瞬變電磁在水害防治中的研究

郭然

摘 要：本文就主要通過(guò)對(duì)瞬變電磁法在水害防止中進(jìn)行相關(guān)的研究和探討，希望給業(yè)內(nèi)人士提供一些參考性的建議和意見(jiàn)。

關(guān)鍵詞：瞬變電磁法；水害；防治；電阻率；采空區(qū)；積水；富水區(qū)

中圖分類號(hào)：P631 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1.概述

（1）瞬變電磁法

瞬變電磁法，又被叫作時(shí)間域電磁法，簡(jiǎn)稱為TEM或TDEM，這種方法是在通過(guò)進(jìn)行時(shí)間域采用電磁感應(yīng)的模式來(lái)進(jìn)行的人工探測(cè)方法。主要的應(yīng)用原理就是通過(guò)不接地回線或接地源來(lái)向檢測(cè)的位置發(fā)射一定的電磁波磁場(chǎng)，通過(guò)激發(fā)的條件下，地下的土壤通過(guò)感受到磁場(chǎng)的感應(yīng)而產(chǎn)生的時(shí)間變化的電磁場(chǎng)就是瞬變電磁法。而且這個(gè)產(chǎn)生的信號(hào)來(lái)源和地下的土壤結(jié)構(gòu)有著之間的關(guān)聯(lián)，通過(guò)對(duì)電磁場(chǎng)隨著時(shí)間的變化范圍和規(guī)律等，就能夠真正解決地下煤礦的地質(zhì)問(wèn)題和水質(zhì)等情況。

瞬變電磁法主要是在一定的背景條件下研究二次場(chǎng)的電磁方法，這主要是對(duì)所研究的對(duì)象進(jìn)行差異變化的研究。同時(shí)，這種研究方法也有很多優(yōu)點(diǎn)，安裝輕便、效率高、成本低和不容易受到外界影響等，所以現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到了金屬礦和煤礦的勘探勘察中，同時(shí)也被應(yīng)用在了地下水和采空區(qū)等區(qū)域的研究范圍之內(nèi)。由于瞬變電磁法的本身性質(zhì)，所以不應(yīng)該長(zhǎng)時(shí)間地在高壓輸變電線路和鐵路的附近進(jìn)行探測(cè)工作，根據(jù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范來(lái)選擇合適的位置進(jìn)行探測(cè)工作。

2.資料處理研究

經(jīng)過(guò)我們進(jìn)行處理分析和眾多過(guò)程之后才能進(jìn)行野外采集的地質(zhì)結(jié)果。這些通過(guò)野外進(jìn)行采集的數(shù)據(jù)受很多方面的影響，通常存在發(fā)射線框、發(fā)射電流和疊加次數(shù)等原因條件，因此需要我們進(jìn)行歸納整理。而且，在進(jìn)行資料的采集過(guò)程中，我們已經(jīng)完全考慮到外界的影響因素，通過(guò)壓力和赫茲等因素來(lái)進(jìn)行信號(hào)干擾，但是由于擾亂因素不夠條件，因此需要我們?cè)偻ㄟ^(guò)不同的方法來(lái)進(jìn)行噪音的消除工作，接下來(lái)再進(jìn)行相應(yīng)的研究和計(jì)算。

事實(shí)上，我國(guó)大多數(shù)的瞬變電磁法都是通過(guò)在水平層狀模型上來(lái)進(jìn)行的計(jì)算和演示，通常采用的是在一維模型上進(jìn)行的計(jì)算，而且這也是目前較為成熟的做法。因?yàn)樵诙S和三維模型上進(jìn)行的瞬變電磁法有很多的影響因素，所以一維模型上的電磁方法仍然是大多數(shù)采用的反演方式和計(jì)算方法。

由于我們需要在煤礦進(jìn)行瞬變電磁勘測(cè)法，存在較大的特殊性，有較強(qiáng)的干擾因素，所以在大多數(shù)的地區(qū)還不是很適合這種勘探方法，所以，我們要了解地區(qū)的特點(diǎn)和相關(guān)的規(guī)范模式，在進(jìn)行有針對(duì)性的勘探技術(shù)方法，以保證煤礦勘探技術(shù)的質(zhì)量和效率。

3.瞬變電磁法在水害防治中的應(yīng)用實(shí)例

3.1 電力線干擾區(qū)

小煤窯也是煤礦開(kāi)采區(qū)的重點(diǎn)研究地區(qū)，例如我國(guó)晉北地區(qū)的煤礦井來(lái)看，隨機(jī)調(diào)查的小煤窯采空情況，調(diào)查結(jié)果都不是很樂(lè)觀，精準(zhǔn)度不高的數(shù)據(jù)給我們的調(diào)查帶來(lái)了麻煩，而且小煤窯下方存在好多積水，也給日后的開(kāi)采和地質(zhì)勘查帶來(lái)了很多的麻煩，容易發(fā)生安全事故。

測(cè)試的地區(qū)為丘陵地帶，地下存在著大面積的溝谷，而且地形簡(jiǎn)單，地層走向近東西，傾向南，有小于2°的傾斜角度，平面接近于水平狀態(tài)，勘探的礦質(zhì)為11號(hào)煤層，存在于230m深的地下范圍。礦區(qū)存在著多種地層，分別是寒武系、二疊系、石炭系、侏羅系和第四系等地層，但由于上部的層系由南向北逐漸減小，所以石炭系和侏羅系的區(qū)域?yàn)橹饕拿旱V存在地層，但只有后者為井田的主要含煤地層。

由于測(cè)試區(qū)的南部存在380V的電力線，所以此處的資料數(shù)據(jù)受到50Hz的頻率電流所干擾，但是通過(guò)疊加次數(shù)的增加和雙極性矩形賣場(chǎng)電流源等可以有效地進(jìn)行噪音的消除，從而來(lái)滿足電動(dòng)勢(shì)不斷減小的要求。

經(jīng)過(guò)信息數(shù)據(jù)的處理之后，我們采取到了11號(hào)煤層周邊的數(shù)據(jù)信息，然后制作成了視電阻率的平面圖。從這張圖中可以看出，電阻低的位置存在于南部的東西兩頭，而高電阻存在測(cè)試區(qū)的北面。所以我們可以斷定高電阻所處的北側(cè)的煤礦地質(zhì)含水性不是很高。而南部地區(qū)的電阻異常的低，所以很容易使存在較高的含水量，這就需要我們?nèi)粘＜訌?qiáng)對(duì)南部地區(qū)的例行檢查，從而有效地避免煤礦安全隱患的發(fā)生。

3.2 復(fù)雜地形區(qū)

這個(gè)地區(qū)所調(diào)查的地形與3.1中的地層極為相似，但是不同點(diǎn)在于此地層的石炭系有可能是含煤地層。所屬地形成為一個(gè)四邊形，由于考慮到異常的追蹤對(duì)比及施工方便性來(lái)看，將測(cè)試區(qū)延伸擴(kuò)大了。

瞬變電磁法劃定的低阻異常區(qū)與礦方后來(lái)提供的調(diào)查采空區(qū)重合得較好，但又體現(xiàn)出不同，那就是沿地層走向，低阻異常區(qū)有所延伸，沿地層傾向則有所回縮。這是由于地層沿走向高程變化平緩，沿傾向則有明顯的降低，積水會(huì)向地勢(shì)低的地方匯聚和滲透，以致該處地電阻率數(shù)值偏低?；诖耍茢嗖煽諈^(qū)有積水。因此，我們需要在此處進(jìn)行相關(guān)的防治水害措施，以避免水害現(xiàn)象的發(fā)生，但是在進(jìn)行相關(guān)措施的同時(shí)也要保證11號(hào)煤的有效利用和余下煤炭資源能為3號(hào)煤的開(kāi)采提供有利的條件和相關(guān)價(jià)值依據(jù)。

3.3 戈壁地區(qū)

由于戈壁地區(qū)是嚴(yán)重的缺水區(qū)域，所以在礦區(qū)的生活和生產(chǎn)中水是重要的必須資源，但是礦區(qū)仍然會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的水害安全事故現(xiàn)象。新疆曾在某年發(fā)生了用水潰砂事故，事故的發(fā)生給礦區(qū)帶來(lái)了巨大的損失，大量的經(jīng)濟(jì)消耗和人身安全遭到了損傷，使得礦區(qū)不得不停止了生產(chǎn)。事故發(fā)生之后，礦區(qū)負(fù)責(zé)人員立刻對(duì)所發(fā)生事故的地區(qū)進(jìn)行了檢查和評(píng)價(jià)分析，查明了事故的發(fā)生原因，及時(shí)地進(jìn)行了解決，通過(guò)地面的瞬變電磁法進(jìn)行了及時(shí)勘探，結(jié)合了水文地質(zhì)的配合和事故原因的分析，從而有效地避免了日后戈壁地區(qū)發(fā)生水害事故現(xiàn)象的發(fā)生。

野外數(shù)據(jù)采集使用V5多功能電磁勘探系統(tǒng)。針對(duì)地質(zhì)條件、精度要求并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，采用400m×400m發(fā)射線圈及20m×20m的基本測(cè)網(wǎng)密度，對(duì)發(fā)現(xiàn)的異常區(qū)域不僅重復(fù)測(cè)量核實(shí)，還把異常區(qū)測(cè)點(diǎn)加密至10m×10m。圖一是該測(cè)區(qū)120m深度（煤層頂板附近）視電阻率平面圖，點(diǎn)線距均為20m。圖中標(biāo)出了3個(gè)低阻異常區(qū)，其中I號(hào)異常區(qū)與事故位置相吻合，該處放水量平均3000m3/d。從視電阻率平面分布圖推測(cè)I、II號(hào)異常有可能是連通的，并且還有可能與III號(hào)異常區(qū)相連通。由于無(wú)小窯采空區(qū)，推測(cè)水源是新近系、第四系底部含水從測(cè)區(qū)北緣西部和東緣北部進(jìn)入測(cè)區(qū)，經(jīng)滲透等作用把幾個(gè)富水區(qū)連為一體。基于物探工作成果并考慮巷道布置，在II號(hào)異常區(qū)域內(nèi)兩待開(kāi)拓巷道交叉點(diǎn)處，礦方布置了探放水鉆孔Zk，其排水量平均1000m3/d，且與事故點(diǎn)排水量有同步變化的關(guān)系，證實(shí)了異常的存在。

結(jié)語(yǔ)

總而言之，對(duì)于地下煤礦的勘探工作來(lái)說(shuō)，瞬變電磁法始終都是水文地質(zhì)調(diào)查的重點(diǎn)研究方法，它能夠及時(shí)地勘探出水害發(fā)生的原因和具體情形，這對(duì)有效地避免了煤礦水害現(xiàn)象的發(fā)生，保證了煤礦生產(chǎn)的安全和人身健康問(wèn)題有著重要的研究意義。

參考文獻(xiàn)

[1] AA考夫曼，GV凱勒.頻率域和時(shí)間域電磁測(cè)深[M].北京：地質(zhì)出版社，1987.