瞬变电磁法勘探在煤矿防治水工作中的应用

张大明

摘要：本文介绍了瞬变电磁法在山西辛安煤矿水文物探中的应用情况，取得了较好的成果，并对该方法应用中遇到了最小探测深度的问题进行了探讨。

Abstract： In this paper， the application of transient electromagnetic method in hydrogeophysical prospecting of Xin'an coal mine in Shanxi Province is introduced， and good results are obtained. The problem of minimum detection depth encountered in the application of this method is discussed.

关键词：瞬变电磁法；最小探测深度；关断时间；线圈自感

Key words： transient electromagnetic method；minimum detection depth；turn-off time；coil self-inductance

中图分类号：TD745 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）07-0137-02

0 引言

为了满足矿井能力提升后辛安煤矿生产及巷道布置的需要，更好地解决矿井生产建设中的各种地质问题，促进煤矿生产实现标准化、现代化，保证矿井安全生产，加强煤炭资源的合理开发利用山西山阴中煤顺通辛安煤业有限公司委托河北省煤田地质局物测地质队对辛安煤矿进行三维地震及瞬变电磁综合勘探。在施工期间，克服了煤层埋藏过浅，山区地表地质条件复杂，整个区域内的地表地质条件不一致且相差巨大等困难，最终较好地完成了数据采集任务。

1 测区地质—地球物理特征

山西山阴辛安煤矿勘探区面积为2.38km2，地层构造自上而下依次为：第四系砂土沉积层；二叠系下统下石盒子组；二叠系下统山西组；石炭系上统太原组；石炭系中统本溪组；奥陶系灰岩。

主要地层的地质—电性特征：

第四系沉积层，一般厚0～25m，平均15m，厚度较薄由西向东变薄，直至消失。

二叠系下统下石盒子组，主要为灰、灰绿、灰白、褐黄、紫红色粉砂岩、中-粗粒砂岩、泥岩、砂质泥岩，底部为标志层K5粗粒砂岩。本组残留最大厚度98.0m，平均25.36m。与下伏地层呈整合接触关系。

二叠系下统山西组，本组地层也是本井田的含煤地层，主要有灰白、灰、灰黑、褐灰色泥岩、砂质泥岩、炭质泥岩、粉砂岩、粗砂岩及煤层，底部为标志层K3细砂岩、粗砂岩。本组厚度43.81～100.45m，平均80.47m。与下伏地层呈整合接触关系。

石炭系上统太原组，本组地层为本井田主要含煤地层。主要由灰、深灰、灰黑、褐灰、灰白色泥岩、炭质泥岩、粉砂岩、细砂岩、中-粗粒砂岩、细砾岩、石灰岩及煤层组成，底部为K2细-中粗粒砂岩标志层。该组厚度为94.66～105.40m，平均97.97m。与下伏地层为整合接触。

2 实际施工技术

因为电法勘探与三维地震同时施工，为了省略测地工作，根据三维地震勘探观测系统并结合已知资料，设计瞬变电磁法测线与地震测线重合，测线线距（是地震测线距的整数倍）为40m，点距为40m。瞬变电磁法采用重叠回线装置进行测量，线框边长为120m×120m，供电电流7A，发射频率单频25Hz，固定增益22。

3 TEM与三维地震资料的联合解释

本次瞬变电磁测深资料处理与解释的步骤为：首先对瞬变电磁法实测数据进行圆滑，消除畸变点，然后计算全期视电阻率曲线，进行时深转换后绘制视电阻率断面图。

本区煤系地层在垂向上一般成层状分布，在横向上变化较小，因而对于瞬变电磁法来说，其电性响应特征在视电阻率断面图上表现为在纵向上视电阻率等值线均匀连续变化，在横向上视电阻率等值线平坦，无较大褶曲跃变。如果沉积的均匀完整性遭到破坏，如地应力作用产生的裂隙充水，地下水溶蚀作用产生的岩溶以及煤层开采后形成的采空区、冒落带、裂隙带冲水等，其电性响应特征在视电阻率断面图上将表现低阻异常，使得视电阻率等值线出现不同程度的褶曲与跃变。所以，根据计算机反演处理的视电阻率断面图，结合相关地质资料，可确定勘探区内采空区分布的情况。

图1所示为测区第11线对应的反演视电阻率断面图，根据该图可以看出本区煤层存在比较明显的电性分层（图中椭圆为地震解释的采空区），第四系基底埋深按照“西→东”走向逐渐减少。煤层所对应电性层的深度东侧和西侧并不在同一水平线上，埋深较浅的东侧有的部位存在剥蚀现象，其埋深由西向东连续变化（深部埋深约为240m）。图1所展示的电性分界面有着显著的分布规律，基于瞬变电磁测深数据反演解释的采空区积水和与煤矿提供的积水情况基本一致，得到了很好的印证。煤层底板附近有个局部异常反映，其视电阻率呈低阻反映。查阅相关地震资料得知，该局部异常为采空区，并从矿方所给资料可知此处为积水区，从TEM反演视电阻率断面图可以看出这个地带虽然含水，但是由于其分布不具有连同性，所以相对于其他层位的水分比而言，该部位的水分布相对独立。

用相同深度的视电阻率值标在对应的测点上来构制平面图，主要反映了某一深度的岩层横向电性变化特征。但当测区内煤层附近地层为非水平状态时，等值线平面图就不能很好地反映煤层底板附近地層电性的连续变化。因此，结合地震勘探资料解释的煤层底板等高线，将测区内煤层底板深度所对应的反演视电阻率值标在对应的测点上，并绘制成沿煤层切片图，该图较好地反映煤层底板对应深度的构造异常及其视电阻率值的相对大小，突出反映了二维或三维地电异常体的响应特征。

图2为第11测线附近TEM沿煤层底板切片图，图中低阻异常显然就是采空积水区的反映。通过各测线断面图和不同层位的平面图综合解释，就可得出测区内低阻异常区的范围、立体分布形态及富水强度等水文地质资料。

4 地质结论

通过瞬变电磁法勘探，得到了测区内富水异常区的范围、立体分布形态及富水强度等水文地质参数。为煤矿的巷道设计提供了客观依据，同时为制定煤矿回采方案提供了比较详实的水文地质信息。

基于瞬变电磁法对良导体的较强的反映能力，在比较科学的勘探深度下综合勘探断层的水文地质特性，从而全面了解该断层的富水性、局部岩溶发育带分布特点等，最后根据勘探结果综合描述该地带的水文分布特征，大大提高水文物探的精确度和可靠性。

5 存在的问题

通常所说的瞬变电磁对目标层的探测深度，即瞬变电磁的最大探测深度，通俗来讲就是在趋肤效应的作用下，瞬变电磁法所达到的一个极限的探测深度。

但还有一个不被人们关注的问题，那就是最小探测深度。由于本区域属于山区地质条件复杂，由西向东第四系逐渐变薄甚至被剥蚀，二叠系基岩裸露，因此西部埋藏较深，而东部煤层出露甚至被剥蚀，这样整个区域内的地表地质条件不一致且相差巨大，对瞬变电磁勘探的深度范围提出一定要求，该区东部埋藏过浅，瞬变电磁地表五十米无法接收线圈所接收的信号，由于关断时间的存在，此范围内一种是来自地下的电磁感应信号，一种是线圈本身的自感。在瞬变电磁接收信号的早期时间道中，线圈自感信号比有用信号大得多，但它比有用信号衰减也快得多，所以总存在一个使瞬变电磁没法分辨有用信号的时间范围，即瞬变电磁对地探测时存在不可探测的“半盲深度”。因为，不论是发送线圈还是接收线圈本身都有一个固有的过渡过程，此深度范围的地质信息只能在稍后延迟时间的观测信号中被反映出来。所以此深度被定义为目标层刚刚影响电磁响应信号的界限深度。线圈放置在地面上，当激励电流断开后，在线圈内部产生一个感生电动势，而我们通常观测到的信号是二次感应电压与此感生电动势的和。如果确定了两者之间的大小及关系，也就找到了估算最小探测深度的办法。

通过对回线线圈的自感信号的理论解析式和衰减曲线特征分析，找出自感信號的影响幅度和范围，根据信号的衰减的特性，提出一种直接可用的估算方法，计算出可分辨有用信号的最早时间。表1给出了估算瞬变电磁能探测的最小深度的估算结果，以求得研究早期信号的分离及指导野外施工。

参考文献：

[1]薛国强.论瞬变电磁测深法的探测深度[J].石油地球物理勘探，2004.

[2]河北省煤田地质局物测地质队.山西朔州山阴中煤顺通辛安煤业有限公司三维地震及瞬变电磁综合勘探报告.邢台，2012.

[3]赵红.瞬变电磁法在掘进工作面超前探测中的应用[J].价值工程，2013（32）.