应用瞬变电磁法探测导水通道研究

孙 林，朱 玲，甘志超，，查华胜

(1.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013;2.中国煤炭地质总局物测队，河北邢台054000; 3.中国矿业大学 (北京)地球科学与测绘工程学院，北京100083)

新疆某矿位于天山南麓，一到夏季，天山冰雪融化水就会向矿井径流补给，矿方拟在矿井北部建一条东西向的探水巷道，以便把水从矿井北部截流向东西两侧排出，减小融化水对矿井生产的影响。为保证探水巷道掘进过程的安全，需围绕该探水巷道进行导水通道探测工作。通过采用瞬变电磁法，基本查清了导水通道的位置，为探水巷道的掘进和矿井防治水提供了重要的基础资料和地质依据。

1 测区概况及方法选择

该矿地表水系较发育，井田内第四系冲积层薄，由中粗粒砂及砾石组成，中间无稳定的黏土隔水层，接受地表水补给的能力强。古地形起伏不平，第四系松散层下发育有多条古冲沟，成为井田内地下水的主要径流通道。下1煤顶板发育有巨厚(最大厚度达300m)的中硬－坚硬的中粗粒砂岩，直接接受第四系孔隙含水层的补给。

根据本次勘察的目的与任务可知，本次电磁法勘探主要解决与水有关的问题，因此选择对含水体敏感、分辨率高的瞬变电磁法(TEM)。

2 地质与地球物理特征

2.1 地质概况

地层主要有第四系、下侏罗统阿合组 (J1a)和塔里奇克组 (J1t)。本区含煤地层为侏罗系下统塔里奇克组(J1t)。

2.2 地球物理特征

分析已有的地质、物探与采矿资料认为，第四系古冲沟底部砾石层及基岩风化带孔隙潜水是本矿区的主要充水源。因此要查明的导水通道实质上为第四系导水通道。

从一般意义上说，不论是在第四系，还是在煤系地层以及煤层的下伏地层，富含水区在电性上都表现为低电阻率反映。在第四系地层中，黏性土渗透条件较差，多呈现低电阻值反映;砂砾石层由于砂砾之间的空隙大，在不含水的情况下为高阻反映，在富水的情况下则表现为低阻。

该矿的第四系地层主要由中粗粒砂和砾石层组成，其最典型的特点就是砾石之间空隙大，渗透性好，中间无稳定黏土隔水层，接收地表水和雪融水补给能力强。特别是在古冲沟或古河道区域第四系砾石层厚度大，而古冲沟或古河道的底部区域又是很好的导水通道，在该底部区域可能形成一定水深的潜水，由于古冲沟或古河道的底部区域含水体形成的低阻异常比砾石层形成的高阻异常影响小，这种地质模型在地球物理模型上就表现为高阻。

3 方法原理、使用仪器及工作布置

3.1 工作原理

瞬变电磁法也称时间域电磁法 (Time domain electromagnetic methods)，简称TEM。其利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。

简单地说，瞬变电磁法的基本原理就是电磁感应定律。衰减过程一般分为早、中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小;而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。

3.2 使用仪器

本次瞬变电磁法施工选用美国ZONGE公司生产的GDP－32II多功能电法仪 (地球物理数据处理器)进行。

GDP－32Ⅱ属美国Zonge工程公司的第四代可控源和天然场源电法和电磁法探测多通道接收机。它几乎具有全部中、低频段的电测功能，其主要电测方法有:瞬变电磁法(TEM)、直流电阻率法(Res)、直流域激电法 (TDIP)、交流激电法(FDIP)、复电阻率法 (CR)、可控源音频大地电磁法 (CSAMT)、谐波分析可控源音频大地电磁法(HACSAMT)、音频大地电磁法(AMT)、大地电磁法(MT)和毫微秒瞬变电磁法(Nano TEM)等。

3.3 工作布置

在探水巷正上方地表东西向进行布线，基本线距20m，基本点距10m。共布置测线5条。

4 资料分析

4.1 典型剖面分析

图1为L1线的视电阻率断面等值线图，剖面图反映了标高1650～1950m之间地层电性的分布情况。从横向看，在测线方向1000～1400m，标高1800～1900m处有一明显的高阻异常，推测为第四系砾石层及基岩风化带，并且从形态上分析，推测该处为古冲沟或是古河道，砾石层发育较厚，并且空隙十分发育，基岩风化带的裂缝也发育，为第四系潜水的导水通道。

图1 L1线视电阻率剖面

图2为L5线的视电阻率断面等值线图，剖面图反映了标高1650～1950m之间地层电性的分布情况。该图从形态上看与F1线基本类似。从横向上看，在测线方向 1000～1360m，标高 1800～ 1900m处有一明显的高阻异常，推测为第四系砾石层及基岩风化带，并且从形态上分析，推测该处为古冲沟或是古河道，砾石层发育较厚，并且空隙十分发育，基岩风化带的裂缝也发育，为第四系潜水的导水通道。

图2 L5线视电阻率剖面

4.2 平面图分析

图3为物探推断导水通道平面位置示意图，该区域的测线由L1－L5线组成。从图中可明显地看出，在测线方向1000～1400m范围内，视电阻率等值线有较明显的变化，视电阻率值明显比其他区域大，在150～350Ω·m之间，其他区域的视电阻率值均在80Ω·m以下，结合图1和图2，综合分析认为该区域为古冲沟或古河道，砾石层发育厚度大，基岩裂缝也比较发育，为第四系潜水的导水通道。

4.3 验证结果分析

图3 物探推断导水通道平面位置示意

本次导水通道探测是在探水巷掘进了一部分开始的，提交探测结果时探水巷已掘进到图3的950m，当掘进至1000m时，有水涌出，在1100m处涌水量非常大，然后水量又变小，掘进至1250m处涌水量又变大，到1400m处涌水量变小直至消失。涌水位置与本次物探推断结果基本吻合。

5 结论

(1)选择正确的采集参数，进行认真的资料处理，并结合分析已有地质资料，认为采用瞬变电磁法进行导水通道探测能够取得较好的效果。

(2)第四系导水通道探测问题实质上就是查找砂砾石层的富集区以及古冲沟或是古河道的问题，这在电性上表现为高电阻率反映，这样所推断的砂砾石层富集区符合地质规律 (大多分布于古河床、沟谷及沟两岸的缓坡地带)。通过多个项目的实践，被证实这种解释是正确的。打破了传统的导水通道就一定是低电阻率异常反映的思路，为探测第四系导水通道提供了方法性指导。

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