煤田水文地質調查中電性源瞬變電磁法的應用

楊彥成 郭君婷

【摘要】電性源瞬變電磁法在水文地質和工程地質勘探中都有著廣泛的應用，尤其是大功率瞬變電磁儀不僅可以在深部地質勘探中發(fā)揮作用，還具有較高的分辨能力。近年來，瞬變電磁法在煤礦水文地質勘查中得到了廣泛的應用，并取得了較好的效果。本文就以某煤礦為例對其進行具體分析。

【關鍵詞】煤田 水文地質調查 電性源瞬變電磁法

某煤礦井首采區(qū)面積約為28km2，主要開采煤層為2煤、3煤、4煤和8煤。煤礦主要充水含水層為侏羅系中統(tǒng)直羅組砂巖裂隙～孔隙承壓含水層，從煤礦勘探階段抽水試驗結果看，直羅組砂巖含水層屬于弱富水含水層。但是，根據煤田其他礦井實際揭露情況分析，這一含水層厚度大、靜儲量大并且富水性極不均一，因此，對礦井的威脅不容忽視，此外分布于首采區(qū)西北部的風氧化帶也是對礦井具有威脅的水源之一。以往的勘探工程由于勘探目的的不同和勘探精度的限制，未能充分對上述含水層（體）的水文地質特征進行詳細探查，無法滿足礦井防治水工作的需求。因此，針對威脅礦井安全的主要水害因素的水文地質補充勘探勢在必行。1 煤田地質及物性特征

1.1 地層

該井田全部被新生界地層所覆蓋，屬隱伏式煤田。根據鉆孔揭露，本區(qū)地層由老至新發(fā)育有：三疊系上統(tǒng)上田組（T3s）；侏羅系中統(tǒng)延安組（J2y）、直羅組（J2z）、侏羅系上統(tǒng)安定組（J3a）；古近系漸新統(tǒng)清水營組（E3q）和第四系（Qh）。煤層在平面上的賦存狀況呈現為：煤層富集整體差異不大，主煤層突出、明顯，且分布范圍內連續(xù)性較好。1.2 水文地質

該煤田地形地貌以緩坡丘陵、洼地地貌為主，地形東高西低斜坡狀，勘查區(qū)西部地形較為平坦，以沙漠、洼地地貌為主；東部以緩坡丘陵為主。區(qū)內無基巖出露，基巖被第四系黃土或沙丘所覆蓋；風積沙多被沙漠植物固定，主要為固定沙，其次為半固定沙丘。最高標高點位于勘查區(qū)東南部，海拔高度為1511.30m，最低標高點位于勘查區(qū)西北部，海拔高度為1417.1m，相對高差約94.20m。本區(qū)地勢平坦、干旱少雨，無地表河流，無地表水體。

1.3 物理特征

根據本區(qū)資料揭示，區(qū)內煤層的電性與圍巖之間有著明顯的差異，不同巖層具有不同的導電性，根據測井資料顯示，泥巖、粉砂巖、細粒砂巖、中粒砂巖、粗粒砂巖、硅質膠結巖、煤層，其視電阻率值依次增高。煤系地層有層狀分布特點，在橫向上導電性相對均一，縱向上視電阻率的變化規(guī)律基本一致。

2 電性源瞬變電磁法簡析

瞬變電磁法是地球物理探測的主要手段之一，通過向地下發(fā)射電磁波激勵地下目標，接收其產生的二次場，確定被測目標的物理參數。

瞬變電磁法測量裝置由發(fā)射回線和接收回線兩部分組成，工作過程分為發(fā)射、電磁感應和接收三部分。當發(fā)射回線中通以階躍電流，發(fā)射電流突然中斷，根據電磁感應理論，發(fā)射回線中電流突然變化必將在其周圍產生磁場，該磁場稱為一次磁場，一次磁場在周圍傳播過程中，如遇到地下良導電的地質體，將在其內部激發(fā)產生感應電流，又稱渦流或二次電流，由于二次電流隨時間變化，因而在其周圍又產生新的磁場，稱為二次磁場。由于良導電地質體內感應電流的熱損耗，二次磁場大致按指數規(guī)律隨時間衰減，形成瞬變磁場，二次磁場主要來源于良導電地質體的感應電流，因此它包含著與地質體有關的地質信息，二次磁場通過接收回線觀測，并對觀測的數據進行分析和處理，對地下地質體的相關物理參數進行解釋。

瞬變電磁法和其他物探方法相比具有許多優(yōu)勢和特點：

（1）該方法觀測和研究的是“二次場”即純異常場，不存在一次場的背景干擾；

（2）具有穿透高阻覆蓋層的能力，優(yōu)于傳導類電法探測；

（3）異常響應強，形態(tài)簡單，分層能力強；

（4）地形影響小，測量簡單，工作效率高。

3 應用試驗

3.1 試驗參數選擇

選取已知勘探線已知鉆孔旁的測線作為試驗線進行各項參數的試驗，試驗線周圍無明顯地表干擾源，各項參數的試驗結果可與已知鉆孔進行驗證對比，以便選取最終的施工參數。

3.2 試驗過程及分析

試驗工作中進行了不同發(fā)射線框、不同發(fā)射頻率、不同觀測時長的選擇試驗，通過對資料的初步處理和分析，對設計中選擇的工作方法做了相關的評價與補充。

根據實際地質情況，本次試驗工作采用發(fā)射線框為360m×360m和300m×300m。通過在試驗線上相同發(fā)射頻率、同一觀測時長條件下兩種發(fā)射線框的對比試驗來選定發(fā)射線框的大小。

通過對比發(fā)現，兩種線框都能夠清晰的反映出地層分層、低阻及高阻異常。從深部可以看出360米線框壓制干擾的能力更好一些，而且工作效率更高，綜合以上因素考慮我們選擇360米的線框作為本次瞬變電磁法工作的發(fā)射線框。

本次發(fā)射頻率選擇試驗在相同的發(fā)射線框（360m×360m）、同一觀測時長下進行發(fā)射頻率為2.5Hz、5Hz與10Hz的試驗。

同一試驗線，同一發(fā)射線框（360m×360m），同一觀測時長（120s）的情況下發(fā)射頻率分別為2.5Hz、5Hz及10Hz的視電阻率等值線斷面圖，由圖中對比情況可知，在相同發(fā)射線框、同一觀測時長的情況下，發(fā)射頻率為5Hz時深淺兼顧，曲線分層更為細致，同時勘探深度相對較大，因此在本區(qū)采用5Hz發(fā)射頻率較為合適。

本次觀測時長試驗在同一試驗線進行，在相同發(fā)射線框（360m×360m）、相同發(fā)射頻率（5Hz）參數下，采用觀測時長為90秒和120s進行試驗采集，通過對比分析，觀測時長為120s時分辨率相對更高。

由于儀器發(fā)射機的最大額定電壓為96V，發(fā)射線框阻值為1.25Ω/100m，因此線框大小選定后，其電阻阻值將是個固定值，在這一條件下，通過實驗，發(fā)射機所能發(fā)射的最大電流值為6.5A，由于發(fā)射電流越大深部的有效信號越強，垂向分辨率越高，考慮到儀器的使用安全，選擇6A作為施工發(fā)射電流。

通過上述試驗，并對資料進行初步處理，根據試驗曲線和初步處理結果，并結合各種實際因素，確定了本區(qū)最終施工參數。4 地質成果

5 結語

電性源瞬變電磁法能夠滿足當前的煤田水文地質調查工作的需要，能夠探測到較深的地層情況。根據上述試驗結果，電性源瞬變電磁法根據反演電阻率的變化，推測地層以及斷層變化情況，因此煤層以及周圍巖層的賦水性就可以根據反演電阻率相對變化體現出來。

參考文獻

[1] 劉金濤，肖克華，鄭信斌.瞬變電磁法在煤礦水文地質勘查中的應用[J].資源環(huán)境與工程，2006（04）

[2] 張開元，韓自豪，周韜.瞬變電磁法在探測煤礦采空區(qū)中的應用[J].工程地球物理學報，2007（04）