瞬變電磁法在煤礦斷層導水性勘查中的應用

杜賢軍

(山東省煤田地質(zhì)局第五勘探隊，山東 泰安 271000)

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瞬變電磁法在煤礦斷層導水性勘查中的應用

杜賢軍

(山東省煤田地質(zhì)局第五勘探隊，山東 泰安 271000)

煤礦斷層導水是引起煤礦水害問題的主要因素之一，對煤礦斷層的導水性勘查與評價是煤田水文地質(zhì)研究中的重要課題，也是煤礦采區(qū)布置與安全開采必須解決的問題。在煤礦開采初期查明礦區(qū)內(nèi)斷層構(gòu)造的空間分布及其含導水性，對指導煤礦安全生產(chǎn)具有重要的意義。在充分收集新安煤礦礦區(qū)地質(zhì)、水文及物探資料的基礎上，利用瞬變電磁技術，對區(qū)內(nèi)斷層等構(gòu)造的含導水性進行了勘查，取得了良好的效果，為煤礦的開采設計和施工提供了參考依據(jù)，有效地預防了煤礦開采過程中安全事故的發(fā)生。

斷層；瞬變電磁法；導水性；視電阻率

目前，運用煤礦斷層水文地質(zhì)評價的方法主要有：直流電測深、瞬變電磁法、CSAMT法。直流電測深受地形影響較嚴重，且定向性比較差，定量解析較困難；CSAM法雖然對斷層解釋效果較好，但效率低下，價格較高，一般不易被礦山接受[1-2]。實踐表明，瞬變電磁法是能夠查明煤礦導、含水地質(zhì)構(gòu)造，并是確定導水性和富水性狀況的重要方法[3-9]。瞬變電磁法在諸多方法中也是一種經(jīng)濟、快速、行之有效的地球物理方法,極具廣泛的應用前景。近年來，瞬變電磁法已成為煤礦水害勘探的重要方法，得到廣泛的應用。

1 瞬變電磁法勘探的基本原理

瞬變電磁法是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間，利用線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法。簡單地說，瞬變電磁法的基本原理就是電磁感應定律。其基本工作方法是：在地面或空中設置一定波形電流的發(fā)射線圈，從而在其周圍空間產(chǎn)生一次電磁場，并在地下導電巖礦體中產(chǎn)生感應電流，斷電后，感應電流由于熱損耗而隨時間衰減。衰減過程一般分為早、中、晚期。早期的電磁場相當于頻率域中的高頻成分，衰減快，趨膚深度小，而晚期成分則相當于頻率域中的低頻成分，衰減慢，趨膚深度大。通過測量斷電后各個時間段的二次場隨時間變化規(guī)律，可得到不同深度的地電特征。

這些變化的二次場是脈沖源所產(chǎn)生的渦流場在地下擴散過程中的地電介質(zhì)的電磁散射場，包含了豐富的地電信息。低阻地質(zhì)體如導水斷層能引起較強且衰減較慢的二次場，高阻體引起的二次場相對較弱[2]，通過對這些信息的分析及解釋，從而達到探測地下電性介質(zhì)的目的。瞬變電磁法具有體積效應小，橫向分辨力高，對低阻反應靈敏，與探測地質(zhì)體有最佳耦合，受旁側(cè)地質(zhì)體影響小的特點[10-22]。

2 勘探區(qū)地質(zhì)及地球物理特征

2.1 地層

新安煤礦為半裸露區(qū)，大部分地區(qū)被第四紀地層覆蓋，基巖主要出露于井田北部的溝谷及半山坡地帶。區(qū)內(nèi)地層由老到新依次為奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系、新近系、第四系。

奧陶紀中統(tǒng)馬家溝群：由灰、深灰色厚層狀石灰?guī)r組成，上部含鐵質(zhì)較高，為含煤地層的基底。

石炭紀中統(tǒng)本溪組：與奧灰呈不整合接觸，下部為淺灰色鋁質(zhì)泥巖，含星散狀黃鐵礦晶體；上部為具鮞狀或豆狀結(jié)構(gòu)的灰色鋁質(zhì)巖。

石炭紀上統(tǒng)太原組：石灰?guī)r、砂質(zhì)泥巖、泥巖或粉砂巖、泥巖、硅質(zhì)泥巖。

二疊紀山西組：本組整合于太原組地層之上，為該區(qū)主要含煤層段，巖性為灰、深灰色中厚層狀細粒石英砂巖、粉砂巖夾薄層狀泥巖、砂質(zhì)泥巖。

二疊紀上石盒子群：主要為粗粒砂巖，底部偶見細礫巖，局部為細粒砂巖或粉砂巖。

三疊紀劉家溝組：巖性為石英砂巖，局部為中粒砂巖。

新近系：由灰白色、紫紅色礫巖、砂巖、砂質(zhì)粘土和泥灰?guī)r組成。第四系：不整合于下伏各地層之上，由河床礫石及表土層組成。

本井田位于新安向斜的北翼，為一平緩的單斜構(gòu)造。區(qū)內(nèi)斷層全部為正斷層，有落差變化大、延展長度不遠的特點。斷層方向主要有NW向，其他方向次之，與礦區(qū)總體構(gòu)造基本一致。較大規(guī)模的斷層有F6斷層、F10斷層、F18斷層。

2.2 含水層

奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層：隱伏于含煤地層之下，厚300m左右，由石灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r及白云巖等組成，為區(qū)內(nèi)主要含水層組。

太原組灰?guī)r裂隙巖溶承壓含水層：太原組地層的下部和中上部夾多層薄層灰?guī)r，一般發(fā)育3層，厚度15.73m，為弱含水層。

山西組砂巖裂隙承壓含水層:多為中粒砂巖，平均厚度11.99m，裂隙不發(fā)育，為弱含水層。

下石盒子群砂巖裂隙承壓含水層：賦存多層灰、灰白色中粒—粗粒砂巖，平均總厚15.76m，裂隙不甚發(fā)育，屬于弱富水性含水層，含裂隙承壓水。

第四系砂、卵石孔隙潛水含水層：主要由粘土、砂質(zhì)粘土等組成，在局部地段分布，透水性弱，對礦井無影響。

2.3 地球物理特征

不同的巖石一般具有不同的電阻率，同一巖石的電阻率的大小也受很多因素影響，測區(qū)地層電性參數(shù)如表1所示。

表1 地層電性參數(shù)

在構(gòu)造發(fā)育帶附近，常出現(xiàn)層位錯動或者是地層產(chǎn)生揉皺變化，表現(xiàn)為橫向上視電阻率等值線不連續(xù)，在斷層位置等值線扭曲，在斷層兩側(cè)同一等值線存在一定落差[10-12]。而對于導含水斷層，在斷層位置，視電阻率明顯比周圍的地層視電阻率要小，且視電阻率等值線順著斷層傾向向低值方向扭曲。

在導含水斷層位置，如果斷層上段地層富含水，水就會沿著斷層向下方匯集，使斷層上、下方形成一個低阻通道，若下方巖層孔隙也比較發(fā)育時，斷層下方也會形成一個比較大的富水區(qū)。同理，如果斷層下段地層富含水，受水壓影響，斷層下方的水也會沿著斷層補給上方。判斷一個斷層是否為導水斷層，主要看是否存在導水通道，是否阻斷兩側(cè)的水力聯(lián)系。

3 方法技術

3.1 施工參數(shù)

(1)發(fā)射邊框的選擇：該區(qū)奧灰頂界面最大埋深約900m左右,考慮地形等因素，選用960m×960m的邊框。

(2)電流的選擇：當電流為20A時，曲線尾部數(shù)據(jù)沒有畸變點，能夠壓制背景噪聲，提高探測精度。

(3)發(fā)射頻率的選擇：當頻率為25Hz，6.25Hz時,不能滿足探測深度要求。而2.5Hz,曲線圓滑且能滿足探測深度的要求。

(4)積分時間的選擇：分別進行了8s，15s，30s積分時間的試驗。發(fā)現(xiàn)積分時間為8s時，曲線尾部出現(xiàn)微小的波動，說明8s的積分時間不能有效地壓制噪聲，積分時間為15s，30s時，曲線圓滑，最終選擇的積分時間為15s。

對斷層采用20m×5m網(wǎng)度進行控制，其中F10，F(xiàn)18斷層各布置測線15條，F(xiàn)6斷層布置測線20條，測線分別垂直所控制斷層。

3.2 資料處理

資料解釋是建立在資料處理后的感應電壓多測道斷面圖、視電阻率擬斷面圖的基礎上。在資料處理中對明顯不合理(隨機電磁干擾引起)的觀察值給予剔除，對測區(qū)高壓線、鐵器等的干擾結(jié)合班報，進行平滑濾波處理，保證采集的原始資料符合地質(zhì)規(guī)律。瞬變電磁資料解釋的主要依據(jù)為各條測線反演電阻率斷面圖及順層切片圖，將其反映的地電信息識別出來，并將其轉(zhuǎn)換成地質(zhì)語言，進行構(gòu)造導含水性的解釋。主要進行了濾波、圓滑、時深轉(zhuǎn)換、地形校正。

4 資料解釋

瞬變電磁法的資料的處理和解釋工作往往是同時進行的，在解釋時遵循從已知到未知、從點到面、從簡單到復雜、從局部到全局的原則。充分收集以往勘查區(qū)地質(zhì)、鉆探資料，充分考慮各種復雜因素對觀測結(jié)果的影響，依據(jù)地質(zhì)規(guī)律，認真分析探測目的體與賦存空間之間的物性差異性質(zhì)。瞬變電磁法實測曲線解釋中，著重分析含水地層的含水性與曲線衰減特性之間的內(nèi)在規(guī)律[13-15]。

4.1 F10斷層

F10斷層為正斷層，走向NE，傾向SE，傾角68°～70°，落差0～12m。區(qū)內(nèi)延展長度約280m。斷層垂向上上斷下石盒子群砂巖含水層，下斷奧灰。從圖1-A的視電阻率斷面分析：在斷層附近，在點號1600，標高500～700m位置,視電阻率等值線呈現(xiàn)一個“V”字型低阻異常，在斷層的上方存在一個相對低阻富水區(qū)，上方的水順著斷層向下方導通，使上方的富水區(qū)與下方的含煤地層以及深部的奧灰發(fā)生水力聯(lián)系，表明F10斷層為導、含水斷層。后根據(jù)礦山提供的井下掘進資料，F(xiàn)10斷層附近巖層裂隙發(fā)育，并在斷層附近形成了長期淋水區(qū)，說明斷層為含水斷層，并與上方存在補給關系，與推斷一致。

4.2 F18斷層

F18斷層為正斷層，走向NW，傾向SW，傾角65°～68°，落差0～15m。區(qū)內(nèi)延展長度約250m。斷層垂向上上斷下石盒子群砂巖含水層，下斷L7灰?guī)r。從圖1-B的視電阻率斷面圖來看，在點號1220～1240處視電阻率等值線橫向上有扭曲，瞬變

電磁響應特征明顯，電性出現(xiàn)錯動，推斷該異常為斷層的電性反映，但斷層位置，視電阻率等值線在斷層F18位置處“V”字型，且視電阻率明顯小于圍巖視電阻率，使上、下2個含水層發(fā)生了水力聯(lián)系。這是由于斷層F18的存在，使其周圍巖石破碎，裂隙發(fā)育，使上方的水順著斷層向下方導通，使礦井水充填的結(jié)果[11]。

4.3 F6斷層

F6斷層為正斷層，走向NE，傾向SE，傾角74°，落差0～12m，區(qū)內(nèi)延展長度340m，如圖1-C所示，F(xiàn)6斷層位置視電阻率等值線無明顯變化，但是斷層上、下方視電阻率梯度變化較大，說明這兩個位置相對富水，但因斷層填充物較為致密、膠結(jié)性比較好，推斷F6斷層是含水但不導水斷層。

A—F10斷層；B—F18斷層；C—F6斷層圖1 斷層在瞬變電磁剖面上的顯示

5 結(jié)論

(1)結(jié)合區(qū)內(nèi)已有資料，查明了區(qū)內(nèi)斷層的含、導水性，取得了良好的效果，給礦山施工提供了參考依據(jù)，驗證了瞬變電磁法在煤礦斷層含、導水性的勘探有效性。

(2)含水、導水的斷層，斷層上、下方發(fā)生水力聯(lián)系，在視電阻率斷面上，斷層位置、視電阻率呈現(xiàn)相對低阻，且等值線梯度變化較大。

(3)對于不導、含水性的斷層，視電阻率斷面上，斷層位置、視電阻率等值線變化平緩，斷層與圍巖的視電阻率差別不大。

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Application of Transient Electromagnetic Method in the Exploration of Water Conductivity in the Faults in Coal Mine

DU Xianjun

(No.5 Exploration Brigade of Shandong Coalfield Geological Bureau, Shandong Tai/an 271000, China)

Water conductivity in the faults in coal mine is major element which caused coal water problems. Exploration and evaluation of water conductivity in the faults in coal mine are an important research subject. It is also an issue which should be solved in safe coal mining and mining layout. In this paper, it is pointed out that the spatial distribution of fault structures in the exploration area in the early stage of coal mining and its water bearing capacity are of great significance to guide the safety production of coal mines. Based on collecting geological, hydrological and geophysical data of Xin'an coal mine, by using transient electromagnetic prospecting technology, water conductivity and water bearing have been explored and achieved good results. It will provide some references for the design and construction of coal mining, and effectively prevent the occurrence of safety accidents in coal mining process.

Fault; transient electromagnetic method; water conductivity; apparent resistivity

2016-12-26；

2017-01-18；編輯：曹麗麗 作者簡介：杜賢軍(1983—)，男，江西臨川人，工程師，主要從事地球物理勘探工作；E-mail：187315076@qq.com

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杜賢軍.瞬變電磁法在煤礦斷層導水性勘查中的應用[J].山東國土資源，2017,33(4)：59-62.DU Xianjun.Application of Transient Electromagnetic Method in the Exploration of Water Conductivity in the Faults in Coal Mine[J].Shandong Land and Resources, 2017,33(4)：59-62.