瞬變電磁法在長榆河煤業(yè)8號煤層富水性勘查的應(yīng)用研究

李志鋒

（山西潞陽煤炭投資經(jīng)營管理有限公司，山西 壽陽 045400）

1 工程概況

為了探查山西壽陽潞陽長榆河煤業(yè)有限公司主要含水層富水區(qū)的分布范圍和勘查區(qū)內(nèi)斷層的含、導(dǎo)水性以及老窯采空積水區(qū)和地質(zhì)構(gòu)造的導(dǎo)水性，為采掘工作提供地質(zhì)資料，擬采用瞬變電磁法在地面進行地下水勘查工作。該井田位于壽陽縣城北東約10°方向、直線距離15km處，壽陽－盂縣公路在井田北部經(jīng)過，距太舊高速公路約17km。井田位于太行山北端與晉中盆地之間的低山丘陵區(qū)，地表部份被黃土覆蓋，地形較為平緩，土梁與沖溝發(fā)育。地形總體東高、西低，最高點位于礦區(qū)東南角，標高為1454m，最低點位于西北部溝谷中，為1210m，最大相對高差244m。井田形態(tài)為一近東西向的刀把形（見圖1），東西長10000m，南北寬550-2150m，面積6.5624km2。井田主采8號煤，位于太原組頂部，上距6號煤層底板6.70～29.40m，平均 15.86m。上距 K7砂巖底 0－3.83m，平均1.94m。煤層厚度 1.00～2.60m，平均1.80m。結(jié)構(gòu)簡單，一般不含夾石。頂、底板為砂質(zhì)泥巖、泥巖、粗砂巖。該煤層在井田西北部被剝蝕，屬穩(wěn)定大部可采煤層。煤層底板標高+1270～+1110m。

圖1 勘查區(qū)范圍地形圖

2 施工準備

2.1 施工方法選擇與原理

根據(jù)此次地質(zhì)情況與實際要求，經(jīng)決定采用瞬變電磁法方法。瞬變電磁法[1],簡稱TEM,是一種時間域電磁感應(yīng)法，其工作原理主要是通過不接地回線或接地線源來向所勘查地區(qū)內(nèi)發(fā)送一次脈沖場，在一次脈沖場間歇期間再利用回線來接收感應(yīng)二次場，該二次場是由于地下良導(dǎo)體巖石受電磁波會產(chǎn)生一種不穩(wěn)定電磁場，通過對接受的二次場隨時間變化而產(chǎn)生的信號規(guī)律分析，來確定地下巖層導(dǎo)電性不均勻分布情況，對其進行分析可以得到地下低電阻異常區(qū)域的情況，以達到對所需地域探測的目的。瞬變電磁法對比別的方法有很多優(yōu)點，比較突出的優(yōu)點有以下方面：

1）瞬變電磁法對于導(dǎo)電圍巖和導(dǎo)電覆蓋層的分辨能力優(yōu)于別的方法，并且施工效率高，更適合勘探工作的需要。

2）在高阻圍巖條件下，沒有地形引起的假異常。

3）所得到異常的幅度大、形態(tài)簡單及受旁側(cè)影響小，提高了對地質(zhì)體的橫向分辨能力。

有限導(dǎo)電地質(zhì)體瞬變電磁響應(yīng)可以用一個具有電阻和電感的回線上的響應(yīng)相等效，回線中的感應(yīng)電壓V2（t）正比于二次磁場的時間導(dǎo)數(shù)。

式中：τ為衰減的時間常數(shù)。

2.2 儀器的選擇

結(jié)合本次勘查任務(wù)與實際地質(zhì)情況，決定采用加拿大產(chǎn)PROTEM 67D瞬變電磁勘探系統(tǒng)[2]。該電磁系統(tǒng)的可以在外部條件復(fù)雜與噪音干擾下，依然能完美的接受到地磁信號，且儀器動態(tài)范圍較大，可以根據(jù)所勘查區(qū)域內(nèi)的建筑及村莊來進行靈活的調(diào)節(jié)，以滿足不同地質(zhì)情況，由于本次所勘查區(qū)域范圍大，勘測深度較深，該儀器靈敏度較高，發(fā)射機電流較大，可以有效的接收地質(zhì)深部的電磁信號，完成本次勘查任務(wù)。

3 勘查結(jié)果與分析

3.1 順層擬等視電阻率切面圖分析

圖2 8號煤層底板上15m順層擬等視電阻率切面圖

圖2 是8號煤層底板上15m順層擬等視電阻率切面圖，其空間位置對應(yīng)于二疊系下統(tǒng)山西組砂巖裂隙含水層（K7）的位置，圖中是沿8號煤層底板上15m地層的視電阻率的變化分布，視電阻率由高到到低變化（圖中藍色到紅色變化），反映了砂巖裂隙發(fā)育沖水狀況，圖中電阻率高低只是在所勘查區(qū)域相對的高低，在裂隙發(fā)育帶的劃分上應(yīng)該在其基礎(chǔ)上。裂隙發(fā)育帶在順層擬等視電阻率切面圖上表現(xiàn)為視電阻率低的異常特征，即圍巖裂隙越大，含水量越多所測電阻率就會越小，因此上圖中可以分析得：勘查區(qū)中北部和西北部一帶存在范圍較大的低阻異常區(qū)，其他范圍內(nèi)存在有小范圍的不連續(xù)的低阻異常區(qū)，結(jié)合地質(zhì)資料及鉆探資料推斷為二疊系下統(tǒng)山西組砂巖裂隙含水層（K7）裂隙發(fā)育富水的反映。

圖3 8號煤層順層擬等視電阻率切面圖

圖3 是8號煤層順層擬等視電阻率切面圖，其空間位置對應(yīng)于8號煤層的位置，圖中是沿8號煤層的視電阻率的分布情況，藍色到紅色表示視電阻率從低到高的變化情況，反映了8號煤層采空充水的特征。采空充水帶在順層擬等視電阻率切面圖上表現(xiàn)為視電阻率低的異常特征，即采空充水性越強的地段電阻率值越小。從圖中可以看出：勘查區(qū)北部和東部有一些范圍較大的低阻異常區(qū)，勘查區(qū)其他范圍內(nèi)也存在有小范圍的不連續(xù)的低阻異常區(qū)。結(jié)合地質(zhì)資料及鉆探資料推斷其為采空充水的反映。

3.2 勘查區(qū)富水異常劃分及評價

從8號煤層底板上15m順層擬等視電阻率切面圖來看，主要低阻異常區(qū)位于勘查區(qū)中北部和西北部，通過對勘查區(qū)順層8號煤層底板上15m視電阻率統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)其視電阻率背景值在90Ω/m以上，結(jié)合鉆孔資料，判斷該層低阻異常應(yīng)主要考慮視電阻率小于50Ω/m的區(qū)域，但有部分高阻中的相對低阻的區(qū)域也為低阻異常區(qū)，據(jù)此劃分了低阻異常范圍，進而圈定出了二疊系下統(tǒng)山西組砂巖裂隙含水層（K7）富水異常區(qū)范圍，總體來看，二疊系下統(tǒng)山西組砂巖裂隙含水層（K7）富水異常區(qū)主要集中在中北部和西北部一帶，在勘查區(qū)其它區(qū)域有一部分不連續(xù)的富水異常區(qū)。

從8號煤層順層擬等視電阻率切面圖來看，勘查區(qū)的主要低阻異常區(qū)位于勘查區(qū)北部和東，通過對勘查區(qū)順層8號煤層底板視電阻率值統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)其視電阻率背景值在100Ω/m以上，結(jié)合鉆孔測井資料及鄰區(qū)資料，判斷該層位低阻異常應(yīng)主要考慮視電阻率小于60Ω/m的區(qū)域，但有部分高阻中的相對低阻的區(qū)域也為低阻異常區(qū)，據(jù)此劃分了低阻異常區(qū)范圍，繼而圈定了8號煤層采空充水富水異常區(qū)范圍，總體上看，在勘查區(qū)北部和東部有幾個較大的富水異常區(qū)。

3.3 8號煤層富水異常區(qū)分布劃分

通過本次勘探發(fā)現(xiàn)，勘查區(qū)內(nèi)8號煤層頂板二疊系下統(tǒng)山西組砂巖裂隙含水層（K7）富水異常區(qū)有14塊如圖4所示?？辈閰^(qū)富水異常區(qū)分布主要集中在勘查區(qū)中部和東部，范圍較大且連續(xù)。

圖4 8號煤層頂板二疊系下統(tǒng)山西組砂巖裂隙含水層（K7）富水異常區(qū)分布示意圖

圖5 8號煤層采空充水富水異常區(qū)分布示意圖

通過本次勘探發(fā)現(xiàn)了勘查區(qū)內(nèi)8號煤層采空充水富水異常區(qū)的分布規(guī)律，勘查區(qū)內(nèi)8號煤層采空充水富水異常區(qū)有3塊：如圖5所示?？辈閰^(qū)富水異常區(qū)分布主要集中在勘查區(qū)東部。其中東部存在較大的兩個異常區(qū)，分別是B2和B3富水異常區(qū)。依據(jù)剖面圖中采空區(qū)特征反映和切片圖中的異常位置，結(jié)合地震資料，劃分了推斷采空區(qū)范圍（圖中洋紅色陰影位置）。

綜上所述，通過對所獲瞬變電磁資料的計算、處理，結(jié)合地震勘探解釋資料和地質(zhì)資料進行認真分析，查明了勘查區(qū)內(nèi)8號煤層頂板二疊系下統(tǒng)山西組砂巖裂隙含水層（K7）、8號煤層采空充水，劃分出了8號煤層頂板二疊系下統(tǒng)山西組砂巖裂隙含水層（K7）、8號煤層采空充水。其中8號煤層頂板二疊系下統(tǒng)山西組砂巖裂隙含水層（K7）劃分了14塊富水異常區(qū)、8號煤層采空充水劃分了3塊富水異常區(qū)。

4 結(jié) 論

通過對所獲瞬變電磁資料的計算[3]、處理，結(jié)合地震勘探解釋資料和地質(zhì)資料進行認真分析，查明了勘查區(qū)內(nèi)8號煤層頂板二疊系下統(tǒng)山西組砂巖裂隙含水層（K7）、8號煤層采空充水，并且劃分出了8號煤層頂板二疊系下統(tǒng)山西組砂巖裂隙含水層（K7）、8號煤層采空充水富水異常區(qū)分布范圍。對富水異常區(qū)的劃分是基于本次瞬變電磁法勘探的解釋成果，通過本次勘查工作，建議礦方在開采過程中對圈定的富水異常區(qū)地段進行井下電法探測及井下鉆探工作，進行近距離的精確探測，以確保安全生產(chǎn)。