瞬变电磁物探技术在煤矿防治水的应用与研究

王振江

（郑州煤电公司 告成煤矿，河南 登封 452477）

告成煤矿位于登封市东南12km 的告成镇，是设计年产量90 万t的中型矿井，1999年投产，2003年产量达到120 万t。目前有四个采区：13 采区、21 采区、23 采区和25 采区，13 采区已基本回采完，准备开采21 采区，为了探查21 采区下部等区域二1 煤层顶、底板赋水状况，指导告成煤矿的安全生产，采用瞬变电磁法在21 采区下部等区域进行二1 煤层顶、底板赋水状况探查工作。

通过瞬变电磁物探技术对21 采区内二1 煤层顶、底板的赋水状况进行探查，划分了勘探区内二1 煤层顶、底板的富水异常分布区域，为告成矿的安全高效生产做了坚实的基础。

1 瞬变电磁法的原理

瞬变电磁法属于时间域电磁感应法，它利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲场，在一次脉冲场间歇期间利用回线或电偶极接收感应二次场，该二次场是由地下良导地质体受激励引起的涡流所产生的非稳电磁场，通过观测随时间变化的二次场信号的变化，进而分析判断出地下地层的电性变化及不均匀地质体的分布情况。理论上讲，干燥岩石的电阻率值很大，但实际上地下岩石孔隙、裂隙若是含水的话，随着岩石的湿度或者含水饱和度的增加，电阻率急剧下降，即赋水性的不均匀程度在瞬变电磁参数图件上反映为电阻率的高低变化；当岩层完整时其电阻率较高，受构造运动或地下水作用的影响，部分地段岩层破碎或裂隙发育，破碎程度及其含水的饱和度越大（砂岩、灰岩富水性增强），岩石的导电性会显著增强，地层电阻率会明显降低，断面图上会有明显的低阻异常反映。

2 瞬变电磁法的技术措施

为了保证野外数据采集质量，在实际应用中应采取一系列的技术保证措施：

（1）在生产前进行了一定量的试验工作，以选取合适的工作参数，确保记录到的早、晚期数据能满足使用要求，在保证质量的前提下提高生产效率。

（2）遵循瞬变电磁勘探接收站应避免布置在强干扰源、强磁场及金属干扰物分布的地域的原则。

（3）供电导线绝缘电阻不小于2MΩ，内阻不大于6Ω/km。

（4）铺设线框时长度误差不大于5%，方向误差不得大于1 度，余线成S 形铺于地面。

（5）瞬变电测勘探野外观测数据的信噪比不小于5，不符合要求的测道超过1/5 则增加叠加次数重复观测。

（6）为保证数据采集质量，野外观测时每个测点都进行了2～3 次的重复观测；按不低于规范规定的5%的要求，在勘探区合理布置质量检查点。

3 瞬变电磁的参数选择及测点布置

3.1 瞬变电磁的试验参数选择

瞬变电磁勘探有多种工作装置，结合仪器特点及本次勘探任务要求，采用大定源回线装置，回线内观测；该方法具有勘探深度大、施工效率高、施工受建筑影响小、划分异常详细等特点。

为了选取合适的工作参数，结合勘探深度、测线布置情况要求，于2012年6月11日，在勘探区煤层埋藏最深处选取了5 个坐标点（分别为2200 线的2060-2140号点）进行了试验，瞬变电磁物理点总数为25 个，试验内容主要为：

（1）发射线圈（Tx）的大小：640m×640m

（2）发射频率：5Hz

（3）积分时间：60S、90S

（4）增 益：试择范围1～6

表1

图1 瞬变电磁处理流程图

通过试验和资料处理工作，证明所选用5Hz 的工作频率和640m×640m 的发射线框可以保证勘探的深度要求，增益用4 可以保证早期道数据不溢出，尽量放大晚期数据，使用90s 的积分时间和10A 左右的电流可以保证数据的采集质量。根据对本次试验结果的分析，在此次瞬变电磁勘探野外施工中选择如下工作参数能够满足勘探任务的需要并完成本次地质任务。其工作参数如下：

工作电流 10A；

发射频率 5Hz

积分时间 90S

增 益 4

供电电压 96V

发 射 框 640m×640m

接收线圈 接收探头（有效面积100m2）

3.2 瞬变电磁的测点布置

根据勘探任务和设计的要求，瞬变电磁勘探工作测网布置为：基本线距40m，基本点距20m，全区均匀布设测点。瞬变电磁勘探测线东南-西北向布置，全区布置了编号1000-3360 的测线共60条，坐标点1574 个，质量检查点107 个，试验点25 个，共计瞬变电磁物理点1706 个，控制面积1.0km2，部分展点成果如表1 所示。

4 数据分析

4.1 数据处理流程

瞬变电磁法观测数据是各测点各个时窗（测道）的瞬变感应电压，需换算成视电阻率、视深度等参数，以便对资料进行下一步解释，主要步骤如下：

（1）滤波：由于勘探区内人文活动频繁，存在较大的人文噪声，故在资料处理前首先要对采集到的数据进行滤波，消除噪声，对资料进行去伪存真。

（2）时深转换：瞬变电磁仪器在野外观测到的是二次场电位随时间的变化，为便于对资料的认识，需要将这些数据变换成电阻率随深度的变化。

（3）绘制各种参数图件：首先从全区采集的数据中选出每条测线的数据，绘制各测线电阻率断面图，即沿每条测线电性随深度的变化情况。然后依据二1 煤层底板等高线等地质资料绘制出不同层位的视电阻率切片图。

本次一维层状反演主要采用视纵向电导解释和利用美国INTERPEX 公司的TEMIX XL v4 进行处理。数据处理及资料解释流程见图1。

4.2 瞬变电磁数据分析

首先，依据各条测线的等视电阻率断面图，对勘探区内可能存在的地质异常区进行解释。接着对各顺层视电阻率切片图进行分析，着重分析地质异常区的分布规律。最后依据视电阻率断面图和平面图，结合地质资料成果进行对比分析，确定富水异常区的分布规律和分布范围，绘制出勘探区内二1 煤层顶、底板各层位上的富水异常分布区。

图2 1920 线等视电阻率断面图

4.2.1 对等视电阻率断面图的分析

图2 为勘探区内瞬变电磁测线1920 线等视电阻率断面图，图中的纵、横坐标分别为高程和点号，测线长540m。图中黑色粗实线为二1煤层。二1 煤层上方白色填充条带为二1 煤层顶板破碎带。图中红色～黄色～蓝色的过渡表示视电阻率值由高-中-低的变化。

图3 二1 煤层顶板上20m 等视电阻率顺层切片图

图4 二1 煤层顶板上40m 等视电阻率顺层切片图

图5 二1 煤层顶板上60m 等视电阻率顺层切片图

图6 石炭系L7-8灰岩等视电阻率顺层切片图

图7 石炭系L1-4灰岩等视电阻率顺层切片图

图8 奥陶系灰岩顶界面等视电阻率顺层切片图

图9 奥陶系灰岩顶界面下30m 等视电阻率顺层切片图

从纵向上看，从浅到深其视电阻率值整体呈现由低-中-低-高阻的电性特征。图中最顶部视电阻率值较小，其值从10Ω.m 到30Ω.m，为第四系耕植土的电性反映；向下在75m 深度处视电阻率值有所抬升，为古近系上部粉砂岩、砂质泥岩段的反映；再向下部有一低阻层，其值从15Ω.m 到50Ω.m，为古近系下部泥岩、砂质泥岩层的反映；中下部视电阻率值较高，其值从25Ω.m 到500Ω.m，为三叠系及二叠系砂岩、砂质泥岩和煤层等地层的反映；底部视电阻率值最高，为石炭系、奥陶系岩层的反映。

从横向上看，图中1840-1860 点处二1 煤层顶板等值线明显弯曲，呈现视电阻率值低阻封闭圈。因受滑动构造影响，井田内二1 煤层顶板大部分被破碎带取代，推断此处异常为二1 煤层顶板岩层破碎、裂隙含水导致电阻率值降低。

4.2.2 对等视电阻率顺层切片图的分析

分析勘探区内地质资料，二 1 煤层顶板破碎带厚度多在20m 至40m 之间，较厚的地带如2280 线一带，可达60m 以上。因此针对二1 煤层顶板破碎带以20m 间距提取顺层数据，制作二1 煤层顶板上20m、二1 煤层顶板上40m 二1 煤层顶板上60m切片图（图3 至5），以分析二1 煤层顶板破碎带的含水性。图6-图9 分别是石炭系太原组L7-8灰岩、石炭系太原组L1-4灰岩、奥陶系灰岩顶界面、奥陶系灰岩顶界面下30m 的等视电阻率顺层切片图。图中红色-黄色-蓝色的过渡表示视电阻率由高～中～低的变化。横坐标表示测线号，纵坐标表示点号。

5 存在问题及建议

5.1 受勘探区内地形地物影响，个别测点无法布设（如1240 线的1440 点和如1480 线的1360 点等），在此区域勘探精度受一定影响。

5.2 建议对各富水区予以足够的重视，特别是断层附近和断层尖灭处的富水区。

5.3 由于随着开采的影响，上下地层之间存在的水力联系加大，建议矿方在开采过程中对圈定的富水异常区地段进行井下钻探工作，进行近距离的精确探测，以确保安全生产。

5.4 建议在生产过程中及时将井下揭露地质水文情况和出水量进行反馈，以便进行数据定量修正，更好地为矿方安全生产服务。