瞬变电磁法在探测煤矿富水性中的应用

麻燕华

摘 要：瞬变电磁勘探技术在20世纪80代末、90年代初已经应用于煤田地质勘探领域，以其独有的轻便、灵活、分辨率高并且对寻找低阻异常区效果比较明显而倍受青睐。本文通过利用瞬变电磁法具有低阻反映灵敏、分层明显的特点，充分表明瞬变电磁法对探测含水灰岩的富水性的勘探有明显的效果。

关键词：瞬变电磁法；灰岩富水性；电阻率法

1 瞬变电磁法的原理

瞬变电磁法（简称TEM法）是利用不接地回线或接地电极向地下发送脉冲式一次电磁场，用线圈或接地电极观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场的空间和时间分布，从而来解决有关地质问题的时间域电磁法[ 1 ]。

瞬变电磁法的激励场源使用较多的是回线场源。发射的电流脉冲波形主要有矩形波、三角波、和半正弦波等，不同波形有不同的频谱，激发的二次场频谱也不相同。多数仪器使用回线场源阶跃脉冲（相当于矩形脉冲后沿）激发的瞬变电磁场进行测量。

在导电率为σ、导磁率为μ0的均匀各向同性大地表面敷设面积为S的矩形发射回线，在回线中供以 的阶跃脉冲电流。在电流断开前，发射电流在回线周围的大地和空间中建立起一个稳定的磁场，如图1所示[ 2 ]。

2 TEM资料处理

瞬变电磁法资料处理流程如图2。

首先对原始数据进行整理、预处理、建立数据库、调整时窗参数，提取有用信号；然后进行一维反演，输出各测线视电阻率断面图，各断面图的数据构成了一个三维数据体，在该数据体中可以根据三维地震提供的各目的层深度，提取出各层位对应深度的视电阻率数据，进而可以绘制出各层位的视电阻率分布图，结合现有的已知地质资料成果综合分析，判断电性异常区的真伪，进行合理的地质解释，最终生成我们所需的各层位富水性分布图。

3 应用实例

3.1 测区地球物理电性特征

瞬变电磁法是电法勘探的一种方法，它通过研究不同地层的电阻率差异，并结合已知地质资料来达到评价地层和地质构造含水性等目的。利用电（电阻率）法评价地层的富水性，首先要掌握测区地层的电性特征，尤其是要掌握含水岩层与周围岩层的电性差异。

根据已搜集到的钻孔资料并参考邻区有关资料，综合分析该区主要岩层的电性特征见下表（表1）：

岩石的导电性与其岩性有关，同时也与其含水性有密切关系。一般情况下，干燥的岩石、石油和空气的电阻率为无穷大，但实际上岩石孔隙、裂隙大都含有一定量的水，并随着岩石含水饱和度的增加，电阻率急剧下降。

因此，岩层的电阻率大小不仅取决于干燥岩石本身的电阻率，还取决于岩石的含水饱和度。一般来说，含水断层和含水岩层的电阻率远小于不含水围岩和岩层的电阻率，这也是电法评价构造及含水层富水性的依据。

3.2 视电阻率断面图分析解释

视电阻率断面图的底部横坐标表示测点号，纵坐标表示地层标高（单位为m），图右侧为电阻率色标，电阻率单位为Ω.m。图中标有“Q”的黑线为第四系底界面，标有“16”的黑线为16煤底板，标有“O2”的黑线为奥灰顶界面，图中红色线段表示断层及地质异常区。从视电阻率断面图总体来看，上部视电阻率值普遍较低，为第四系地层的电性反映，中部视电阻率值相对较高，为煤系地层的电性反映，下部视电阻率值明显高于中、上部视电阻率值，视电阻率等值线呈高阻密集分布，为奥陶系灰岩的电性反映。

现以D1、D2线为例分析如下：

3.2.1 D1线视电阻率断面图

D1线共布设了57个测点，点距40m，剖面长度2240m。该断面上发育有庄头断层、FS8、FS7、FS5、FS11等断层，从断面图上看大号端16煤底板及奥灰顶界面附近视电阻率值偏低，对应到平面图上显示为低阻异常区，分析该处岩溶相对发育，需要引起注意。该断面上其它断层破碎带附近没有明显低阻异常，反映其它断层在该地段富水性相对较弱（见图3）。

3.2.2 D2線视电阻率断面图

D2线共布设了26个测点，点距40m，剖面长度1000m。该断面发育有FS16断层，从断面图上看整条剖面视电阻值变化较为平缓，FS16断层破碎带附近视电阻率没有明显变化，仅在84号测点16煤附近视电阻率有一小的低阻反映，分析认为是局部电性不均匀，或有裂隙等充填低阻物质所致，认为整条剖面富水性较弱（见图4）。

4 结论

在本次电法勘查区内采用瞬变电磁法（简称TEM法）探明了第四系底界、灰岩富水性、富水区域以及奥灰顶部60m范围内的富水性、富水区域，达到良好的效果。

瞬变电磁法对浅层富水区探测的重要勘探方法，需要指出的是各灰岩富水异常区，在静态平衡遭到破坏时，有可能通过断层破碎带或裂隙导水，各含水层之间存在一定的水力联系，在地质资料解释中，还应结合三维地震以及地质水文资料进行综合分析，来取得更好的地质解释成果。

参考文献：

[1] 牛之琏.时间域电磁法原理[M].长沙.中南工业大学出版社，1992.

[2] 杨海燕，岳建华.矿井瞬变电磁法理论与技术研究[M].科学出版社，2015.