瞬變電磁法在煤礦地質(zhì)災(zāi)害勘察中的應(yīng)用

姚世來

（內(nèi)蒙古平西白音華煤業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000）

煤礦開采容易受到水害威脅，比如斷層及陷落柱富水突出、老窖水突出、斷層導(dǎo)水等等，這些問題不僅影響煤礦開采進(jìn)度，而且會(huì)給施工環(huán)節(jié)帶來嚴(yán)重的安全隱患，因此在煤礦開采前需做好專業(yè)的地質(zhì)災(zāi)害勘察工作，運(yùn)用瞬變電磁法提升勘察準(zhǔn)確度，從而采取有效的防治措施。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

本文研究的礦產(chǎn)地質(zhì)災(zāi)害勘察區(qū)域位于太行山西翼，基巖裸露，巖層風(fēng)化侵蝕情況比較嚴(yán)重，地層從老到新逐漸過渡，分別為奧陶系（0）、石炭系（C）、二疊系（P）、三疊系（T）、第四系（Q），而且每個(gè)時(shí)期的基巖上均不規(guī)則分布新生界地層。該區(qū)域共有8 個(gè)斷層，分別命名為DF1，DF2，…，DF8；共有5 個(gè)陷落柱，分別為X1 陷落柱，X2 陷落柱，…，X5 陷落柱。工作區(qū)為中低山侵蝕區(qū)，地表水系發(fā)育比較完善，勘察區(qū)的水系屬于海河流域，將含水層與隔水層一共劃分為9 層，其中含水層組根據(jù)巖層性質(zhì)主要分成6 組，隔水層主要有1個(gè)，巖性由粉砂巖、細(xì)粒砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖和鋁土泥巖等組成，巖性致密、裂隙不發(fā)育[1]。工作區(qū)中地質(zhì)主要含水層與勘查煤層的地質(zhì)情況如圖1 所示。

圖1 工作區(qū)主要含水層與煤層地質(zhì)分布圖

根據(jù)地質(zhì)資料分析可知，勘察區(qū)的煤層及巖層電性參數(shù)見表1，結(jié)合資料數(shù)據(jù)得出地層電性差異較為明顯，而且煤系地層的平均電阻值高于非煤系地層的電阻值，一般達(dá)到2 個(gè)級(jí)次后，構(gòu)成1 個(gè)電性層。因此煤系地層的基底奧陶系灰?guī)r的電阻率最高，具有較好的電性標(biāo)志，而充水的斷層破碎帶電阻率較低，電性標(biāo)志同樣明顯，為瞬變電磁法應(yīng)用提供了較好的電性基礎(chǔ)。

表1 煤、巖層電性參數(shù)表

2 瞬變電磁法工作技術(shù)

2.1 工作儀器、參數(shù)

針對(duì)本勘察區(qū)應(yīng)用輸變電磁法進(jìn)行地質(zhì)勘測，工作地點(diǎn)在野外，應(yīng)用儀器為GDP-32Ⅱ電法工作站，其中包含GGT-30 發(fā)射機(jī)、30 kW 科勒BF30 發(fā)電機(jī)組成的發(fā)射系統(tǒng)、GDP-32Ⅱ多功能接收機(jī)以及TEM-3 垂直分量接收探頭。在實(shí)際操作環(huán)節(jié)工作裝置設(shè)定為大定源中心回線，發(fā)射線框尺寸為960 m×960 m，發(fā)射頻率為4 Hz，自動(dòng)增益，關(guān)斷延時(shí)360 us，疊加次數(shù)為64次。結(jié)合勘察區(qū)地質(zhì)及環(huán)境情況，應(yīng)分別設(shè)置不同頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)反演計(jì)算，從而確定最優(yōu)發(fā)射頻率，提前在鉆孔附近觀測各項(xiàng)參數(shù)，從而確最佳試驗(yàn)參數(shù)[2]。

2.2 試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)點(diǎn)及發(fā)射裝置選擇

結(jié)合前文中的地質(zhì)區(qū)域研究，勘察區(qū)內(nèi)15#煤的埋層最深，其中試驗(yàn)鉆孔（P8-4 號(hào)）布置達(dá)到了767.71 m，而且鉆孔附近干擾源相對(duì)較少，因此第一次試驗(yàn)點(diǎn)選擇在P8-4 號(hào)鉆孔周圍，標(biāo)記為S1，第二次試驗(yàn)點(diǎn)選擇在水文鉆孔P2-5 周圍，標(biāo)記為S2，再對(duì)2 處地層的電阻率異常情況進(jìn)行閾值設(shè)定。本試驗(yàn)對(duì)勘察精度要求較高，因此需選用對(duì)目標(biāo)體感應(yīng)最為敏銳的中心回線裝置，配合大定源裝置進(jìn)行回線源布置（作業(yè)模式如圖2 所示），并在回線中間的1/3 處進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖2 大定源-中心回線組合裝置作業(yè)圖

2.2.2 瞬變電磁法發(fā)射框發(fā)射頻率試驗(yàn)

試驗(yàn)要求探測深度要大于910 m，結(jié)合P8-4 號(hào)鉆孔位置，試驗(yàn)環(huán)節(jié)的發(fā)射頻率分別設(shè)置為16、8 和4 Hz。

首先設(shè)定供電電流為14 A，在S1 處分別采用發(fā)射邊框?yàn)?40 m×840 m 和960 m×960 m，頻率16、8 和4 Hz 進(jìn)行組合試驗(yàn)，可以得出6 種結(jié)果：當(dāng)發(fā)射邊框?yàn)槎ㄖ禃r(shí)，3 種頻率數(shù)據(jù)接收曲線比較光滑，但是16 Hz 和8 Hz 的采樣時(shí)間較短，因此勘察深度不足，無法取得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)；當(dāng)發(fā)射邊框?yàn)?60 m×960 m 時(shí)，4 Hz 勘察深度較深，達(dá)到910 m 以上，能夠滿足后期解釋需求。因此發(fā)射頻率設(shè)置為960 m×960 m 邊框長度下的4 Hz[3]。

2.2.3 輸變電磁法其他參數(shù)試驗(yàn)

發(fā)射電流：GDP-32Ⅱ工作裝置要求發(fā)射電流大于10 A，根據(jù)上一步試驗(yàn)得出的960 m×960 m 邊框長度下的4 Hz 發(fā)射頻率，將其設(shè)定為固定值，進(jìn)行電流大小測試，分別設(shè)計(jì)10 A 及14 A 電流進(jìn)行試驗(yàn)比較，可以得出14 A 的發(fā)射電流接收信號(hào)強(qiáng)度更好，因此選用14 A 的發(fā)射電流。

關(guān)斷延時(shí)：由于試驗(yàn)為野外實(shí)測，為了保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，需完全采集第2 場數(shù)據(jù)資料，實(shí)驗(yàn)要在同一地點(diǎn)采集同一參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，將關(guān)斷延時(shí)分別設(shè)置3 組數(shù)值：260、360 和460 us，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)的分析可知，延時(shí)在200 us 附近時(shí)，能夠徹底清除第1 場測試信號(hào)，保證采集的信號(hào)全部是第2 場的。

噪音水平：針對(duì)試驗(yàn)區(qū)域的環(huán)境噪音水平，能夠確定出接收機(jī)的增益數(shù)值及疊加次數(shù)，根據(jù)測量結(jié)果得出試驗(yàn)現(xiàn)場的噪音值在±0.010 nT 之間，因此無干擾區(qū)的噪音水平低于0.010 nT 時(shí)，信息接收強(qiáng)度需要大于0.020 nT。

鉆孔旁深度：根據(jù)P8-4 號(hào)鉆孔深度，對(duì)比附近的P6-4 號(hào)鉆孔深度，電測深度曲線的深度校正系數(shù)為0.8，P6-4 號(hào)鉆孔深度分別經(jīng)過了第一電性層第四系覆蓋反映、第二電性層二疊紀(jì)地層、第三電性層石炭系地層、第四電性層奧陶系灰?guī)r，其中第二電性層電阻率較低，達(dá)到第三、第四電性層后電阻率逐漸升高，在第四層達(dá)到最高，因此P8-4 號(hào)鉆孔的校正深度需以奧灰標(biāo)志層為參考，深度校正系數(shù)設(shè)定為0.92[4]。

2.3 數(shù)據(jù)采集

2.3.1 工程布置

首先確定瞬變電磁測線，在勘察區(qū)域內(nèi)以垂直地質(zhì)構(gòu)造走向進(jìn)行布置，這樣能夠增加信號(hào)接收強(qiáng)度。測線具體布設(shè)方向?yàn)槲鞅?東南，每條線之間相互平行，間距設(shè)為40 m，測線共布設(shè)240 條，從南至北依次編號(hào)為D112～D352，測點(diǎn)共布置2 880 個(gè)，依次編號(hào)為1740～4620，每個(gè)測點(diǎn)間距為20 m。

2.3.2 采集技術(shù)

1）勘察區(qū)有村莊、電線、光纜等電磁干擾源，針對(duì)其中電磁頻率較寬較強(qiáng)的干擾源，需增加數(shù)據(jù)采集的疊加次數(shù)，取得數(shù)據(jù)后繪出曲線圖，采用單點(diǎn)曲線分層解釋及尾部數(shù)據(jù)低通過濾波處理辦法，實(shí)現(xiàn)“累加平均”取數(shù)的目的。

2）如勘察區(qū)內(nèi)地質(zhì)有沖溝發(fā)育特點(diǎn)，需準(zhǔn)確設(shè)置發(fā)射框尺寸，應(yīng)用測量儀器進(jìn)行量距定向，從而規(guī)范發(fā)射圈面積，再采用直流電測深法進(jìn)行跑極放線，并應(yīng)用測量儀器對(duì)每一個(gè)極距進(jìn)行量距定向，加強(qiáng)數(shù)據(jù)采集精度。

3）試驗(yàn)操作環(huán)節(jié)需保證瞬變供電導(dǎo)線絕緣電阻大于2 MΩ，同時(shí)內(nèi)阻要大于6 Ω/km。

3 瞬變電磁法數(shù)據(jù)處理

3.1 資料處理

應(yīng)用瞬變電磁法觀測數(shù)據(jù)，主要是通過各個(gè)測點(diǎn)的時(shí)窗（測道）所感應(yīng)到的電壓進(jìn)行換算，從而得到視電阻率、視深度相關(guān)參數(shù)；野外監(jiān)測環(huán)節(jié)需對(duì)每個(gè)測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)篩選優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)，再通過濾波、消除噪聲、恢復(fù)數(shù)據(jù)等環(huán)節(jié)后，運(yùn)用TEMAVG 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的關(guān)斷時(shí)間校正，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的時(shí)深轉(zhuǎn)換，最終得出視電阻率及視深度數(shù)值；對(duì)處理后的結(jié)果進(jìn)行一維數(shù)據(jù)反演，本文研究主要應(yīng)用STEMINV 軟件，通過反演操作進(jìn)行地形校正及高程校正；依據(jù)地層等高線及相關(guān)地質(zhì)資料繪制不同層位的視電阻率切片圖，并應(yīng)用Auto CAD 軟件繪制成圖，詳細(xì)的瞬變電磁數(shù)據(jù)處理及解釋步驟如圖3 所示。

圖3 瞬變電磁數(shù)據(jù)處理及解釋流程圖

3.2 資料分析

在進(jìn)行資料一維數(shù)據(jù)反演過程中，如果不同深度視電阻率值下的二次感應(yīng)電壓值較高，相應(yīng)地層主要表現(xiàn)為低電阻特性；如果二次感應(yīng)電壓值較低，相應(yīng)地層主要表現(xiàn)為高電阻特性。

勘查區(qū)的7 層地質(zhì)分布，從下至上依次為奧陶系中統(tǒng)峰峰組、石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組、上統(tǒng)上石盒子組以及新生界地層。結(jié)合資料處理結(jié)果進(jìn)行解釋分析可知，上部的新生界地層表現(xiàn)為高電阻，而且電阻從上至下逐漸呈現(xiàn)遞減再遞增趨勢，其中二疊系地層電阻最低[5]。

4 瞬變電磁法資料解釋

4.1 斷層富含水性分析

4.1.1 解釋標(biāo)準(zhǔn)

上文地質(zhì)概況中闡述了勘察區(qū)斷層主要有8 條，其中DF1～DF6 為正斷層，DF7 和DF8 為逆斷層。在資料解釋中需要對(duì)各個(gè)層位的視電阻率變化及電阻率-深度剖面的異常區(qū)域進(jìn)行處理。如果剖面圖及巖層含水，則表示為高阻，并將其判定為不富水；如果為中低阻異常或低阻異常，則判定為富水。

4.1.2 解釋內(nèi)容

以斷層DF1 為例，其屬于正斷層，北東走向，南東傾向，地處工作區(qū)的東南點(diǎn)，落差范圍在0～6 m 之間，傾角在74°左右，斷層DF1 主要在8#、15#煤層及奧灰中發(fā)育形成，其DF1 的電磁測線范圍在L124～L156 線上，觀察L140 線的4100~4500 號(hào)測點(diǎn)，其中4420～4380 號(hào)范圍內(nèi)的測點(diǎn)電阻率等值線出現(xiàn)扭曲、變形，而且斷層反映明顯，因此該處電阻率-深度剖面圖位于較高的電阻率區(qū)域，該層判定為不富水。

根據(jù)斷層DF1 的資料解釋方法，依次進(jìn)行其余斷層的富含水性分析，斷層DF2 在L132 線、斷層DF3 在L164 線電阻率-深度剖面圖位于較高的電阻率區(qū)域，斷層DF2、DF3 判定為不富水；斷層DF4 在L190 線電阻率-深度剖面圖位于無異常變化的電阻率區(qū)域，該層判定為不富水；斷層DF5 在L260 線、斷層DF6 在L310 線電阻率-深度剖面圖的電阻率等值線呈“V”型低電阻反映，因此富含水性較強(qiáng)；斷層DF7 在L348線、斷層DF8 在L328 線處的電阻率呈低電阻反映，而且形成了低電阻率閉合圈，因此富含水性較強(qiáng)。關(guān)于瞬變電磁的研究來分析斷層的整體成果，可以初步判定工作區(qū)內(nèi)斷層整體上富含水性較強(qiáng)，其中DF5、DF6、DF7、DF8 存在一定的低阻異常區(qū)域，而且這些斷層相鄰的上下層位中，低阻異常區(qū)主要與剖面傾向方向存在聯(lián)通關(guān)系，可以得出奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r巖溶水層與石炭系上統(tǒng)太原組灰?guī)r巖溶含水之間形成了一定形式的導(dǎo)水通道，即DF5～DF8 在含水層與溶巖含水之間形成了導(dǎo)水通道，斷層DF1、DF2、DF3、DF4 均不富水。

4.2 陷落柱富含水性分析

4.2.1 解釋標(biāo)準(zhǔn)

勘察區(qū)內(nèi)共有5個(gè)陷落柱，從X1～X5，在資料解釋中同樣需要對(duì)各個(gè)層位的視電阻率變化及電阻率-深度剖面的異常區(qū)域進(jìn)行處理，如果陷落柱的富水性較強(qiáng)，則垂直方向的低電阻率異常；如果陷落柱不富水，則垂直方向的高電阻率異常；陷落柱富水性較弱，則為中等電阻率。根據(jù)數(shù)據(jù)解釋分析可知，勘察區(qū)的陷落柱多為中阻表現(xiàn)，個(gè)別為低阻表現(xiàn)，而且部分陷落柱具有導(dǎo)水能力。

4.2.2 解釋內(nèi)容

以X1 陷落柱為例，其處于工作區(qū)的東南點(diǎn)，形態(tài)表現(xiàn)為不規(guī)則橢圓形。該陷落柱在15#煤層的長軸長為64 m，短軸長為52 m，瞬變電磁測線范圍在L152 線的4220～4580 測點(diǎn)上，其中4420～4460 號(hào)測點(diǎn)范圍內(nèi)的電阻率-深度剖面圖沒有明顯的低電阻反映，而且與周圍圍巖的電性差異不大，可以判斷該陷落柱不富水。

根據(jù)X1 陷落柱的資料解釋方法，依次進(jìn)行其余陷落柱的富含水性分析，X2 陷落柱在L184～L196 線上3860～4020 號(hào)測點(diǎn)、X5 陷落柱在L252 線上2240~2300 號(hào)測點(diǎn)之間視電阻率較低，而且形成了低電阻封閉圈，屬于兩高夾一低電性特征反映，因此該陷落柱富水；X3 陷落柱在L118～L124 線上2620～2700 號(hào)測點(diǎn)、X4 陷落柱在L256～L260 線上3780～3860 號(hào)測點(diǎn)之間無明顯低電阻反映，X1、X3、X4 陷落柱均不富水。通過所有陷落柱的瞬變電磁電阻率-深度剖面研究得出：工作區(qū)內(nèi)的陷落柱整體富含水性較強(qiáng)，其中X2、X5、X6存在低電阻異常區(qū)域，并在這3 個(gè)陷落柱相鄰的上下層位中可見低阻異常區(qū)域，異常區(qū)域與剖面傾向方向存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此可以判斷奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r巖溶含水層與石炭系上統(tǒng)太原組灰?guī)r巖溶含水之間形成了導(dǎo)水通道，較為典型的是X5 陷落柱在含水層與溶巖含水之間形成了一定形式的導(dǎo)水通道。

5 結(jié)束語

近些年煤礦安全問題日益突出，在煤礦開采前，針對(duì)水害的勘察及治理成為安全工作的主要任務(wù)，文章采用瞬變電磁法對(duì)礦區(qū)構(gòu)造處斷層及陷落柱的富含水性及導(dǎo)水性進(jìn)行勘察及判定，結(jié)合數(shù)據(jù)資料的分析解釋，總結(jié)出技術(shù)路線及操作方針，不斷試驗(yàn)總結(jié)，進(jìn)而提升地質(zhì)勘察水平。