瞬变电磁法在矿区水文地质勘查中的应用

袁 春， 王嵩嵩

（1.吉林省煤田地质物探公司，吉林 长春 130031；2.吉林省煤田地质勘察设计研究院，吉林 长春 130021）

0 引 言

某煤矿在1956年勘探时，在煤矿的东部煤层浅部（现为采空区）打过钻孔，对深部没有进行控制，煤矿在生产过程中对深部残煤进行了巷道清理揭露，扩大了煤层储量。1988年9月在原矿井的基础上建井，次年6月建成投产，主要对深部煤层进行边采边探。区内地质工作是在原国有矿山开采探明基础上进行的，利用原开采图件资料查找和开采残煤，所以，本矿区地质情况及煤层赋存情况已清楚。邻区以往虽然进行了大量的地质工作，但对本区的地下地质构造和煤层的起伏形态了解不深。而钻孔所了解的地质情况仅局限于一点，对全区的了解远远不够，且勘探区地下地质构造十分复杂，以往地质及工作远远达不到矿井建设的需要。加之本区内浅部煤层多年被开采，对深部煤层开采产生影响，且小煤窑开采资料保留不足，因此，有必要对煤层的开采及水文地质情况进行大致了解，为矿区提供地下地质体的构造情况，满足矿井建设的需要［1］。

1 水文地质特征

1.1 含水层

1）第四系全新统粉砂、细砂、亚粘土孔隙水含水层主要分布于沟谷及低洼处，结构松散，厚度2～10m，一般宽度30～100m，水位埋深一般2～5m。富水不均匀，总的为弱富水。主要接受大气降水与山坡带潜水补给，少部分孔隙水受溪流补给。

2）侏罗系安民组安山岩、流纹岩、砂岩风化裂隙水含水层，该含水层分布面积较大，且稳定和连续性好，厚度270～1 010m，岩性主要为安山岩、流纹岩、细砂岩、凝灰质砂岩，以泥质胶结为主。该含水层主要接受第四系含水层的补给，随深度增加，含水性逐渐减小。经矿山开采证实，矿井正常涌水量20m3／h，最大涌水量30m3／h，含水系数为1.135 2～2.375 8，属弱富水。

3）构造裂隙水，矿井内部断层不发育，井下所见多为压扭性小断层，少数为张扭性断层，破碎带宽0.2～2m，挤压片理，三角面发育，多为断层泥充填，井下未见明显的涌、漏水现象，仅局部有潮湿显示，表明断层破碎带基本上不含水或微弱含水，且导水性差。

1.2 隔水层

煤层顶底板均为砂岩、砂质页岩互层，泥质胶结，裂隙不发育，厚度90～120m。除少数裂隙微弱含水外，余者一般不含水或含水微弱。

1.3 地下水的补给迳流排泄条件

第四系含水层主要补给来源为大气降水的渗入。侏罗系安民组安山岩、流纹岩、砂岩含水层主要是接受第四系含水层的补给。地下水的排泄则主要以矿井的开采排水及供水的疏干为主要方式。

1.4 矿井充水因素

坑道内主要充水因素是受大气降水补给的第四系含水层中的地下水，沿孔隙、裂隙渗入井筒，流入坑道。

1.5 矿坑涌水量预测

煤矿目前采矿标高为－40m，并且开采多年，本次矿坑涌水量预测采用比拟法，预测标高为－220m，各项参数采用－40m实际开采过程中的数据。

通过计算预测坑道涌水量为44.8（正常）～67.2t／h（最大）。

上述为2010年7月时的煤矿水文情况，其中，矿区内老采空区及周边老采空区分布、积水情况没有描述。

2 物性特征

地球物理勘探方法以各岩层的物性、电性差异为勘探对象及解释依据，勘探目的层与围岩的物性、电性差异大小直接影响物探成果的精度，决定勘探方法的可行性。

2.1 地表地质条件及其它影响条件

本区地势较为平缓，地表基本上是农田和林地，测区地面高压线等对电法数据采集质量有较大影响。

2.2 浅、深部地球物理条件

本区浅部地层主要是第四系地层。深部地层较为平缓，主要标志层间距变化不大，岩性、岩相组合特征清楚，各标志层与围岩物性差异较明显，如采空区无水为相对高阻，充水则为相对低阻，为电法勘查对比解释提供了有利条件。但断裂构造的发育会对资料的认识、解释产生影响，因为有的裂隙富水。

3 方 法

本次勘探的地质任务是探测采空区及积水情况，因而选择了对低阻反应灵敏、横向分辨率高的瞬变电磁法进行施工。瞬变电磁法（TEM）是一种时间域人工源的电磁法，具有较高的抗干扰能力和分辨率，其原理是：首先给地面的发射线框供一直流电流，然后突然切断电源，线框内的电流将发生一个突变，这种瞬态变化的电流将在空间产生一个瞬态的磁场，二次瞬态磁场引起地下形成涡流，涡流随时间的推移不断向地下半空间扩散，扩散的速度与地下地层的电阻率有关，不同时间扩散到不同深度。我们通过记录地下涡流变化（即磁场变化率dB／dT）的情况来达到了解地下电阻率的目的［2］。

含水岩层（砂岩、岩溶裂隙、采空区）本身是一有限导电地质体，其瞬变电磁响应（同点装置多测道）表现为中间低两侧高的异常特征。围岩电阻率较小时，集流响应的支配作用使瞬变电磁异常特征更为明显，加上含水岩体上经受激发极化效应的影响，含水岩层上甚至可以测量到负的瞬变电磁响应，有利于这类地质体的探测。

在数据采集工作开展前进行野外工作参数的试验工作，选择最佳施工参数。

其试验目的如下：

1）通过试验确定最佳施工参数。

2）了解测区的物性条件、工作环境、干扰背景。

3）对设计提出的工作布置及地质任务情况进行论证。

4）对设计方案提出优化。

试验主要内容为：

1）发射线圈。在满足勘探深度的前提下选择较小线圈，以提高工作效率，根据试验选择5m×5m，可以满足设计要求的地质任务。

2）电流脉冲宽度（ms）。为保证对目的层的有效观测，选取适合于本区的发射脉冲宽度，试验了10，20，40ms。通过仪器衰减曲线对比及深度演算得出，40ms为最佳发射电流脉冲宽度。

3）TEM测深发射边框5m×5m，发射电流25A，50A进行了4μs采样15 200μs的试验。一般来说，采样延迟大，捕捉深部信息多。但针对本区地质任务，兼顾浅层与深层的信息。

4）叠加次数。通过试验选取合适的次数，既保证采集数据完整，又能保证经济效益的原则［3－4］。

煤矿水文地质瞬变勘探成果如图1所示。

图1 煤矿水文地质瞬变勘探成果图

4 勘探结果

1）可能的采空区分布面积相对较小（合计0.073km2），不规则。

2）构造复杂，断层较多。全区地层倾角较大，推断解释断层6条，F4，F5，F6，F7，F8，F9均为正断层，走向主要为南北向。

3）异常区富水情况。26，27线的125～225m，应为采空区富水区（充水系数可能100%，面积约0.028km2），并且向界外延伸；其它采空区充水系数可能75%～25%充水（面积约0.106km2），且向界外延伸；采空区积水量估算77 760m3，积水量为物探施工时的估算量，随着时间的推移，这个量应该是有变化的［5－6］。部分或局部的煤层上覆或下伏地层中含水量相对较大，且向界外延伸。

4）导水情况。反映出有断裂构造发育，且富水区有断层存在，构成上覆或下伏地层与下面煤层及采空区之间的导水通道［7－8］。

通过实践证明，瞬变电磁法是在解决矿区水文地质勘查中的一种行之有效的勘查方法。

［1］吉林省地质矿产局.吉林省区域地质志［M］.北京：地质出版社，1988.

［2］牛之裢.瞬变电磁测深原理［M］.北京：地质出版社，1993.

［3］静恩杰，李志聃.瞬变电磁法基本原理［J］.中国煤田地质，1995，7（2）：83－87.

［4］杨海燕，岳建华，王梦倩，等.矿井瞬变电磁法中多匝回线电感对目标体探测的影响［J］.物探与化探，2007（1）：15－19.

［5］赵雪峰，杭文成，李云飞，等.瞬变电磁法为煤矿防治水提供水文地质依据［J］.西部探矿工程，2010（8）：120－123.

［6］乔宪武，丁红，王亚男，等.用瞬变电磁法解释断面模型［J］.内蒙古石油化工，2008（21）：1－3.

［7］白登海，MaxwellAMeju，卢健，等.时间域瞬变电磁法中心方式全程视电阻率的数值计算［J］.地球物理学报，2003（5）：697－704.

［8］刘树才，刘志新，姜志海.瞬变电磁法在煤矿采区水文勘探中的应用［J］.中国矿业大学学报，2005，34（4）：414－417.