浅埋深烧变岩地下水瞬变电磁法探测

王 鹏

(中煤科工集团 西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

烧变岩是自燃煤层及受火烧波及岩层的统称，在我国陕西、内蒙、新疆等煤田富集区广泛存在[1-2]。由于煤层自燃期间的烧蚀与烘烤，其顶底板岩层网状裂隙发育，使烧变岩具有破碎、裂隙贯通的特征。烧变岩一般分布于可采煤层上部，受雨水补给或河流渗透时积蓄地下水，对下部煤层开采形成水害威胁[3-6]。准确勘探烧变岩边界及地下水分布范围是开展有效防治水工作、解除上部水害威胁的基础。

一般采用以磁法、瞬变电磁法等综合电磁法为主，钻探为辅的勘探手段控制烧变岩边界及地下水分布范围[7-15]。其中，磁法以烧变岩与围岩的磁化差异为物理基础，通过磁化强度的变化来划分烧变岩边界；瞬变电磁法以烧变岩含水前后电阻率的急剧变化为指标，对含水区进行圈定。根据烧变岩破碎、裂隙发育的物理特性，不含水时表现为高电阻率特征；含水时表现为低电阻率特征。当烧变岩埋深较浅甚至出露时，其高、低电阻率差异与磁性差异同步表现。因此，基于单一的电阻率参数确定烧变岩边界，并圈定地下水分布范围具备理论基础。

本文以新疆某露天煤矿为例，通过瞬变电磁法获取地下电阻率分布，圈定烧变岩地下水分布范围。钻探验证了探测结果的准确性。研究瞬变电磁法探测浅埋深烧变岩及地下水分布范围的效果，对相似矿区具有借鉴和推广意义。

1 地质与地电条件

露天矿探测区地层由老至新为三叠系小泉沟群、侏罗系西山窑组、石树沟群、第四系，其中含煤地层为侏罗系西山窑组。第四系基本缺失，局部约1～2m。钻孔揭露石树沟群在探测区内最厚约40m，岩性以砂岩、泥岩、粉砂岩为主，底部为一层砾岩、砂砾岩；揭露西山窑组厚度平均为140m，岩性以泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩夹砂岩和煤层为主，底部为一层砾岩、含砾粗砂岩。目标煤层编号B5，厚度约40m，埋深最大为75m，最浅处经采掘活动已出露甚至部分剥离。探测区处于背斜轴部附近，未发现断层。

根据地层岩性与钻孔电阻率测井结果，B5煤层上部砂岩覆盖层整体表现为相对低阻，B5煤层为相对高阻，下部地层为相对低阻。对煤层埋深较浅或出露地点，上部低阻覆盖层被剥离，地电断面在纵向上呈现“高-低”的两层特征；对煤层埋深相对较大、低阻覆盖层相对较厚的地点，地电断面在纵向上呈现“低-高-低”的K型特征。依据此正常电阻率特征可对非正常地层进行辨识。

目标煤层在浅部大部分火烧，烧变岩易接受大气降水、雪融水的补给在地势低洼处形成烧变岩裂隙潜水，地势较高、泄水条件好或未火烧处一般不含水。前期勘探显示探测区烧变岩富水不均匀、水位较浅。当烧变岩不含水时相对下部岩层为极高阻，纵向上呈现“极高-低”的电阻率特征；当烧变岩含水时相对下部岩层为极低阻，纵向上呈现“极低-高”的特征。依据此电阻率特征可对烧变岩边界及含水范围进行分析。

2 方法原理与理论模拟分析

2.1 瞬变电磁法原理

瞬变电磁法原理是地下介质在阶跃变化的电磁场激发下产生的涡流场效应。一般利用不接地的载流回线制造静磁场，使地层及目标体处于该静磁场中。根据法拉第电磁感应定律，截断电流结束静磁场以后，地层与探测目标体为维持原先的静磁场，内部会产生感生的涡流，以制造新的静磁场。涡流的强弱分布与目标体的导电性密切相关。当烧变岩不含水时，感生涡流很快衰减；当烧变岩含水时，由于地下水的低阻特性，感生涡流损耗低而持续时间长。在地面布置测量点，通过专门的仪器接收涡流产生的电磁信号，通过信号强度和衰减时长可解译烧变岩及含水区分布。

2.2 烧变岩模型模拟分析

考虑探测区烧变岩实际地质情况，分别建立正常地层、烧变岩及含水烧变岩层状地电模型，正演计算获得3种地电条件下的瞬变电磁响应曲线。模型如图1所示，设置顶板覆盖层厚度40m，电阻率50Ω·m；B5煤层40m，电阻率100Ω·m；底板岩层电阻率50Ω·m；烧变岩从地表分布到B5煤层底板下10m，总厚度90m，电阻率200Ω·m；含水烧变岩水位埋深10m，含水段电阻率20Ω·m。根据模型厚度及目标层深度，设置回线源大小为240m×240m，接收时间50ms。布置地面测点3个，分别对应正常地层、烧变岩、含水烧变岩。通过对比3个测点的响应曲线，分析瞬变电磁法对烧变岩及含水区的理论探测效果。

图1 模型示意

正演获得地面3个测点的衰减曲线，经转换得到电阻率结果，见图2。

图2 瞬变电磁响应曲线

结果显示，烧变岩含水后感应的瞬变电磁信号最强，不含水时感应的瞬变电磁信号最弱。分析原因为烧变岩含水后电阻率最低，感应的瞬变电磁信号强且衰减慢；烧变岩含水前电阻率最高，瞬变电磁信号很快衰减结束。感应信号的差异主要表现在早中期时间，晚期时较为接近，原因为模型电阻率主要针对浅层烧变岩改变，而深部电阻率一致。这间接说明瞬变电磁早期信号主要反映浅层信息，而晚期信号主要反映深部信息。

分析电阻率结果发现，正常情况时由于煤层为高阻层，在曲线上表现明显高阻隆起；煤层自燃形成烧变岩使浅部覆盖层也变为高阻，电阻率曲线转为由高到低变化；烧变岩含水后增加低阻层，电阻率曲线也在中间出现低阻凹陷，与正常高阻煤层的结果正好相反。对比3条曲线与对应模型的电阻率分布，电阻率曲线结果与模型纵向电阻率分布规律一致，真实反映模型电阻率结构。可见，瞬变电磁法能从电阻率的变化角度分别分辨不含水与含水的浅埋深烧变岩。另外，上述特征在曲线3ms以前已表现明显，认为针对该理论模型，信号长度超过3ms即可。

3 工程实践

3.1 测网布置与参数设置

地层实际地电断面与理论模型基本一致，理论结果可用来指导实际工程的布置。探测目标体为B5煤层烧变岩及地下水，根据目标体大小采用40m×20m的网格布置地面瞬变电磁法测点，即40m线距、20m点距。根据理论结果，认为240m×240m外框、超过3ms长度的信号即可反映低阻含水体，故确定采用240m×240m外框、25Hz(10ms接收时窗)频率的参数进行数据采集。仪器使用国际上先进的加拿大凤凰公司V8多功能电法工作站。

3.2 断面分析

对采集的测点数据进行电阻率与深度转换，得到地下各深度地层的电阻率信息，绘制电阻率等值线图，可依据地下电阻率的分布对异常进行分析。图3为测区40线中段电阻率断面，该段测线位于测区中部，长度500m，地表平坦。根据煤层底板等高线，该断面图西段煤层埋深浅，东段煤层埋深深。煤层上部有一定厚度的石树沟群砂岩，在测线西边厚度约50m。

图3 40线中段电阻率断面

断面图垂向上由浅至深的电阻率变化规律在测线西段与东段各不相同，西段表现为“低-高-低”的K型地电断面特征，东段表现为“低-高”的两层地电断面特征。在测线西段,煤层位于中上部相对高阻层内，石树沟群砂岩位于其上部相对低阻层内，西山窑组砂岩位于下部低阻层内。结合对电阻率测井数据统计分析的结果，中上部的高阻反映B5煤层，上部低阻反映石树沟群砂岩，下部低阻反映西山窑组砂岩层。断面图横向上在深部均表现为相对低阻，电阻率变化较小且连续性好，特别在B5煤层下部，整体电阻率几乎不变，说明深部的西山窑组砂岩岩性稳定。中上部相对高阻对应B5煤层，在测线西段稳定连续，说明该断面西段B5煤层稳定存在。176～184测点之间B5煤层与上部石树沟群砂岩的电阻率相对160～176测点有所减弱，认为该处存在低阻异常。184～212测点之间纵向电阻率急剧变化为“低-高”的两层地电断面，与断面图西段“低-高-低”的K型地电断面差异显著。根据电阻率测井曲线统计结果，正常地层不存在此种地电断面。因此，判断184～212测点之间存在更强的低阻异常。两处低阻异常表现特征差异较大，176～184测点低阻异常仅表现为对“低-高-低”K型地电断面的弱化，而184～212测点低阻异常表现为地电断面的彻底改变。前者异常强度相对较小，后者异常强度明显增大。

结合地质情况分析，探测区含煤地层为湖泊相沉积，测线处煤层厚度稳定，认为因岩性急剧变化导致电阻率异常的可能性较小。结合构造考虑，该处靠近背斜轴部，地层容易因张性拉裂产生裂隙后充水形成相对低阻的裂隙富水区。结合测区存在烧变岩考虑，自燃过程对顶底板岩层的烘烤作用明显，容易形成厚度较大且裂隙贯通的烧变岩，又由于测线处烧变岩埋深浅甚至出露，大气降水渗入形成地下水积蓄区，使正常地层地电结构遭受破坏，含水烧变岩易形成极低阻异常。因此，推断176～184测点之间为裂隙富水区，184～212测点之间为烧变岩含水区，烧变岩边界位于184号测点处。

3.3 钻探验证

矿方在180和188号测点分别布置地面钻探，对推断的烧变岩边界及含水低阻异常进行验证。180测点处应为未火烧的B5煤层且存在裂隙水，钻孔实际揭露正常B5煤层且钻孔出水。188测点处应为含水烧变岩，钻孔实际揭露烧变岩、出现卡钻现象，并在埋深10m处出水。将实际揭露结果与地面瞬变电磁法推断的烧变岩横向范围和含水情况进行对比，两者完全吻合，认为瞬变电磁法在浅埋深烧变岩区探测结果准确，成果可靠。

4 结 论

(1)浅埋深烧变岩与围岩存在电阻率和磁化强度两种物性差异。理论计算表明，正常地层、烧变岩及含水烧变岩的瞬变电磁信号存在明显变化，仅依据电阻率差异也可分辨浅埋深不含水烧变岩或含水烧变岩。

(2)浅埋深含水烧变岩使探测区正常的“低-高-低”K型地电断面改变为“低-高”两层地电结构。瞬变电磁探测结果清晰显示正常地层与含水烧变岩地层的地电结构，据此可确定烧变岩边界。依据地电结构变化特征，可进一步分辨正常地层与烧变岩区分布的地下水。

(3)钻孔验证结果表明，地面瞬变电磁法探测结果与实际揭露符合一致，说明该方法探测浅埋深烧变岩边界及地下水分布可行。应对技术细节和探测能力进一步深入研究，以更好地为浅埋深烧变岩矿区防治水工作服务。