瞬变电磁法在长榆河煤业8号煤层富水性勘查的应用研究

李志锋

（山西潞阳煤炭投资经营管理有限公司，山西 寿阳 045400）

1 工程概况

为了探查山西寿阳潞阳长榆河煤业有限公司主要含水层富水区的分布范围和勘查区内断层的含、导水性以及老窑采空积水区和地质构造的导水性，为采掘工作提供地质资料，拟采用瞬变电磁法在地面进行地下水勘查工作。该井田位于寿阳县城北东约10°方向、直线距离15km处，寿阳－盂县公路在井田北部经过，距太旧高速公路约17km。井田位于太行山北端与晋中盆地之间的低山丘陵区，地表部份被黄土覆盖，地形较为平缓，土梁与冲沟发育。地形总体东高、西低，最高点位于矿区东南角，标高为1454m，最低点位于西北部沟谷中，为1210m，最大相对高差244m。井田形态为一近东西向的刀把形（见图1），东西长10000m，南北宽550-2150m，面积6.5624km2。井田主采8号煤，位于太原组顶部，上距6号煤层底板6.70～29.40m，平均 15.86m。上距 K7砂岩底 0－3.83m，平均1.94m。煤层厚度 1.00～2.60m，平均1.80m。结构简单，一般不含夹石。顶、底板为砂质泥岩、泥岩、粗砂岩。该煤层在井田西北部被剥蚀，属稳定大部可采煤层。煤层底板标高+1270～+1110m。

图1 勘查区范围地形图

2 施工准备

2.1 施工方法选择与原理

根据此次地质情况与实际要求，经决定采用瞬变电磁法方法。瞬变电磁法[1],简称TEM,是一种时间域电磁感应法，其工作原理主要是通过不接地回线或接地线源来向所勘查地区内发送一次脉冲场，在一次脉冲场间歇期间再利用回线来接收感应二次场，该二次场是由于地下良导体岩石受电磁波会产生一种不稳定电磁场，通过对接受的二次场随时间变化而产生的信号规律分析，来确定地下岩层导电性不均匀分布情况，对其进行分析可以得到地下低电阻异常区域的情况，以达到对所需地域探测的目的。瞬变电磁法对比别的方法有很多优点，比较突出的优点有以下方面：

1）瞬变电磁法对于导电围岩和导电覆盖层的分辨能力优于别的方法，并且施工效率高，更适合勘探工作的需要。

2）在高阻围岩条件下，没有地形引起的假异常。

3）所得到异常的幅度大、形态简单及受旁侧影响小，提高了对地质体的横向分辨能力。

有限导电地质体瞬变电磁响应可以用一个具有电阻和电感的回线上的响应相等效，回线中的感应电压V2（t）正比于二次磁场的时间导数。

式中：τ为衰减的时间常数。

2.2 仪器的选择

结合本次勘查任务与实际地质情况，决定采用加拿大产PROTEM 67D瞬变电磁勘探系统[2]。该电磁系统的可以在外部条件复杂与噪音干扰下，依然能完美的接受到地磁信号，且仪器动态范围较大，可以根据所勘查区域内的建筑及村庄来进行灵活的调节，以满足不同地质情况，由于本次所勘查区域范围大，勘测深度较深，该仪器灵敏度较高，发射机电流较大，可以有效的接收地质深部的电磁信号，完成本次勘查任务。

3 勘查结果与分析

3.1 顺层拟等视电阻率切面图分析

图2 8号煤层底板上15m顺层拟等视电阻率切面图

图2 是8号煤层底板上15m顺层拟等视电阻率切面图，其空间位置对应于二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层（K7）的位置，图中是沿8号煤层底板上15m地层的视电阻率的变化分布，视电阻率由高到到低变化（图中蓝色到红色变化），反映了砂岩裂隙发育冲水状况，图中电阻率高低只是在所勘查区域相对的高低，在裂隙发育带的划分上应该在其基础上。裂隙发育带在顺层拟等视电阻率切面图上表现为视电阻率低的异常特征，即围岩裂隙越大，含水量越多所测电阻率就会越小，因此上图中可以分析得：勘查区中北部和西北部一带存在范围较大的低阻异常区，其他范围内存在有小范围的不连续的低阻异常区，结合地质资料及钻探资料推断为二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层（K7）裂隙发育富水的反映。

图3 8号煤层顺层拟等视电阻率切面图

图3 是8号煤层顺层拟等视电阻率切面图，其空间位置对应于8号煤层的位置，图中是沿8号煤层的视电阻率的分布情况，蓝色到红色表示视电阻率从低到高的变化情况，反映了8号煤层采空充水的特征。采空充水带在顺层拟等视电阻率切面图上表现为视电阻率低的异常特征，即采空充水性越强的地段电阻率值越小。从图中可以看出：勘查区北部和东部有一些范围较大的低阻异常区，勘查区其他范围内也存在有小范围的不连续的低阻异常区。结合地质资料及钻探资料推断其为采空充水的反映。

3.2 勘查区富水异常划分及评价

从8号煤层底板上15m顺层拟等视电阻率切面图来看，主要低阻异常区位于勘查区中北部和西北部，通过对勘查区顺层8号煤层底板上15m视电阻率统计，发现其视电阻率背景值在90Ω/m以上，结合钻孔资料，判断该层低阻异常应主要考虑视电阻率小于50Ω/m的区域，但有部分高阻中的相对低阻的区域也为低阻异常区，据此划分了低阻异常范围，进而圈定出了二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层（K7）富水异常区范围，总体来看，二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层（K7）富水异常区主要集中在中北部和西北部一带，在勘查区其它区域有一部分不连续的富水异常区。

从8号煤层顺层拟等视电阻率切面图来看，勘查区的主要低阻异常区位于勘查区北部和东，通过对勘查区顺层8号煤层底板视电阻率值统计，发现其视电阻率背景值在100Ω/m以上，结合钻孔测井资料及邻区资料，判断该层位低阻异常应主要考虑视电阻率小于60Ω/m的区域，但有部分高阻中的相对低阻的区域也为低阻异常区，据此划分了低阻异常区范围，继而圈定了8号煤层采空充水富水异常区范围，总体上看，在勘查区北部和东部有几个较大的富水异常区。

3.3 8号煤层富水异常区分布划分

通过本次勘探发现，勘查区内8号煤层顶板二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层（K7）富水异常区有14块如图4所示。勘查区富水异常区分布主要集中在勘查区中部和东部，范围较大且连续。

图4 8号煤层顶板二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层（K7）富水异常区分布示意图

图5 8号煤层采空充水富水异常区分布示意图

通过本次勘探发现了勘查区内8号煤层采空充水富水异常区的分布规律，勘查区内8号煤层采空充水富水异常区有3块：如图5所示。勘查区富水异常区分布主要集中在勘查区东部。其中东部存在较大的两个异常区，分别是B2和B3富水异常区。依据剖面图中采空区特征反映和切片图中的异常位置，结合地震资料，划分了推断采空区范围（图中洋红色阴影位置）。

综上所述，通过对所获瞬变电磁资料的计算、处理，结合地震勘探解释资料和地质资料进行认真分析，查明了勘查区内8号煤层顶板二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层（K7）、8号煤层采空充水，划分出了8号煤层顶板二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层（K7）、8号煤层采空充水。其中8号煤层顶板二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层（K7）划分了14块富水异常区、8号煤层采空充水划分了3块富水异常区。

4 结 论

通过对所获瞬变电磁资料的计算[3]、处理，结合地震勘探解释资料和地质资料进行认真分析，查明了勘查区内8号煤层顶板二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层（K7）、8号煤层采空充水，并且划分出了8号煤层顶板二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层（K7）、8号煤层采空充水富水异常区分布范围。对富水异常区的划分是基于本次瞬变电磁法勘探的解释成果，通过本次勘查工作，建议矿方在开采过程中对圈定的富水异常区地段进行井下电法探测及井下钻探工作，进行近距离的精确探测，以确保安全生产。