瞬变电磁勘探在煤矿水文地质专项勘查中的应用

曹莉苹，古志文 ，谢小国

（1.成都理工大学，成都 610059；2.四川中成煤田物探工程院有限公司，成都 610072）

我国川南地区煤矿水文地质条件复杂，煤矿采空区积水、地下富水带与岩溶水害已经成为制约该地区煤矿安全生产的重大隐患[1-2]。采用瞬变电磁勘探技术，已经成为探测和发现煤矿水害、保障矿井安全生产最有效的途径。

1 瞬变电磁法（Transient electromagnetic method）简介

1.1 方法原理

该法是在地表敷设不接地线框或接地电极，输入阶跃电流。当回线中电流突然断开时，在下半空间就要激励起感应涡流以维持断开电流前已存在的磁场。并且，此涡流场随时间以等效涡流环的形式向下传播、向外扩展，利用不接地线圈、接地电极或地面中心探头观测此二次涡流磁场或电场的变化情况，用以研究浅层至中深层的地电结构，进而达到解决地质问题的目的[3-5]。TEM被认为是目前划分风化层厚度和圈定构造、破碎带并确定其产状最有效方法。由于是在没有一次场背景的情形下观测纯二次场异常，因而探测效果更直接、更明显、原始数据保真度更高，其工作原理见图1。

1.2 方法特点

1）把频率域法的精确度问题转换成灵敏度问题，加大功率灵敏度可以增大信噪比，加大勘探深度；

2）高阻围岩地区不会产生因地形起伏影响的假异常；低阻围岩区，由于是多道观测，地形影响也较易分辨；

3）可以采用同点组合（同一回线，重叠回线，中心回线）进行观测，使与探测目标的耦合最紧，取得的异常响应强，形态简单，分层能力强；

4）线圈点位、方位或接发距要求相对不严格，测地工作简单，工效高；

5）有穿透低阻覆盖的能力，探测深度大；

6）剖面测量与测深工作同时完成，提供了更多有用信息，减少了多解性。

图1 瞬变电磁原理示意图

一般来讲，岩石随着湿度或者饱和度的增加，电阻率相对降低。断层、陷落柱的电阻率主要取决于岩石的破碎程度及其富水性，富水断层、陷落柱的电阻率远小于不富水断层、陷落柱和周围不富水地层的电阻率，这是瞬变电磁探测含水断层、陷落柱和进行富水区探测的地球物理依据。

2 资料处理与解释

2.1 资料处理

野外采集的数据含有发射线框、发射电流、接收线圈、叠加次数、接收增益等诸多因素的影响，必须进行归一化处理[2]。资料处理流程如图2。

2.2 资料解释

瞬变电磁资料的处理工作和解释工作是同时进行的，它们之间存在一种从实践到认识的提升过程。瞬变电磁资料的解释主要依据单点数据结合整条测线的视电阻率等值线断面图对测区内地层、煤系地层的富水情况及灰岩岩溶发育情况进行解释。

1）根据相关岩石的地球物理特征，在视电阻率拟断面图上根据视电阻率等值线形态，推断地层空间形态；

2）圈出围岩相对低阻异常范围，推断其空间位置；

3）根据地层的含水特征推断异常的富水状况；

4）结合已有地质资料和钻孔资料，定性分析推断的富水异常、富水类型及富水区的分布和规模；

5）根据确定的富水岩层、导水断层、陷落柱和岩溶的电磁异常特征，推断未知地区的异常。

图2 资料处理流程

6）将视电阻率等值线断面图与不同标高视电阻率水平切片图结合，解释圈定电法异常在视电阻率水平切片上的展布。对有异常反应的区域在平面位置上进行圈定和组合，初步确定富水异常区的范围；然后与视电阻率等值线断面图进行对比分析，进一步确定富水区的分布范围及赋存形态，并绘制出综合解释图。

3 应用效果

3.1 岩溶溶洞富水区和岩溶裂隙富水区

川南某无烟煤矿床，小窑开采历史悠久。采用瞬变电磁勘探与水文地质工作结合，通过瞬变电磁勘探成果和已有地质资料分析，确定了暗河、疑似陷落柱和含水异常带的分布等。

图3 视电阻率等值线断面图

工作区地层有第四系，三叠系飞仙关组，二叠系宣威组、峨眉山玄武岩、茅口、栖霞组等。第四系坡、残积和冲、洪积物多分布在坡麓、低洼地、沟谷及河床边滩，不整合于各时代地层之上，厚度不大，导电性能强，呈低阻反映。飞仙关组主要以砂岩、泥岩为主，电阻率呈低阻反应，该地层富水或破碎区域视电阻率较低。峨眉山玄武岩在节理不发育的情况呈高阻反应，勘探区内玄武岩层厚较薄、节理较为发育，其电阻率值比正常值偏低，呈中高阻反应。茅口灰岩在岩溶不发育的情况下呈高阻反应，在岩溶发育的情况根据富水情况呈中低或低阻反应。

通过数据处理，绘制视电阻率等值线断面图（图3、图4）。可以看出，低阻异常区Ⅰ和低阻异常区Ⅱ（图 3）均发育在茅口灰岩中。从形态可以看出，低阻异常区Ⅰ为独立发育的岩溶溶洞富水区，可能是由于岩溶溶洞发育所致；低阻异常区Ⅱ为串连发育的岩溶裂隙富水区，可能是由于该处含水裂隙较为发育所致。

低阻异常区Ⅱ接近地表，通过水文地质调查，该处地下水主要是溪沟水经过栖霞灰岩的落水洞成为地下水，径流一段距离后又以岩溶泉或暗河出口泄出地表，地下水位标高510～530m。由于矿井回风斜井落平标高+455m，低于上述地下水集中排泄区的标高，在降落漏斗形成并扩展时，将疏排地下水，从而引起勘探区域地下水位下降，改变其地下水流场，将以矿井回风井标高+455m作为排泄地。预计矿井回风井水量甚大，有可能产生突水、淹井事故，成为重要水害。

图4 视电阻率等值线断面图

3.2 断层反映

如图4所示，在高程约445～480m、点号550～800之间，宣威组地层中存在一低阻异常区Ⅲ。宣威组为煤系地层，以泥岩、砂岩、粘土岩为主。根据钻孔资料，该处揭露隐伏断层f15，在该断层影响下，岩石破碎，形成断层挤压破碎带，沟通了地表水体的通道，进而形成裂隙富水区带[6-7]。该富水区具有富水性不均一、富水性弱等特点，但由于低阻异常区Ⅲ在垂直标高上有一定发育，推断其裂隙可能和地表水体有水力联系。巷道施工靠近此类异常区需提前探查，以防裂隙导通此类富水异常区而产生突水事故。

3.3 暗河发育情况和受断层影响裂隙富水区

川南某矿井位于四川盆地与云贵高原的过渡地带，河谷切割强烈，水文地质条件复杂，曾进行过不同程度的地质及水文地质勘查工作。区内地层最老为茅口栖霞组，最新为第四系全新统。断层较发育，溶洞、漏斗、溶丘、溶蚀洼地、槽谷等岩溶地貌发育齐全，形态各异，暗河管道系统十分复杂。为进一步查明勘探区域范围内的地下承压水赋存情况，查清岩溶、疑似陷落柱、暗河、富水区（带）的分布，在勘探区内开展了水文地质专项勘查和瞬变电磁勘探工作。

图5 视电阻率水平切片图

经瞬变电磁法勘探，查出暗河影响区域位于工区西北端的栖霞茅口组地层中，影响区域由上至下由北向南扩大（图5）。推测暗河走向为北东东，流向为北东东向南西西方向。暗河富水区底板低于暗河排泄口标高，在暗河影响区内岩石破碎，富水性极强。另外，暗河影响区域邻近断层F27末端，与受F27断层末端影响的低阻异常区Ⅱ关系紧密，在裂隙和小溶洞连通下，两个异常区含水体相互补给。

通过对勘探区进行瞬变电磁勘探，进一步验证了以往地质推断的暗河的存在，且基本查出了部分暗河的分布和运动轨迹。另外，加深了断层F27的认识。断层F27尾部位于勘探区内茅口栖霞地层，在该断层的影响下，茅口栖霞地层岩体破碎，裂隙非常发育。且在勘探区北部，发育一暗河，该暗河与断层造成的裂隙相互连通，使得勘探区内，茅口栖霞地层富水性强，在复杂的构造作用下形成了一个区域范围较大的岩溶富水区，区内溶洞（图5 低阻异常区Ⅲ）和裂隙（图5 低阻异常区Ⅱ）均发育，对巷道掘进和煤层回采造成较大影响。

4 结论

瞬变电磁法具备测地工作简单、工作效率高、分层能力强、对低电阻率地质目标体反应敏感等特点，结合水文地质调查资料，更能较好地反映地下地质异常体、探测岩溶发育带，为煤矿水害防治提供可靠地质依据。

[1] 虎维岳.矿山水害防治理论与方法[M].北京：煤炭工业出版社，2005.

[2] 梁爽.瞬变电磁法在煤矿水害防治中的应用[J].煤田地质与勘探，2012：70～73.

[3] 李貅.瞬变电磁测的理论与应用[M].西安：陕西科学技术出版社，2002：102□105.

[4] 牛之琏.时间域电磁法原理［M］.长沙：中南大学出版社，2007：7□67.

[5] 方文藻.瞬变电磁测深法原理[M].西安：西北工业大学出版社，1993.

[6] 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.

[7] 黄力军，陆桂福，刘瑞德.电性源瞬变电磁法在煤田水文地质调查中的应用[J].工程地球物理学报，2004(4)：174～177.