煤礦深部采區(qū)巖層富水性短偏移距瞬變電磁法探測

李功強，程久龍，高 峰，徐富文，陳 潛，劉 歡

（1.新汶礦業(yè)集團有限責任公司華豐煤礦，山東 泰安271413；2.中國礦業(yè)大學 （北京）煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京100083）

煤炭作為我國的基礎能源，其安全高效開采煤炭是十分必要的。礦井水害是礦山建設與生產(chǎn)過程中的主要災害之一。由于我國煤礦開采水文地質(zhì)條件的復雜性，長期以來礦井水害事故給人民生命財產(chǎn)造成重大損失。特別是近幾年，隨著煤礦開采深度和強度的加大，受礦井水害威脅日趨嚴重，突水事故發(fā)生的頻率也在不斷增加?？梢姷V井水害仍是煤礦安全生產(chǎn)的重大隱患。為了保證礦井工作面的安全開采，對煤系地層含水層的富水性進行探測，確定巖層的富水狀況對保障煤礦安全開采具有十分重要的意義［1］。

常規(guī)的地面探測深部（指深度大于800m）巖層富水性的地球物理方法主要有大地電磁法（MT）、可控源音頻大地電磁法（CSAMT）和瞬變電磁法（TEM），因煤礦區(qū)工業(yè)電干擾嚴重，電磁類探測方法地質(zhì)效果不理想［1］。相比而言，因瞬變電磁法探測低阻體靈敏，探測效果較好，但以回線源為主的瞬變電磁法探測深度有限，難以滿足深部巖層水文地質(zhì)條件的精細探測［1］。早在20世紀30年代，前蘇聯(lián)科學家提出瞬變電磁法勘探，當時采用的是遠區(qū)工作模式。1933年L.W.Blau最先提出利用供電偶極電流脈沖激發(fā)時域電磁場。到20世紀50～60年代，原蘇聯(lián)科學家成功地完成了瞬變電磁法的一維正、反演，建立了瞬變電磁法的解釋理論和野外工作方法之后，瞬變電磁法開始進入實用階段。20世紀60年代以來，利用收發(fā)距遠遠小于期望探測深度進行勘探有了一個快速的發(fā)展。隨之，“短偏移”、“晚期”、“近區(qū)”等技術(shù)研究迅速發(fā)展起來［2］。美國等西方國家在20世紀70～80年代之間，短偏移法一直處于研究和試驗階段，未被廣泛運用，而長偏移法已得到了應用，特別是在地熱調(diào)查和地殼結(jié)構(gòu)的調(diào)查中［2］。20世紀80年代后瞬變電磁法從最初的金屬礦勘查擴展到了構(gòu)造地質(zhì)調(diào)查、水文地質(zhì)及各種工程地質(zhì)等領域。國內(nèi)的瞬變電磁法研究從20世紀80年代初開始，在理論方法、儀器方面做了一定的工作，目前已建立了比較完整的一維正、反演及方法技術(shù)理論，在礦產(chǎn)普查、水文和工程地質(zhì)調(diào)查等領域開展了較多的應用研究［3］。

1 電性源短偏移距瞬變電磁法的理論基礎

電性源瞬變電磁作為時間域電磁法的一種，它利用接地點電極通以脈沖電流而在地下建立起一次脈沖磁場，在一次磁場間歇期間，在時域接收感應的二次電磁場。在20世紀60年代初最早發(fā)展起來的遠區(qū)模式長偏移距離法LOTEM（Long Offset Transient EM），要求收發(fā)距離大于4倍的目的層的深度，工作時間屬于波區(qū)，也稱為固定源建場法。其響應曲線簡單，與頻率域方法基本相似。對于長偏移距離法，由于其收發(fā)距離較大，可能跨越幾個構(gòu)造單元，由于地質(zhì)構(gòu)造和地形起伏帶來的電性變化，都由源傳導到接收，再加上有用信號強度急劇下降，不利于精細探測。晚期只能確定總的縱向電導，不具備分層能力，使得其一般只用于地質(zhì)構(gòu)造簡單地形平坦，如油氣勘探區(qū)。20世紀60年代，當短偏移同樣可以進行時，在前蘇聯(lián)得到推廣應用。目前國內(nèi)主要利用近區(qū)回線源瞬變電磁測深法，探測深度一般為幾十米到幾百米。理論與實踐證明，近區(qū)測深對地下導電體反映比遠區(qū)明顯，縱向及橫向的分辨率均得到提高，且大大減少了體積效應［4］。雖然近場情況下的的回線源瞬變電磁法得到普遍接受和應用，但電性源的近區(qū)測深方法應用不廣。

根據(jù)美國地球物理學家M.N.Nabighan對感應渦流場像“煙圈效應”的假設，通過源的位置和速度可確定電阻率與深度的關系［5］。視電阻率計算公式為

當?shù)叵陆橘|(zhì)為非均勻半空間時，不能直接通過視電阻率計算探測深度，需把ρs代入深度函數(shù)，再通過深度函數(shù)的時間的導數(shù)得到深度值［6－7］。地下電流“煙圈”擴散速度直接取決于地下電阻率，利用計算速度與速度函數(shù)反演擬合計算電阻率值，根據(jù)擬合計算的電阻率值計算勘探深度。

2 電性源短偏移距瞬變電磁法工作方法

電性源短偏移距瞬變電磁法采用類似可控源音頻大地電磁（CSAMT）的工作方式，如圖1所示。A、B是接地的供電電極，發(fā)射源長度AB一般約為探測深度，接收與發(fā)射的距離不要求是探測深度的6～10倍，一般與探測深度接近，可以用略小于目標深度的發(fā)收距實現(xiàn)測深。發(fā)射頻率、發(fā)射電流、單點測量時間等參數(shù)要通過試驗確定。

圖1 電性源短偏移距瞬變電磁觀測方式示意圖

3 工程應用

3.1 測區(qū)地質(zhì)概況及地球物理特征

某煤礦礦井延伸要進行三采區(qū)深部開采，煤層埋藏深度約600～1400m，因水文地質(zhì)條件不清，需要進行地面地球物理探查，以查明煤層頂板與底板巖層的富水性，探測最大深度要求達到1500m。常規(guī)的大定源回線瞬變電磁法難以達到要求的探測深度，通過比較，選擇電性源短偏移距瞬變電磁法進行三采區(qū)水文地質(zhì)條件探測。

勘探區(qū)的地層由老至新由太古界泰山群的片麻巖及花崗片麻巖，下古生界寒武系、奧陶系的石灰?guī)r、泥灰?guī)r、泥巖，上古生界石炭－－二疊系的含煤地層，中生界侏羅系的紅砂巖，新生界第三系的礫巖、紅砂巖及第四系的表土、流沙層等組成。其中含煤地層屬于華北型石炭二疊系海陸交互相含煤沉積，假整合于中奧陶統(tǒng)之上，石炭二疊系總厚平均370余m，其中含煤地層厚度平均為325.86m。測區(qū)主要地層電性特征可概述如下：第四系很薄，0～3m，主要為黃土、亞黏土、砂質(zhì)黏土；第三系（R），主要為砂礫石、礫巖、粉砂巖、泥巖，厚度0～1009m，電阻率大于70Ω·m；二疊系（P），主要為泥巖、砂巖及煤層，厚度93～294m，電阻率50～200Ω·m；石炭系（C），主要為砂巖、泥巖、灰?guī)r及煤層，厚度240m，電阻率60～1000Ω·m；奧陶系灰?guī)r為煤系的基底，電阻率隨其富水性變化而變化，一般說來，奧灰不富水，電阻率大于10000Ω·m，甚至更高，一旦奧灰含水，電阻率降低明顯，富水性越強，電阻率越低。

3.2 工作方法及參數(shù)

測區(qū)面積約1.5km2，按線距100m共布置測線16條。經(jīng)過試驗研究確定了適合本工作區(qū)的工作參數(shù)：發(fā)射源長度AB＝1000m，收發(fā)距r＝1000m，發(fā)送頻率2.5Hz，發(fā)送電流I＝20A，探頭接收面積40000m2，單點測量時間t＝7min。

3.3 資料處理

瞬變電磁法觀測數(shù)據(jù)是各測點各個時窗（測道）的瞬變感應電壓，需換算成視電阻率、視深度等參數(shù)，才能對資料進行下一步解釋，主要步驟如下：①濾波：由于測區(qū)內(nèi)人文噪聲較大，需要對采集的數(shù)據(jù)進行濾波，消除噪聲，對資料進行去偽存真。②電阻率計算與時深轉(zhuǎn)換：為了更好地對資料的解釋，需要將野外觀測到的二次場電位隨時間變化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地層電阻率，同時確定電阻率隨深度的變化。③繪制參數(shù)圖件：首先從全區(qū)采集的數(shù)據(jù)中選出每條測線的數(shù)據(jù)，繪制各測線視電阻率剖面圖，即沿每條測線電性隨深度的變化情況。然后依據(jù)每個測點的平面坐標和高程繪制出不同深度的等深視電阻率切片圖和各主要巖層及其附近的視電阻率深層切片圖。

經(jīng)過上述數(shù)據(jù)處理后形成實測16條測線的視電阻率斷面圖，有效探測深度超過1500m，如圖2所示。

3.4 資料解釋

圖2是B550線視電阻率斷面圖，整個斷面視電阻率從淺到深基本上呈現(xiàn)由低～高～低～高的電性特征。圖中最上部（100m以淺）視電阻率值較低，由淺到深呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，其值在20～80 Ω·m之間，為第三系上組地層的反映，為弱含水層。第三系中段（100～400m層段）對應的視電阻率變化范圍較大，其值在120～280Ω·m之間，為不含水。第三系下段（400m以深）對應的視電阻率變化范圍較大，其值在60～140Ω·m之間，判斷為地層不含水和局部弱含水，其中200～500m樁號段450～700m深度范圍和650～1000m樁號段400～950m深度范圍表現(xiàn)為視電阻率相對低值特征，判斷為地層局部弱含水。

圖2 B550線視電阻率斷面圖

煤系地層視電阻率變化較大，其值在40～240 Ω·m之間，200～850m樁號段650～1000m深度范圍表現(xiàn)為視電阻率相對低值特征，判斷為弱含水層。500～600m樁號段F51斷層切割煤4和煤6巖層，斷層破碎帶周圍表現(xiàn)為視電阻率相對較低特征，可判斷為局部弱含水。煤系基底奧灰?guī)r層對應的視電阻率相對較高，判斷奧灰不含水或局部弱含水。

圖3是第三系底界面以下50m附近且接近4煤煤層的順層切片圖，整個切片圖視電阻率從100線到1600線基本上呈現(xiàn)低～高～低的電性特征。圖中的視電阻率變化范圍較大，在20～600Ω·m之間，中部與兩側(cè)地層之間有較大的電性差異，反映出中部與兩側(cè)地層之間的巖性和含水性的差異。圖中Ⅱ所對應的區(qū)域范圍視電阻率較高，在120～600 Ω·m之間，富水性相對較弱。圖3中Ⅰ、Ⅲ所對應的區(qū)域范圍視電阻率值偏低，在20～160Ω·m之間，反映出這一范圍內(nèi)富水性相對較強。

圖3 第三系底界面以下50m順層視電阻率切片圖

為驗證上述探測成果，在探測區(qū)邊緣B100線500～600m樁號段進行了原巷道延伸開拓，并超前鉆探探水，鉆孔最大出水量小于2.0m3／h，表明地層為弱富水，從而驗證了瞬變電磁法探測結(jié)果的可靠性。

4 結(jié)論

通過對電性源短偏移距瞬變電磁理論基礎與工作方法的探討，結(jié)合對煤礦深部采區(qū)巖層富水性探測結(jié)果分析，表明電性源短偏移距瞬變電磁法是一種對大采深巖層富水性勘探行之有效的方法。此方法對低阻層分辨能力強，探測深度大，探測效率高的優(yōu)勢在對深部地層富水性勘探中得到充分體現(xiàn)。利用此方法對煤礦深部采區(qū)地層富水性探查，結(jié)合測區(qū)相應的水文地質(zhì)資料，可以很好的對低阻異常區(qū)進行地質(zhì)解釋，為煤礦安全生產(chǎn)提供可靠的技術(shù)保障，經(jīng)濟效益和社會效益顯著，該方法值得推廣應用。

［1］程久龍，姜國慶，王玉和，于師建，邱浩，李明星.礦井深部采掘隱患水體綜合地球物理精細探測研究 ［C］.第七次煤炭科學技術(shù)大會文集，2010.

［2］薛國強，李貅，底青云.瞬變電磁法理論與應用研究進展［J］.地球物理學進展，2007（4）：1195－1200.

［3］石顯新，閏述，陳明生.煤礦水害隱患瞬變電磁法精細探測理論及應用技術(shù)［C］.第十屆中國國際地球電磁學術(shù)討論會，2011.

［4］薛國強，陳衛(wèi)營，周楠楠，等.接地源瞬變電磁短偏移深部探測技術(shù)［J］.地球物理學報，2013，56（1）：255－261.

［5］方文藻，李予國，李貅，等.瞬變電磁法測深原理［M］.西安：西北工業(yè)大學出版社，1993.

［6］Spies B R.Depth of investigation in electromagnetic sounding methods［J］.Geophysics，1989，54（7）：872－888.

［7］閆述，石顯新，陳明生.瞬變電磁法的探測深度問題［J］.地球物理學報，2009，52（6）：1583－1591.