瞬變電磁勘探在煤礦水文地質(zhì)專項勘查中的應用

曹莉蘋，古志文 ，謝小國

（1.成都理工大學，成都 610059；2.四川中成煤田物探工程院有限公司，成都 610072）

我國川南地區(qū)煤礦水文地質(zhì)條件復雜，煤礦采空區(qū)積水、地下富水帶與巖溶水害已經(jīng)成為制約該地區(qū)煤礦安全生產(chǎn)的重大隱患[1-2]。采用瞬變電磁勘探技術(shù)，已經(jīng)成為探測和發(fā)現(xiàn)煤礦水害、保障礦井安全生產(chǎn)最有效的途徑。

1 瞬變電磁法（Transient electromagnetic method）簡介

1.1 方法原理

該法是在地表敷設(shè)不接地線框或接地電極，輸入階躍電流。當回線中電流突然斷開時，在下半空間就要激勵起感應渦流以維持斷開電流前已存在的磁場。并且，此渦流場隨時間以等效渦流環(huán)的形式向下傳播、向外擴展，利用不接地線圈、接地電極或地面中心探頭觀測此二次渦流磁場或電場的變化情況，用以研究淺層至中深層的地電結(jié)構(gòu)，進而達到解決地質(zhì)問題的目的[3-5]。TEM被認為是目前劃分風化層厚度和圈定構(gòu)造、破碎帶并確定其產(chǎn)狀最有效方法。由于是在沒有一次場背景的情形下觀測純二次場異常，因而探測效果更直接、更明顯、原始數(shù)據(jù)保真度更高，其工作原理見圖1。

1.2 方法特點

1）把頻率域法的精確度問題轉(zhuǎn)換成靈敏度問題，加大功率靈敏度可以增大信噪比，加大勘探深度；

2）高阻圍巖地區(qū)不會產(chǎn)生因地形起伏影響的假異常；低阻圍巖區(qū)，由于是多道觀測，地形影響也較易分辨；

3）可以采用同點組合（同一回線，重疊回線，中心回線）進行觀測，使與探測目標的耦合最緊，取得的異常響應強，形態(tài)簡單，分層能力強；

4）線圈點位、方位或接發(fā)距要求相對不嚴格，測地工作簡單，工效高；

5）有穿透低阻覆蓋的能力，探測深度大；

6）剖面測量與測深工作同時完成，提供了更多有用信息，減少了多解性。

圖1 瞬變電磁原理示意圖

一般來講，巖石隨著濕度或者飽和度的增加，電阻率相對降低。斷層、陷落柱的電阻率主要取決于巖石的破碎程度及其富水性，富水斷層、陷落柱的電阻率遠小于不富水斷層、陷落柱和周圍不富水地層的電阻率，這是瞬變電磁探測含水斷層、陷落柱和進行富水區(qū)探測的地球物理依據(jù)。

2 資料處理與解釋

2.1 資料處理

野外采集的數(shù)據(jù)含有發(fā)射線框、發(fā)射電流、接收線圈、疊加次數(shù)、接收增益等諸多因素的影響，必須進行歸一化處理[2]。資料處理流程如圖2。

2.2 資料解釋

瞬變電磁資料的處理工作和解釋工作是同時進行的，它們之間存在一種從實踐到認識的提升過程。瞬變電磁資料的解釋主要依據(jù)單點數(shù)據(jù)結(jié)合整條測線的視電阻率等值線斷面圖對測區(qū)內(nèi)地層、煤系地層的富水情況及灰?guī)r巖溶發(fā)育情況進行解釋。

1）根據(jù)相關(guān)巖石的地球物理特征，在視電阻率擬斷面圖上根據(jù)視電阻率等值線形態(tài)，推斷地層空間形態(tài)；

2）圈出圍巖相對低阻異常范圍，推斷其空間位置；

3）根據(jù)地層的含水特征推斷異常的富水狀況；

4）結(jié)合已有地質(zhì)資料和鉆孔資料，定性分析推斷的富水異常、富水類型及富水區(qū)的分布和規(guī)模；

5）根據(jù)確定的富水巖層、導水斷層、陷落柱和巖溶的電磁異常特征，推斷未知地區(qū)的異常。

圖2 資料處理流程

6）將視電阻率等值線斷面圖與不同標高視電阻率水平切片圖結(jié)合，解釋圈定電法異常在視電阻率水平切片上的展布。對有異常反應的區(qū)域在平面位置上進行圈定和組合，初步確定富水異常區(qū)的范圍；然后與視電阻率等值線斷面圖進行對比分析，進一步確定富水區(qū)的分布范圍及賦存形態(tài)，并繪制出綜合解釋圖。

3 應用效果

3.1 巖溶溶洞富水區(qū)和巖溶裂隙富水區(qū)

川南某無煙煤礦床，小窯開采歷史悠久。采用瞬變電磁勘探與水文地質(zhì)工作結(jié)合，通過瞬變電磁勘探成果和已有地質(zhì)資料分析，確定了暗河、疑似陷落柱和含水異常帶的分布等。

圖3 視電阻率等值線斷面圖

工作區(qū)地層有第四系，三疊系飛仙關(guān)組，二疊系宣威組、峨眉山玄武巖、茅口、棲霞組等。第四系坡、殘積和沖、洪積物多分布在坡麓、低洼地、溝谷及河床邊灘，不整合于各時代地層之上，厚度不大，導電性能強，呈低阻反映。飛仙關(guān)組主要以砂巖、泥巖為主，電阻率呈低阻反應，該地層富水或破碎區(qū)域視電阻率較低。峨眉山玄武巖在節(jié)理不發(fā)育的情況呈高阻反應，勘探區(qū)內(nèi)玄武巖層厚較薄、節(jié)理較為發(fā)育，其電阻率值比正常值偏低，呈中高阻反應。茅口灰?guī)r在巖溶不發(fā)育的情況下呈高阻反應，在巖溶發(fā)育的情況根據(jù)富水情況呈中低或低阻反應。

通過數(shù)據(jù)處理，繪制視電阻率等值線斷面圖（圖3、圖4）?？梢钥闯?，低阻異常區(qū)Ⅰ和低阻異常區(qū)Ⅱ（圖 3）均發(fā)育在茅口灰?guī)r中。從形態(tài)可以看出，低阻異常區(qū)Ⅰ為獨立發(fā)育的巖溶溶洞富水區(qū)，可能是由于巖溶溶洞發(fā)育所致；低阻異常區(qū)Ⅱ為串連發(fā)育的巖溶裂隙富水區(qū)，可能是由于該處含水裂隙較為發(fā)育所致。

低阻異常區(qū)Ⅱ接近地表，通過水文地質(zhì)調(diào)查，該處地下水主要是溪溝水經(jīng)過棲霞灰?guī)r的落水洞成為地下水，徑流一段距離后又以巖溶泉或暗河出口泄出地表，地下水位標高510～530m。由于礦井回風斜井落平標高+455m，低于上述地下水集中排泄區(qū)的標高，在降落漏斗形成并擴展時，將疏排地下水，從而引起勘探區(qū)域地下水位下降，改變其地下水流場，將以礦井回風井標高+455m作為排泄地。預計礦井回風井水量甚大，有可能產(chǎn)生突水、淹井事故，成為重要水害。

圖4 視電阻率等值線斷面圖

3.2 斷層反映

如圖4所示，在高程約445～480m、點號550～800之間，宣威組地層中存在一低阻異常區(qū)Ⅲ。宣威組為煤系地層，以泥巖、砂巖、粘土巖為主。根據(jù)鉆孔資料，該處揭露隱伏斷層f15，在該斷層影響下，巖石破碎，形成斷層擠壓破碎帶，溝通了地表水體的通道，進而形成裂隙富水區(qū)帶[6-7]。該富水區(qū)具有富水性不均一、富水性弱等特點，但由于低阻異常區(qū)Ⅲ在垂直標高上有一定發(fā)育，推斷其裂隙可能和地表水體有水力聯(lián)系。巷道施工靠近此類異常區(qū)需提前探查，以防裂隙導通此類富水異常區(qū)而產(chǎn)生突水事故。

3.3 暗河發(fā)育情況和受斷層影響裂隙富水區(qū)

川南某礦井位于四川盆地與云貴高原的過渡地帶，河谷切割強烈，水文地質(zhì)條件復雜，曾進行過不同程度的地質(zhì)及水文地質(zhì)勘查工作。區(qū)內(nèi)地層最老為茅口棲霞組，最新為第四系全新統(tǒng)。斷層較發(fā)育，溶洞、漏斗、溶丘、溶蝕洼地、槽谷等巖溶地貌發(fā)育齊全，形態(tài)各異，暗河管道系統(tǒng)十分復雜。為進一步查明勘探區(qū)域范圍內(nèi)的地下承壓水賦存情況，查清巖溶、疑似陷落柱、暗河、富水區(qū)（帶）的分布，在勘探區(qū)內(nèi)開展了水文地質(zhì)專項勘查和瞬變電磁勘探工作。

圖5 視電阻率水平切片圖

經(jīng)瞬變電磁法勘探，查出暗河影響區(qū)域位于工區(qū)西北端的棲霞茅口組地層中，影響區(qū)域由上至下由北向南擴大（圖5）。推測暗河走向為北東東，流向為北東東向南西西方向。暗河富水區(qū)底板低于暗河排泄口標高，在暗河影響區(qū)內(nèi)巖石破碎，富水性極強。另外，暗河影響區(qū)域鄰近斷層F27末端，與受F27斷層末端影響的低阻異常區(qū)Ⅱ關(guān)系緊密，在裂隙和小溶洞連通下，兩個異常區(qū)含水體相互補給。

通過對勘探區(qū)進行瞬變電磁勘探，進一步驗證了以往地質(zhì)推斷的暗河的存在，且基本查出了部分暗河的分布和運動軌跡。另外，加深了斷層F27的認識。斷層F27尾部位于勘探區(qū)內(nèi)茅口棲霞地層，在該斷層的影響下，茅口棲霞地層巖體破碎，裂隙非常發(fā)育。且在勘探區(qū)北部，發(fā)育一暗河，該暗河與斷層造成的裂隙相互連通，使得勘探區(qū)內(nèi)，茅口棲霞地層富水性強，在復雜的構(gòu)造作用下形成了一個區(qū)域范圍較大的巖溶富水區(qū)，區(qū)內(nèi)溶洞（圖5 低阻異常區(qū)Ⅲ）和裂隙（圖5 低阻異常區(qū)Ⅱ）均發(fā)育，對巷道掘進和煤層回采造成較大影響。

4 結(jié)論

瞬變電磁法具備測地工作簡單、工作效率高、分層能力強、對低電阻率地質(zhì)目標體反應敏感等特點，結(jié)合水文地質(zhì)調(diào)查資料，更能較好地反映地下地質(zhì)異常體、探測巖溶發(fā)育帶，為煤礦水害防治提供可靠地質(zhì)依據(jù)。

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