EH4电磁法在寻找煤矿富水区中的应用

杨春利，潘纪顺，王 宁，王 帅

(1.华北水利水电大学，河南 郑州450045;2.新疆大学，新疆 乌鲁木齐830002;3.河南有色地矿局，河南 郑州450016)

目前，煤矿地下采空区及富水区已成为制约矿山发展的一个首要难题.随着矿山的深部开采，地压不断增大，开采过程中必将引起地面塌陷，地裂隙变化等诸多地质灾害，严重威胁到矿产开采和人民财产安全.EH4 电磁法是在大地电磁法和音频大地电磁法的基础上发展起来的一种人工源频率域测探方法［1］，它广泛应用于固体矿产勘查、油气田勘查、地热资源调查和地质构造查找工作中，并取得了明显的勘查效果.如张金明［2］将EH4 电磁法应用于温州市温泉构造带的勘查中，为断裂带的定位及其产状的判断提供了依据;杨外名等［3］采用EH4 电磁法在河北太行山贫水区寻找构造裂隙水效果明显;樊战军等［4］将EH4 电磁成像系统应用于金矿的勘查中，取得了良好的效果.

EH4 电磁测深系统由美国EMI 公司和Geometrics 公司联合研制，把人工场源和天然场源有效地结合起来［1］. 常规电法受低阻屏蔽影响，EH4 电磁测深系统具有勘测深度大、高效、横向分辨率高等诸多优点. 因此，笔者采用EH4 电磁测深系统对河南平顶山新华一矿矿区地层的富水性进行探查.

1 工程区概况

平顶山市新华区新华一矿属平顶山市新华区兴办的集体性煤矿.该矿区处在平煤集团七矿井田一水平戊十采区范围内，批准开采戊8、戊9－10 煤层.从安全生产出发，防患于未然，需查明矿区内指定地段的富水情况.

1.1 地质特征

井田内含煤地层为石炭系和二叠系，沉积在寒武系崮山组厚层的白云质灰岩之上，石炭系太原组与寒武系崮山组地层呈平行不整合接触. 石炭系太原组主要由细—中粒砂岩、砂泥岩、泥岩、灰岩和煤层组成，以灰岩为主，含庚组煤层，底部为鲕状铝土泥岩，该组地层一般厚度为65 m. 二叠系山西组整合沉积在石炭系太原组地层之上，以深灰色泥岩沉积为主，其次为灰白—棕灰色中粒砂岩，含己组煤层，该组地层一般厚度70 m. 下石盒子组连续整合沉积在山西组地层之上，灰及深灰色泥岩、砂质泥岩为主，浅灰色及灰白色细—粗粒砂岩次之，夹紫斑泥岩及菱铁质鲕粒，含戊、丁组煤层，该组地层在井田内一般厚250 m. 煤系地层之上为薄层的第三系灰白色泥灰岩和第四系角度不整合沉积所覆盖. 第四系沉积主要为褐色黏土夹钙质结核及砾石，厚度一般为20 ～40 m.

井田北临矿区内大型正断层——锅底山正断层，并处在该断层的上盘及七矿郝堂向斜轴的西端.井田内总体构造为西部仰起向东倾伏的次级向斜构造，轴向北西西的煤层倾角平缓，由于受锅底山大型正断层的影响，井田内构造复杂，褶曲及断层异常发育，煤层起伏，并受断层切割破碎，断层基本上发育为三簇，落差小于10 m 的极多，主要断层走向与地层走向基本一致，呈北西西向，正断层居多，倾向不一.由于构造复杂，矿井的设计和生产都较困难.

1.2 地球物理特性

区内各地层之间均有较明显的电性差异.第四系为砂质黏土，上部夹钙质结核，下部夹砾石，厚度5 ～60 m，岩性较复杂，视电阻率变化较大，平均为30 Ω·m;二叠系总厚350 m，各层电阻率基本稳定，且变化较小，为10 ～80 Ω·m;石炭系厚度50 m 左右，视电阻率变化较大，为30 ～600 Ω·m;寒武系厚度大于100 m，其电阻率一般大于100 Ω·m. 横向上区内地层沉积较稳定，同一地层空间电性差异较小.完整灰岩的电阻率较高，但当其因破碎或溶洞裂隙发育充水时其导电性会显著增强，视电阻率明显降低，在电性资料中表现为相对低阻异常［5］. 因此，通过寻找测区内目标层层位上相对低阻异常分布区，再结合地质资料，就能间接确定含水层的富水区分布及相互关系.

2 EH4 电磁法的应用

2.1 EH4 电磁法的基本原理

EH4 电磁成像系统主要通过视电阻率的变化分辨地下异常源，其原理是将大地看作水平介质，大地电磁场是垂直投射到地下的平面电磁波，则在地面上观察到正交的电磁场分量(Ex，Ey，Hx，Hy)时间序数，然后通过傅里叶变换将时间域电磁信号变成频谱信号，计算得到卡尼亚电阻率，公式如下:

式中:ρ 为视电阻率，Ω·m;f 为频率，Hz;E 为电场强度分量，mV/km;H 为磁场强度分量，nT.

电磁波的能量随着传播深度的增加而逐渐被吸收，通常把波振幅衰减到原来的1/e 的传播深度定义为趋肤深度［6］，其计算公式如下:

式中:δ 为趋肤深度，m;ρ 为视电阻率，Ω·m;f 为频率，Hz.

采用EH4 电磁法测量电磁场的分量，应用式(1)计算出卡尼亚电阻率，经反演计算，分析确定地下异常体和地质构造.

2.2 EH4 工作方法及技术要求

根据工作目的、工作区地质、构造、地球物理条件及施工条件，工区物探测线共布设5 条，测线布置如图1所示.

图1 测线平面布置图

野外测线敷设和定点工作采用手持GPS 领航、定位.到达工区后，根据已知控制点坐标对所有参与此项工作的GPS 进行输入校正系数，使其测量结果为北京54 坐标值.GPS 读取的坐标误差均在《电阻率测深技术规程》(DZ/T 0072—93)规定的误差范围之内，满足此次工作精度要求.

测量过程保持发射和接收同步，尽量避免人工电场的影响(如高压电网、大功率变压器接地网等).无法避免这些近场电磁干扰时，则适当减少信号的增益，避免信号溢出，同时适当延长测量时间和增加叠加次数;其次，当风动影响较大时，将接收装置的电缆、探头等用土埋压，以保证信号不受干扰;再次，每一个测点要保证各个电极良好接地.当出现随机的干扰信息时，个别频点将发生跳跃，如果不将其剔除，将会影响最终反演解释结果.

EH4 电磁法测量共32 个点，按系统的质量检查量为总工作量的5%计算，检查点为2 个，其系统检查结果由检查点上各观测道总的平均均方相对误差来衡量.其公式如下:

式中:Vj(ti)为第j 点第i 测道原始观测数据;V'j(ti)为第j 点第i 测道系统检查观测数据;(ti)为Vj(ti)与V'j(ti)的算术平均值;n 为参加统计计算的测道数.

经计算，检查点平均均方相对误差M =±4.53%，小于《电阻率测深技术规程》(DZ/T 0072—93)规定的±10%的要求，确认资料可靠.

2.3 资料整理及解释

对照原始野外记录，对观测数据逐点检查、编录.对应单个点视电阻率多次测量数据，剔除异常测量数据［7］，选择最佳测量数据放入剖面曲线形成电阻率剖面图(色谱图单位为Ω·m).

2.3.1 1 线与2 线的EH4 电磁测深断面图分析

1 线测量剖面如图2左侧剖面所示，表层电阻率等值线起伏变化，局部下凹，大体反映了第四系的分布形态，说明第四系覆盖层较厚;中部阻值较高，说明存在采空区或巷道;深部高阻等值线平行、密集分布，为寒武系正常地层反映. 在0 ～50 m 范围内，埋深－275 m，有一开口向左、缓倾斜似层状低阻体，推测为弱富水区.整个剖面在埋深－375 m，存在一似层状低阻层;特别是在50 ～150 m 阻值很低，推测为富水区［7］.

2 线测量剖面如图2右侧剖面所示，整个剖面呈现出采空塌陷区特征.125 ～200 m，埋深－125 m，阻值很低，推测为富水区.0 ～200 m，埋深－150 ～－300 m，似层状低阻层向右倾斜、阻值很低，推测为富水区.0 ～100 m，埋深－400 ～－500 m，似层状低阻层向右倾斜，推测为弱富水区.

图2 1 线与2 线的EH4 电磁测深断面图

2.3.2 3 线EH4 电磁测深断面图分析

3 线测量剖面如图3所示.

图3 3 线EH4 电磁测深断面图

表层电阻率等值线起伏变化并在200 ～300 m局部下凹，大体反映了第四系的分布形态，说明第四系覆盖层较厚;测线100 m，埋深－125 ～－275 m，为椭圆状高阻体，结合地质情况推测为采煤巷道;深部高阻等值线平行、密集、向右倾斜，为寒武系正常地层反映. 测线150 ～250 m，埋深－125 m，似层状低阻层向右缓倾斜，推测为弱富水区. 测线150 ～300 m，埋深－300 m，似层状低阻层、阻值很低，推测为富水区.测线0 ～50 m，埋深－475 m，似层状低阻层开口向外，推测为弱富水区.

2.3.3 4 线与5 线的EH4 电磁测深断面图分析

4 线测量剖面如图4左侧剖面所示. 在50 ～75 m为中、低阻值区，推测为富水区.测线200 m，埋深－225 ～－300 m，有椭圆状低阻体上下脉状分布、阻值很低，推测为富水区.

5 线测量剖面如图4右侧剖面所示. 在125 ～150 m 中浅部存在明显电性接触界面，推测为塌陷裂隙反映.其中，在125 ～150 m、埋深－140 m 处与150 ～200 m、埋深－250 m 处，存在似层状低阻体，推测为局部弱富水区.在100 ～150 m、埋深－525 m处，椭圆状低阻体总体呈似层状分布、阻值很低，推测为局部富水区.

图4 4 线与5 线的EH4 电磁测深断面图

3 结 语

1)根据地层的物理特征和ρ 等值线断面图的分布特征和形态，结合地质资料，对EH4 电磁测深数据进行分析和解释，工作区段内发现并圈定了6 个弱富水区和6 个富水区在地面的投影位置，并确定了其不同埋深，为矿区安全生产提供了可靠的依据.

2)应用EH4 电磁法对煤矿采空区及富水区进行探测，取得了较好成效，为寻找旧矿区富水情况提供了更加方便、准确的物探测量方法.

3)为确保矿业安全生产，对点状富水区、弱富水区和富水区应采取一定的防范措施. 因研究区存在塌陷、地裂缝等地质灾害，特别是雨季更应注意采取防范措施.建议进行全面探查工作，进一步追索含水异常.

［1］刘国兴.电法勘探原理与方法［M］.北京:地质出版社，2005.

［2］张金明.EH4 电磁法在温州市温泉构造带勘查中的应用［J］.地质与勘探，2005，41(增刊):55－57.

［3］杨外名，刘红云，杨亚飞. EH4 电磁法在河北太行山地区找水中的应用［C］//寒区冰情与冻土水文效应——第4 届“寒区水资源及其可持续利用”学术研讨会论文集，2011.

［4］樊战军，卿敏，于爱军，等.EH4 电磁成像系统在金矿勘查中的应用［J］.物探与化探，2007，31(增刊):72－76.

［5］陈庆凯，席振铢.EH4 电磁成像系统的数据处理过程研究［J］.有色冶金，2005(5):5－8.

［6］朴华荣.电磁测深原理［M］.北京:地质出版社，1991.

［7］刘慧鹏.EH4 高频大地电磁系统数据处理研究［D］.昆明:昆明理工大学，2009.