瞬变电磁法在兴盛煤矿地下水勘查中的应用

毕可仁

(黑龙江煤矿安全监察局安全技术中心，黑龙江 哈尔滨 150000)

我国是煤矿水害多发的国家，突水造成的直接经济损失一直排在各类煤矿灾害之首，煤矿水害给国家和人民带来的经济损失和人身伤亡极为惨重。按照《黑龙江省煤矿老空水害防治工作规定》(黑煤生产联规〔2017〕122号)第三十六条“矿井在未查明水文地质条件或未探明老空区的情况下不得组织生产”有关规定，兴盛煤矿结合实际，为防止水害事故的发生，采用地面瞬变电磁法对本矿掘进工作面前方及未采区域进行地下水勘探，为该矿安全高效生产提供重要技术支撑。

1 瞬变电磁法基本理论

瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Method，简称TEM)是利用不接地回线或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，来解决有关地质问题的时间域电磁法。本文以均匀大地的瞬变电磁响应为例，来讨论回线形式磁偶源激发的瞬变电磁场，从而阐述瞬变电磁法测深的基本理论。

在导电率为σ、导磁率为μ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为I，I满足以下条件：

(1)

在电流断开之前(t<0)时，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。

在t=0时刻，将电流突然断开，由该电流产生的磁场也立即消失。一次磁场的这一剧烈变化通过空气和地下导电介质传至回线周围的大地中，并在大地中激发出感应电流以维持发射电流断开之前存在的磁场，使空间的磁场不会即刻消失。由于介质的欧姆损耗，这一感应电流将迅速衰减，由它产生的磁场也随之迅速衰减，这种迅速衰减的磁场又在其周围的地下介质中感应出新的强度更弱的涡流。这一过程继续下去，直至大地的欧姆损耗将磁场能量消耗完毕为止。这便是大地中的瞬变电磁过程，伴随这一过程存在的电磁场便是大地的瞬变电磁场。

图1 矩形框磁力线

2 瞬变电磁勘探技术方案

2.1 矿井概况

东宁县兴盛煤矿井田境界据2015年在黑龙江省国土资源厅办理的《煤炭采矿许可证》，证号C2300002010071120069799，采矿权人为东宁县兴盛煤矿，生产规模4万吨/年，井田面积为0.700 8 km2，开采深度为210～130m标高，矿井开拓方式为片盘斜井，矿井现保有储量为20.68万吨，矿井服务年限为5年。

2.2 勘探范围确定

勘探仪器选用俄罗斯生产的FASTSNAP TEM型瞬变电磁仪，采用中心回线法。坐标系统为1980年西安坐标系，高程系统为1956年黄海高程系。此次探查区域南北长约130 m，东西宽约360 m。其物探范围坐标由5个拐点组成。

3 现场探测及数据解析

3.1 视电阻率剖面图分析

本次勘探含水区划分原则有以下几个：

(1)从勘探剖面图分析未采区与采空区具明显电性差异，采空区剖面图上对应深度视电阻率数值较低，表现为低阻异常，未采空区视电阻率数值相对大。

(2)瞬变电磁勘探数据计算为相对电阻率，并非是介质真电阻率。物探资料解释时以电阻率走势为基础进行推断，综合分析各剖面电阻率值分布范围，地层视电阻率值基本在30～130 Ω·m之间变化，确定本次视电阻率值小于40 Ω·m时为煤层底板含水层。现以下面一条测线为例说明瞬变电磁法探测各测线视电阻率剖面图的分析解释过程。

图2为视电阻率剖面图。由图2(a)可知，小号点为低阻特征，大号点为高阻；浅部地层横向视电阻率数值变

图2 视电阻率剖面图

化较大，深部电阻率变化较小，该剖面浅部地层连续性差，深部具有一定成层性。由此推断浅部电阻率变化可能受采空区影响所致，因此推断103～107号点存在含水异常，范围为60 m，深度为-20～-40 m，如绯红色矩形框所标范围。由图2(b)可以看出，210～211号点存在含水异常，范围为20 m，深度为-30 m位置。由图2(c)可以看出，311～312号点存在含水异常，范围为20 m，深度为-60～-100 m位置。

3.2 顺煤层视电阻率切片图分析

根据钻孔资料揭露，该区域距离地面深度约40 m，提取对应各测点的各煤层深度电阻率数值，进行插值计算后形成勘探区域40 m的视电阻率切片图，见图3。

图3 顺煤层底板20 m处视电阻率切片图

图中浅黄～绿色～浅蓝～蓝的过渡表示视电阻率由高到低的变化过程。从图中整体视电阻率值来看，在探测区范围内，视电阻率值变化不大，变化范围为30～50 Ω·m。从视电阻率分布形态看，勘探区东北角和西南角电阻率较低，电性分布比较均一，且数值大小变化不大，成片状分布。

瞬变电磁法资料处理之后得出的成果是视电阻率，岩性的划分主要以相对视电阻率为主，具体推断同时参考钻探资料或以往煤矿采掘资料。电阻率数值变化界限不等同于采空区边界，且插值算法也会给采空区边界的界定带来一定的误差，所以采空区范围划定时一方面结合物探资料、采掘资料和水文等地质资料，另一方面根据瞬变电磁法勘探的工作经验对含水区做出合理推断。

4 结论

根据地面瞬变电磁现场探测，由L1号测线视电阻率剖面图可知，103～107号点存在含水异常，范围为60 m，深度为-20～-40 m；由L2号测线视电阻率剖面图可知，210～211号点存在含水异常，范围为20 m，深度为-30 m位置；由L3号测线视电阻率剖面图可知，311～312号点存在含水异常，范围为20 m，深度为-60～-100 m位置。

矿井瞬变电磁仪实测过程中受到各种因素的影响，其勘探结果只能给出“低阻异常区”，该异常区具体性质并不清楚，因此，应紧密结合现场实际情况，采取钻探等手段对异常区进行验证分析，以进一步查清矿井水文地质条件。