類(lèi)裂隙承壓水含水層。

兩含水層位東北部、東南部及西南部存在三個(gè)低阻異常區(qū)，平面位置基本重合，推測(cè)以上三處低阻異常，橫向上延伸范圍較小，縱向上存在潛在導(dǎo)水通道。

4 應(yīng)用效果分析

通過(guò)瞬變電磁法勘探，對(duì)探測(cè)區(qū)內(nèi)的地層、含水層及其富水性進(jìn)行了解譯。探測(cè)結(jié)果表明：區(qū)內(nèi)地層較平緩，東北部、東南部、西南部存在三處相對(duì)富水區(qū)，富水性弱。根據(jù)鉆孔、地質(zhì)資料，地層劃分與鉆孔揭露基本一致，解譯富水區(qū)位置位于測(cè)區(qū)東北部巷道淋水區(qū)域。根據(jù)實(shí)際測(cè)算，淋水點(diǎn)淋水量0.5 m3/h，說(shuō)明本次探測(cè)效果較為準(zhǔn)確，為防治水奠定了基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

（1）瞬變電磁法探測(cè)，通過(guò)一維建模、二維反演、三維成像，可較直觀地反映不同電性層的空間分布規(guī)律及相互聯(lián)系，可通過(guò)多角度分析，增加成果解譯的可靠性，提高了效率。本次劃分地層、富水區(qū)范圍，與已知地質(zhì)資料相吻合，驗(yàn)證了探測(cè)結(jié)果解譯的可靠性。

（2）三維顯示是對(duì)二維顯示成果的延擴(kuò)，其精確度是建立在大量可靠有效的探測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上[4-5]，因此須嚴(yán)格把控?cái)?shù)據(jù)治理，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行反復(fù)分析，剔除干擾因素。