瞬變電磁法探水在新裕煤礦中的應(yīng)用

王宗林，牟鐵超，陶永文，梁 冰，蘭 波

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧阜新 123000;2.大同煤礦集團朔州煤電公司，山西 懷仁 038300;3.東北煤田地質(zhì)局一0七勘探隊，遼寧阜新 123000)

0 引言

瞬變電磁法是一種時間域的電磁勘探方法，這種方法最早由20世紀(jì)30年代的蘇聯(lián)科學(xué)家提出，我國直到70年代才開始開展瞬變電磁的研究工作，近些年來，瞬變電磁法以其施工方便，節(jié)約成本，勘探速度快等特點迅速在煤礦地面和井下勘探采空積水領(lǐng)域中得到應(yīng)用。新裕煤礦為資源整合礦井，其南部資源即將采完，為保證生產(chǎn)的正常接續(xù)，決定向北部開拓。由于北部周圍分布著資源整合時關(guān)閉的小窯，地質(zhì)情況不明，可能含有采空積水，因此采用瞬變電磁法對該地區(qū)進行勘測，查明采空積水分布情況。

1 瞬變電磁法工作概述

1.1 瞬變電磁法基本原理

瞬變電磁法亦稱時間域電磁感應(yīng)法，是利用不接地回線(磁偶源)或接地電極(電偶源)向地下發(fā)送一次脈沖場，在一次場間歇期間，利用另一回線或?qū)Ｓ锰筋^測量由地下介質(zhì)產(chǎn)生的感應(yīng)電場，即二次場。該二次場是由地下的不同導(dǎo)電介質(zhì)受一次場激勵引起的渦流產(chǎn)生的非穩(wěn)定電磁場，與地下介質(zhì)有關(guān)。根據(jù)觀測到的二次場，通過觀察其衰減特征和資料處理，可以判斷地下地質(zhì)體與介質(zhì)分布特征、電性、規(guī)模和產(chǎn)狀等［1-3］。

由于介質(zhì)的歐姆損耗，這一感應(yīng)電流將迅速衰減，由它產(chǎn)生的磁場也隨之迅速衰減，這種迅速衰減的磁場又在其周圍的地下介質(zhì)中感應(yīng)出新的強度更弱的渦流［4，6-9］。渦流場在大地中以擴散形式傳播，在這一過程中由于趨膚效應(yīng)，高頻部分主要集中在地表附近，且其分布范圍是源下面的局部，較低頻部分傳播到深處，且分布范圍逐漸擴大［5-11］。其傳播速度和深度為:

瞬變電磁法所觀測的二次場包含地下地質(zhì)體豐富的地點信息，因此對視電阻率和瞬變電磁場隨時間的變化規(guī)律的研究，可得出地下地質(zhì)體的分布情況，但瞬變電磁法野外勘探采集的數(shù)據(jù)的感應(yīng)電動勢，須將感應(yīng)電動勢轉(zhuǎn)化為視電阻率，其轉(zhuǎn)換公式為:

式中:

ρτ——視電阻率(Ω·m);

u0=4π ×10-7亨/m;

ST——發(fā)送回線面積(m2);

SR——接收線圈面積(m2);

t——測道時間(s);

V(t)/I——歸一化感應(yīng)電動勢的瞬變值(mV)。

1.2 瞬變電磁法地形校正分析

雖然瞬變電磁法與其他電法勘探相比受地形影響較小，但是研究地區(qū)往往地形復(fù)雜，地勢起伏較大，這將影響瞬變電磁法勘探結(jié)果的解釋。

瞬變電磁法接收的是純二次場，當(dāng)接收線圈敷設(shè)在傾斜大地上，線圈中心點接收的地下地質(zhì)信息是中心點垂直于地面的法線方向的信息，而在資料解釋中則誤認為該信息為中心點地面垂線方向，如果接收線圈敷設(shè)在水平大地上，則中心點垂直于地面的法線與中心點垂線重合，接收的地質(zhì)信息能準(zhǔn)確反映該點的地質(zhì)體分布［10-11］(圖1)。

圖1 地形校正原理圖Fig.1 The principle diagram of the terrain correction

地形校正是將每個觀測點在法線方向上的不同視深度的點電阻率投影到垂線方向上。根據(jù)圖2所示，推導(dǎo)出地形校正計算公式:

式中:ρs——校正后的視電阻率。

2 新裕煤礦地質(zhì)情況

2.1 地層

新裕煤礦位于大同煤田的中部東緣地段，大同向斜的中東翼邊緣。該煤田出露的地層由老到新有:太古界集寧群，古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二迭系，中生界侏羅系、白堊系、新生界第三系、第四系。井田內(nèi)部分被第四系黃土所覆蓋，部分范圍內(nèi)有基巖零星出露。

新裕煤礦井田內(nèi)主要含煤地層為石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)、石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)和二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)。

2.2 地球物理基礎(chǔ)

由新裕煤礦已掌握的資料上看，煤層的視電阻率在90Ω·m左右，而圍巖(泥巖、砂巖等)的電阻率約為70Ω·m左右。詳細的巖層的電性特征見表1。

表1 主要巖層的電性特征Table 1 Main electrical characteristics of the rock

從表1中可以看出不同巖層的電性有較為明顯的差異，特別是在煤層與砂巖裂隙帶之間，這是本次瞬變電磁勘探的地球物理基礎(chǔ)。

3 新裕礦瞬變電磁探水工程概況

3.1 工程布置

本次瞬變電磁探水工作采用的是中心回線裝置，工作區(qū)域網(wǎng)度40m×20m，共布置了21條測線，測線由南向北編號依次為21～41號。該工作區(qū)域內(nèi)，無大型變電站和高壓電線，建筑物較少，僅有一條公路在本區(qū)域穿過。

3.2 數(shù)據(jù)處理

本次瞬變電磁勘探數(shù)據(jù)處理采用是中國礦業(yè)大學(xué)自主研發(fā)的RUSSIA1.1版瞬變電磁數(shù)據(jù)處理軟件。并對采集的數(shù)據(jù)逐點檢查、編輯、統(tǒng)計并進行適當(dāng)?shù)膱A滑和濾波處理，在一定程度上壓制和剔除干擾，突出有用信號(圖2、3)。將所得有用數(shù)據(jù)利用SURFER軟件繪制視電阻率剖面圖和順層切片圖。

圖2 原始數(shù)據(jù)的二次場衰減曲線Fig.2 The secondary field diminishing curve of original data

圖3 圓滑濾波處理后的二次衰減曲線Fig.3 The secondary field diminishing curve of smooth filtering processing

3.3 TEM剖面圖分析

圖4為21線的TEM斷面圖，據(jù)該測線66號測點附近的鉆孔ZK-3的資料顯示，表層第四系覆蓋層埋深下存在一層風(fēng)化煤，埋深6.45m，其下為煌斑巖。結(jié)合其他鉆孔資料，分析此煤層亦為天然焦遭受風(fēng)化所致，測井曲線此段無電阻率測量記錄，根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗和一般規(guī)律，風(fēng)化煤的電阻率和天然焦類似，電阻率很低甚至接近0Ω·m。距地面35.7m處出現(xiàn)采空區(qū)，厚度約為1.4m。該圖右側(cè)顯示有一低阻異常，視電阻率普遍低于20Ω·m，局部甚至接近0Ω·m，為強富水區(qū)，異常范圍從59號點直至剖面邊界75號點，其中59～63號點的低阻異常縱向延伸較深，達8#煤層，形成由淺至深的縱向低阻異常帶。推斷此處淺部的低阻異常系由風(fēng)化煤和采空區(qū)積水共同影響形成，而縱深方向的低阻異常帶為一斷層構(gòu)造所形成的破碎帶含水以及8#煤層采空區(qū)積水所致。

由21號線開始，向北的22～25號測線的斷面圖中的異常區(qū)和21號測線基本一致。再向北部的26、27號測線的斷面圖低阻異常已不明顯，深部也僅局部有低阻異常分布。說明此處為富水區(qū)的邊緣。

在27線的中部偏西，即42～50號點間，出現(xiàn)了一U型低阻異常帶，其視電阻率值低于100Ω·m，該異常帶從27～30測線連續(xù)存在，且向北逐漸降低，至30線已降至40Ω·m即由中等富水區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)閺姼凰畢^(qū)。對25線44和45號測點間的鉆孔(ZK-2)資料分析，此處的5#煤已采空，而此U型區(qū)地勢相對較低，推測該U型異常帶為采空區(qū)積水所致，積水量由南向北逐漸增大(圖5)。

3.4 TEM順層切片圖分析

根據(jù)鉆探資料提供的5#和8#煤層底板等高線，在對各測線數(shù)據(jù)進行地形校正后，分別繪制5#煤層和8#煤層的視電阻率順層切片圖，對兩個煤層的順層切片圖進一步分析，可得出異常范圍沿煤層的分布狀況。

圖4 新裕煤礦21號線TEM斷面圖Fig.4 The 21 line profile of Xinyu coal mine

圖5 新裕煤礦27號線TEM斷面圖Fig.5 The 27 line profile of Xinyu coal mine

圖6中東南部的低阻異常影響深度大且異常幅值低，最低值不足8Ω·m，與圍巖的差異顯著，為顯著強富水區(qū)。此區(qū)域內(nèi)的3號鉆孔(ZK3)和附近的5號鉆孔(ZK5)資料顯示，4#煤已風(fēng)化，為低阻反映;5#煤層采空，也為低阻反映。推測此低阻異常區(qū)為采空區(qū)積水與低阻風(fēng)化煤共同影響所致，同時根據(jù)礦區(qū)防治水工作的要求，將5#煤層層劃分為強富水區(qū)、中富水區(qū)、弱富水區(qū)和非富水區(qū)。其中東南部存在低于40Ω·m的強富水區(qū)，富水面積約為41926 m2;西北部存在兩處低于62Ω·m的中等富水區(qū)域，富水面積約為12706 m2，62～100Ω·m的弱富水區(qū)面積約為87317 m2，無水采空區(qū)面積約為133823 m2。

圖7 新裕煤礦8號線TEM順層切片圖Fig.7 The 8#line TEM bedding section graph of Xinyu coal mine

圖7中僅在東南部出現(xiàn)一個低阻異常區(qū)，位置與5#層的低阻異常區(qū)一致，只是在范圍上有所縮小，但是其視電阻率仍小于8Ω·m，推斷該區(qū)域為強富水區(qū)，面積約為32494m2。根據(jù)地質(zhì)資料，此區(qū)域為原楊樹灣礦區(qū)，該區(qū)域的8#煤層已局部開采，因此推斷此區(qū)域為采空區(qū)積水所致。

4 結(jié)論

綜合分析TEM剖面圖和順層切片圖，結(jié)合鉆孔資料，推測東南部低阻異常區(qū)域可能存在含水?dāng)鄬樱妥璁惓５淖呦蚣礊榇藬鄬拥淖呦?，大致為北東向，斷層面的傾向為北西向。后經(jīng)礦方在掘進打鉆驗證，5#層和8#層?xùn)|南部低阻異常區(qū)存在采空積水，說明瞬變電磁法勘測采空積水是一種經(jīng)濟有效的勘探方法。

瞬變電磁法在復(fù)雜地形中實施時，應(yīng)當(dāng)注意地形起伏對勘探數(shù)據(jù)的影響，在坡度較大的地形中勘探時，應(yīng)對采集的原始數(shù)據(jù)進行地形校正，從而給出準(zhǔn)確的資料解釋。

［1］牛之璉.時間域電磁法原理［M］.長沙:中南工業(yè)大學(xué)出版社，1992.NIU Zhilian.The principle of Time domain electromagnetic method［M］.Changsha:Journal of Central South University of Technology Press，1992.

［2］樸化榮.電磁勘探法原理［M］.北京:地質(zhì)出版社，1990.PU Huarong.The principle of electromagnetic prospecting method［M］.Beijing:Geological Press，1990.

［3］傅茂朝.瞬變電磁法原理及應(yīng)用［J］.軍工勘察，1996，2:55-56.FU Maochao.The principle of transient electromagnetic method and application［J］.Military Reconnaissance，1996，2:55-56.

［4］周先勝，昌修林.瞬變電磁法在礦井水文探測中的應(yīng)用［J］.煤礦現(xiàn)代化，2006，3:63.ZHOU Xiansheng，CHANG Xiulin.The application of transient electromagnetic method in mine hydrogeological survey［J］.Coal Mine Modernization，2006，3:63.

［5］成劍文.瞬變電磁法在煤礦應(yīng)用中的研究［D］.太原理工大學(xué)，2007，5.CHENG Jianwen.Researcheson the application of transient electromagnetic method in coal minging［D］.Taiyuan University of Technology，2007，5.

［6］劉樹才，岳建華，劉志新.煤礦水文物探技術(shù)與應(yīng)用［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2005.LIU Shucai，YUE Jianhua，LIU Zhixin.Geophysical exploration technology ofcoalmine hydrology and application［M］.Xuzhou:China University of Mining Technology Press，2005.

［7］李貅.瞬變電磁測深的理論與應(yīng)用［M］.西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2002.LI Xiu.The theory and application of transient electromagnetic method［M］.Xi’an:Sanxi Science and Technology Press，2002.

［8］郭崇光，田衛(wèi)東.瞬變電磁法在山西采空區(qū)探測中的應(yīng)用［J］.山西煤炭，2003，13:25.GUO Chongguang，TIAN Weidong.The application of TEM in goaf detection of Sanxi［J］.Sanxi Coal，2003，13:25.

［9］路軍臣，蘇維濤，張濟懷.瞬變電磁法在探測小窯采空區(qū)中的應(yīng)用［J］.河北煤炭，2002，2:25-27.LU Junchen，SU Weitao，ZHANG Jihuai.Application of transient electromagnetic method in gob surveying［J］.Heibei Coal，2002，2:25-27.

［10］薛云峰，孫曉暾，孫雅芳.瞬變電磁電阻率成像法探測巖體滲漏通道的研究及應(yīng)用［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2004(3):96-98.XUE Yunfeng，SUN Xiaotun，SUN Yafang.Transient electromagnetic resistivity imaging formation in detecting rock seepage passage［J］.Hydrogeology ＆ Engineering Geology，2004(3):96-98.

［11］時晗.綜合物探方法在厚覆蓋層地區(qū)勘查地下水源的應(yīng)用實例［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2005(5):101-104.SHI Han.The application of comprehensive geophysical prospecting in the exploration of underground water thick overburden areas［J］.Hydrogeology ＆ Engineering Geology，2005(5):101-104.