瞬变电磁法在探测煤矿富水区中的应用

袁振坤，杨亚杰

(1．河南神火煤业 小煤矿区域管理一公司，河南 禹州 461670;2．河南神火兴隆矿业有限责任公司泉店煤矿，河南 许昌 461000)

·技术经验·

瞬变电磁法在探测煤矿富水区中的应用

袁振坤1，杨亚杰2

(1．河南神火煤业 小煤矿区域管理一公司，河南 禹州 461670;2．河南神火兴隆矿业有限责任公司泉店煤矿，河南 许昌 461000)

煤矿老采空区水害具有破坏性大，突发性强等特点，对矿井安全生产有极大威胁。本文应用瞬变电磁法对禹州神火正德矿业有限公司矿区内富水区进行了探测，本次瞬变电磁施工方案设计合理，测区共布置测线120条，总计完成坐标物理测点数为1 377个，质量检查观测点89个，总计物理点数1 466个。原始资料总体上质量较高，处理、解释方法正确合理，结论可靠，达到了预期探查目的。通过本次瞬变电磁勘探工作，初步查明:测区内含有4个富水区，1个四2煤层采空巷道影响区，3个(四2煤上部)煤层采空影响区。

瞬变电磁法;煤矿富水区;探测;应用

1 研究区概况

神火正德矿业有限公司位于禹州市磨街乡大涧村境内，研究区位于该公司井田南部，测区东北角附近有胡家门、苏家门等村庄。瞬变电磁法勘探区位于该公司矿区内，一期与二期工程总有效面积约为1．7 km2，矿区位于华北地台南缘，嵩箕台隆小区东段，白沙—许复向斜西翼，地层走向近北东，倾向南东。区域地层出露主要有寒武系、石炭系、二叠系及新生界第四系等。区内矿产以煤、铝土矿为主，二1煤层基本全区可采，其他煤层局部可采，是地方的支柱矿产，水泥用灰岩也是区域内重要的建材，铝土矿局部可采。区内地层出露简单，主要为二叠系下统下石盒子组、石千峰组、第四系仅在矿区北部局部地段分布，区域内钻孔穿见寒武系、石灰系、二叠系地层。

2 地质任务及地球物理特征

2．1 地质任务

1)利用瞬变电磁法在测区范围内进行富水区探测，基本查明富水区的范围。

2)基本查明测区范围内断层的分布情况。

2．2 地球物理特征

瞬变电磁法是以岩石导电性差异为应用前提的地球物理勘探方法。根据本测区的地质情况特点和以往的工作经验可知:一般情况下，如果采空区充填空气，所观测的二次感应电压信号初期较强，但衰减较快;如果采空区充填水，则所观测的二次感应电压信号初期较弱，但衰减相对较慢。在晚期时，采空区充水的二次感应电压信号要远远大于采空区充空气。如果测区水系不发育，且煤层顶底板隔水性好，则由采空区显现高阻特性。如果测区水系发育且顶底板透水性强，则由采空区所引起的电性异常主要表现为低电阻特性。在一定情况下可能会导致地面变形或者塌陷。断层接触带多充填破碎角砾岩，在本测区会形成导水通道。

当地层与构造含水时，由于地下水的流动性及电离作用，电阻率呈现低阻特征。分析对比电阻率参数，区分物性差异，寻找低阻异常区可以划分含水范围。

在横向上，沉积地层的电性正常情况下是均一的或变化不大。当存在富水性的断层构造或其它良导电地质体时(如断层破碎带富水，灰岩内的充水溶洞、裂隙、陷落柱等)都将打破水平方向电性均一性。当其在三维空间上具有一定规模时可改变纵向电性的变化规律，表现为局部、区域性的电性异常。

上述不同条件下的电性变化为以电性差异为应用前提的瞬变电磁法的应用提供了良好的地球物理应用前提。

3 瞬变电磁法原理及仪器

瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Method)，简称TEM，属于电磁感应类探测方法，其机理就是导电介质在阶跃变化的电磁场激发下而产生涡流场效应，即利用一个不接地的回线或磁偶极子向地下发射脉冲电磁波作为激发场源，根据电磁感应定律，脉冲电磁波结束以后，大地或探测目标体在激发场的作用下，其内部会产生感生的涡流，这种涡流有空间特性和时间特性，可以利用专门仪器观测这种涡流产生的电磁场的强弱、空间分布特性和时间特性。

本次瞬变电磁法勘探选用的仪器为澳大利亚产的Terra TEM，探头选用国产SB－70K(P)磁探头。Terra TEM是一款先进的瞬变电磁仪，有一个凸形的紧凑包装，为地球物理学者提供了一定范围的测量功能。由于安装了中型动力发射机和高速数字仪，Terra TEM具备了探测从浅层高阻岩体到深层矿物目标体的能力。大型触摸屏和直觉菜单使Terra TEM成为市场上最有用户良好界面的瞬变电磁系统之一。可选择的附件更进一步增强了系统性能，能够对及时采集的数据进行缩减、处理和可视化。系统可为工作人员和细微的时空差异提供及时的质量控制反馈。

4 施工参数选择

在正式开始工作之前，需要确定瞬变电磁工作中的技术参数，由于大定源回线装置发射功率比较大，可以产生比较高的信噪比，因此，本次勘探所采用的装置为大定源回线装置。大定源回线装置发送线框依据探测深度，在100 m×200 m至300 m×600 m范围内选择，长边应平行于地质体走向铺设。由于本矿区目标体的最大埋深深度大致为600 m左右，采用200 m×200 m的回线框，可以达到探测要求，因此，采用200 m×200 m的框进行探测。

由于发射电流与瞬变磁场响应成正比关系，供电电流一般为2～30 A，根据经验和地质资料，供电电流为6 A时，已经达到了本次勘探的要求。因此，发送电流选为6 A。

为了确定测量的其他参数，在测区已知的钻孔位置处对发射频率、接受探头一致性等参数进行试验，根据试验结果选择最佳采集参数。在试验中，采用25 Hz、8．33 Hz、2．5 Hz不同采样频率进行现场观测;根据观测结果和反演计算结果，从观测质量、探测深度、工作效率等方面综合分析，确定适合本区野外工作的采样频率、测量探头等工作参数。

本次试验，根据瞬变电磁法所要完成的地质任务，同时考虑到TEM方法可能的探测深度，为了达到最大探测深度又能兼顾浅部信息，根据试验方案的试验结果对比分析，确定瞬变电磁法生产参数如下:

发送电压:24 V

发送电流:6 A

发送基频:8．33 Hz

发送边长:200 m×200 m

接收线圈面积:2 000 m2

5 成果解释与探测成果

5．1 成果解释

由于篇幅所限本文仅对视电阻率等值线剖面图中的一测线进行解释，在视电阻率等值线剖面图上，若煤系地层未受采空区或其它地质构造影响，其视电阻率值变化稳定，等值线呈现明显的似层状分布，变化平缓;相反，当存在采空区或其它地质构造影响时，其视电阻率等值线发生扭曲、变形。采空区充水时呈现低阻反映，可根据低阻异常来确定采空区的位置。

资料解释的原则遵循从已知到未知。资料的解释工作是在地球物理特征的基础上进行的。对于瞬变电磁资料，根据视电阻率的高低反映可以确定采空区的位置和范围以及断层的位置。不充水采空区在瞬变电磁剖面上表现为相对高的视电阻率，而充水采空区在瞬变电磁剖面上表现为相对低的视电阻率。根据视电阻率值的高低，如果在周围的高阻区域出现相对低阻的圈闭，认定为低阻异常;反之，为高阻异常。根据等值线全圈闭的变化，以及视电阻率等值线在横向上的变化来判断断层的位置。

下面对部分测线综合剖面图进行简要分析:

测区55线视电阻率等值线断面图见图1，图2。从剖面图上看，探测深度范围内纵向视电阻率值有从低到高的变化趋势，与实际地质层位的电性分布规律一致。在瞬变电磁剖面图中，A代表低阻区域，C代表中间区段，B代表高阻区域。

图1中，纵、横坐标分别为高程和测点号，A为高电阻区域，B为低电阻区域。由解释原则可知，若煤系地层未受采空区或其它地质构造影响，其视电阻率值变化稳定，等值线呈似层状分布，变化平缓;相反，当存在采空区或其它地质构造影响时，其视电阻率等值线发生扭曲、变形。

从图2中可以看出，剖面浅部视电阻率值相对较低，为表层第四系的反映，主要为砂质黏土、砂土及耕植土等，厚度不均匀，在0～16 m变化。高程380～200 m视电阻率值横向变化不大，为下伏二叠系浅部风化层的反映，高程200～50 m，测点210～420号点之间出现明显的低阻圈闭，为富水区的反映。

5．2 探测成果

根据探测结果，得到了TEM解释平面成果图，见图3。

图3 TEM 测区解释成果平面图

图3中浅灰圈定区域为相对低阻区域，推测为局部富水区，其中富水区2，3面积较大，建议在此段采掘时应加以注意，及时做井下超前探测或者地质预报。勘探区左上角和右下角3个深灰圈定区域，相对高阻，推测为上部煤层采空影响区。测区中部的深灰所圈定区域推测为四2煤巷道采空影响区。

根据顺四2煤视电阻率顺层切片，结合测线断面图，推断富水区4个，四2煤巷道采空影响区1个。四2煤上部煤层采空影响区3个。

6结论

本次瞬变电磁施工方案设计合理，测区共布置测线120条，总计完成坐标物理测点数为1 377个，质量检查观测点89个，总计物理点数1 466个。原始资料总体上质量较高，处理、解释方法正确合理，结论可靠，达到了预期探查目的。

通过本次瞬变电磁勘探工作，初步查明:测区内含有4个富水区，1个四2煤层采空巷道影响区，3个(四2煤上部)煤层采空影响区。

［1］ 张胜业，潘玉玲．应用地球物理学原理［M］．中国地质大学出版社，2004:

［2］Meju，M．A．，Fenning，P．J．，Hawkins，T．R．W．Evaluation of Small－ loop Transient Electromagnetic Soundings to locate the Sherwood sandstone aquifer and confining formations at Well Sites in the Vale of York，England［J］．Journal of Applied Geophysics，2000，44:217 －236．

［3］豆会平，魏 启．脉冲瞬变电磁仪的发展现状及对策［J］．石油仪器，2000，14(4):26－28．

［4］牛之琏．时间域电磁法原理［M］．长沙:中南大学出版社，2007:37－48．

［5］卞海洋，杜广印，童立园．高速公路下伏多层富水采空区综合物探勘察技术研究［J］．公路，2007(8):15－16．

［6］蒋邦远．实用近区磁源瞬变电磁法勘探［M］．北京:地质出版社，1998:41－45．

［7］张胜业，潘玉玲．应用地球物理学原理［M］．中国地质大学出版社，2004．

［8］李 琳．瞬变电磁测深的理论与应用［M］．西安:陕西科学技术出版社，2002:11－14．

［9］虎维岳．矿山水害防止理论与方法［M］．北京:煤炭工业出版社，2005:169－175．

［10］闰 述，陈明生，傅君眉．瞬变电磁场的直接时域数值分析［J］．地球物理学报，2002，45(2):64－68．

Application on Transient Electromagnetic M ethod in Probing W ater－rich Area of Coal M ine

Yuan Zhen－kun，Yang Ya－jie

Coal mine goaf water has destructive，sudden and strong feature，the mine production safety is threatened．In this paper by applying the transient electromagnetic method the water－rich areas in the mining area of Yuzhou Shenhuo Zhengde mining company limited were detected，the transient electromagnetic construction scheme design is reasonable，test area arranged 120 measuring lines，total complete coordinate physical measuring points for 1 377，quality inspection observation points 89，total physical points 1 466．On the whole the original data quality is high，processing and interpretation method is correct and reasonable，the results are reliable，achieves the desired probe purpose．The transient electromagnetic exploration initially identified that the measuring area contained 4 water rich areas，1 fourth 2 coal seam gob area，3(fourth 2 coal seam upper)worked － out affected zone．

Transient electromagnetic method;Water－rich area of coal mine;Probe;Application

［TD12］

A

1672－0652(2012)09－0041－04

2012－06－06

袁振坤(1982—)，男，河南商丘人，2006年毕业于河南理工大学，助理工程师，主要从事煤矿测量地质及防治水工作(E －mail)yzk163@126．com