大地电磁法在煤矿地下水探测技术应用

于超 刘永芳

（同煤浙能麻家梁煤业有限责任公司，山西朔州036000）

0 引言

某矿南翼矿井水发育比较明显，井下水源较多；盗采引起的老巷积水、采空区分布不规则。煤层开采对煤层上下的整体结构造成破坏，形成多种导水通道，且由于空间裂隙存在，改变了原有充水环境，水文地质条件变得复杂。地下采空区分布、采后地层变动和裂隙发育等不可确定因素给矿井防治水带来巨大挑战。

采空区周边及其上部地层在应力作用下使得其地球物理特征也发生变化，如果有地下水存在，地下水将会沿着开采形成的导水裂隙带涌入工作面和采空区，形成新的积水形态，导水通道的多样化导致各含水层形成连通。采空区形成后的煤岩体结构发生变化，岩体变得疏松，裂隙发育，整体性遭到严重破坏，加上空气、不同充填松散物的作用，改变后的地层视电阻率远高于周边地质体，该电性体现为高阻异常；如若采空区形成后所涉及的地质体被水充填，形成充水地质体，使得原本松散的破碎带、裂隙带达到充水饱合状态，则改造后的地质体视电阻率要低于周边地质体，该电性体现为低阻异常。这种异常的电性变化为使用大地电磁法来探明采空区水文地质情况创造了物理基础和应用条件[1-3]。

1 大地电磁法简介

1.1 测量原理

大地电磁法是在地面上探测地下天然电磁场来研究地下岩体的电性特征及其分布特征的一种物理勘探方法。大地电磁法是通过改变电磁波频率来实现电磁感应的原理，在地表收集地下电磁数据来分析地下不同的地质信息。通过测定从高到低不同频率的地球电磁反映序列，经过数据处理和分析来判定地层由浅至深的电性结构。大地电磁法原理见图1。

图1 大地电磁法原理示意

1.2 正演模型及反演

正演模型的探测对象为地质体的电导率结构，通过二维正演进行视电阻率分析，获得不同地质体因素下的不同模型。在地球物理中，正演一般对应于求解一数理模型的边值或初值问题。

大地电磁的技术核心是反演，就是根据实测的数据（包括视电阻率、相位、表面阻抗等数据）来反推产生这些数据的系统内在信息的一种数学物理过程。在测得地球响应，如视电阻率、相位、表面阻抗等，通过一定的数学处理（反演）求得一个合理的地电模型，定量给出不同电性介质在地下的分布规律。

1.3 适用条件

大地电磁法作为一种利用天然电磁场来研究地下电性结构的物探方法，优点是不受高阻层屏蔽、对高导层分辨能力强，勘探深度大，施工成本低，工作方便；缺点是体积效应，反演的非唯一性较强（跟地震方法相比），纵向分辨能力随着深度的的增加面迅速减弱，目前该技术可通过计算计实现实时数据处理和显示，大大提高了工作效率，被广泛应用于矿产勘探、地下水勘探、构造探查等领域。

2 矿井地质特征及测线布置

该煤矿南翼断裂构造较发育，可采煤层4#煤赋存深度500 m左右。南翼有F3、F2号两个大断层，及部分次生小构造，断层落差F3 82 m～400 m，F2 28 m～45 m。井田的水文地质条件较复杂，矿井充水水源、导水通道种类丰富，第四系潜水含水层与下联河有一定的水力联系。

根据地表现场的实际情况和矿井生产布局选择在矿井南翼井田边界线布置测线，然后依据地表收集地下电磁数据来分析地下不同的地质信息来确定地下水的位置，测线长度为400 m，电极距离采用20 m，共布置21个测点。

3 探测结果分析

在获得实测数据后，通过计算机可视化集成系统的开发，获得反演结果图，根据不同地质体反演图像分析地质电阻异常区，通过已知地质异常区地质条件及生产情况，对异常区域和实际地质情况进行比对，进而对未知地质异常现象进行分析较准，确定异常原因，进而确定地下采空区范围。测线0 m～400 m探测结果见图2，图中有五处高阻异常区，分别为：高阻异常区1、高阻异常区2、高阻异常区3、高阻异常区4、低阻异常区5，下面就每个异常区分别进行分析。

图2 测线0 m～400 m大地电导率剖面

（1）在图2中，1#测线低阻异常区5的水平范围为300 m～400 m，深度在200 m～250 m之间。由于该区域的电阻率值明显低于周边介质，且形成闭合的环形低阻区域，因此根据电磁法理论及经验判断低阻异常区5疑似为地下水富存区域。

（2）在图2中，高阻异常区1的水平范围为80 m～150 m，深度在50 m～110 m之间。该异常区范围在井上下对照平面图的位置见图3，此处有一标高为370 m的巷道，该附近地面标高在470 m，计算得出巷道地底埋深为100 m，与探测结果吻合，因此推测高阻异常区1为巷道存在造成影响区域。

图3 1#测线异常区1与巷道位置关系

（3）在图2中，高阻异常区2的水平范围为0 m～140 m，深度在190 m～260 m之间。该异常区范围在煤层底板等高线平面图上的位置见图4，此处地面标高在470 m，煤层标高为200 m～250 m，计算得出煤层埋深介于220 m～270 m之间，与探测结果吻合，因此推测高阻异常区2为采空区存在影响区域。

图4 异常区2与煤层位置关系

（4）在图2中，高阻异常区3的水平范围为320 m～400 m，深度在90 m～120 m之间。本测线靠近ⅩⅣ勘探线，将测线投影至ⅩⅣ勘探线上，测线范围与煤层的垂直与水平范围叠加后呈现图5中的斜线阴影部分。在探测线范围内的地面标高480 m，煤层底板标高为290m～390m，计算得出煤层埋深介于90m～190m，与探测结果吻合，因此推测高阻异常区3为采空区存在影响区域。

图5 1#测线异常区3与ⅩⅣ勘探线位置关系

（5）在图2中，高阻异常区4的水平范围为240 m～400 m，深度介于120 m～180 m之间。本测线靠近ⅩⅣ勘探线，该测线在勘探线剖面的位置及所探测的煤层深度范围见图6，在探测线范围内的地面标高480 m，煤层底板标高为240 m～370 m，计算得出煤层埋深110 m～240 m，与探测结果吻合，因此推测高阻异常区4为采空区存在影响区域。

图6 1#测线异常区4与ⅩⅣ勘探线位置关系

3 结论

测线水平范围0 m～160 m、深度320 m～370 m区间有采空区；区域水平范围160 m～220 m、深度300 m～360 m区间有采空区；水平范围260 m～740 m、深度300 m～470 m区间有采空区；水平范围460 m～600 m、深度100 m～130 m区间为巷道影响区。

通过理论分析和实践证明，大地电磁法测试精度高，可通过计算机实现实时数据处理和显示,界面图像直观，能够有效的探测地下水分布位置，便于矿山企业采取有针对性的防治水手段，做到有的放矢，减少不必要的资金浪费，实现安全、经济、效益全面发展。