瞬變電磁法在煤礦采空區(qū)及富水性探測中的應(yīng)用

梁 帥，曾新福

（江西省地震局，南昌 330039）

0 引言

和布克賽爾蒙古自治縣沙吉海煤礦生產(chǎn)規(guī)模小、回采率低，資源浪費嚴重，縣礦管局在加強管理的同時，著重考慮煤炭資源的合理開發(fā)，由于對礦區(qū)十三號井田地下資源開采現(xiàn)狀、地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育等情況不是十分明了，急需用瞬變電磁法這種物探手段，圈定老窯區(qū)開采情況及其賦水性，為礦井的安全開采提供保證。

PERTEM57 瞬變電磁儀最大勘探深度500 m，具有三分量同時觀測、關(guān)斷時間短信息量大、分辨率和信噪比高、觀測裝置靈活等特點，在以往地質(zhì)異常體探測中取得了良好成果。通過觀測完整的二次場信息后，對二次場數(shù)據(jù)進行歸一化處理和極性校正，剔除畸變數(shù)據(jù)后，將二次場電位值換算成對應(yīng)的視電阻率值，再運用時深轉(zhuǎn)換模塊計算出視電阻率對應(yīng)的深度值。同時結(jié)合深度校正系數(shù)，反演、繪制視電阻率斷面圖和平面切片圖，最后根據(jù)已有地質(zhì)資料對異常作出推斷和解釋。

1 瞬變電磁法勘探原理

瞬變電磁法也稱時間域電磁法（Time domain electromagnetic methods），簡稱TEM，它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，即電磁感應(yīng)定律[1]。

多數(shù)儀器使用回線場源階躍脈沖激發(fā)的瞬變電磁場進行測量，在導(dǎo)電率為σ、導(dǎo)磁率為μ0的均勻各向同性大地表面敷設(shè)面積為S的矩形發(fā)射回線，在回線中供以的階躍脈沖電流。在電流斷開前，發(fā)射電流在回線周圍的大地和空間中建立起一個穩(wěn)定的磁場。

在t=0 時刻，將電流突然斷開，由該電流產(chǎn)生的磁場也立即消失。一次場的這一劇烈變化通過空氣和地下導(dǎo)電介質(zhì)傳至回線周圍的大地中，并在大地中激發(fā)出感應(yīng)電流以維持發(fā)射電流斷開之前存在的磁場，使空間的磁場不會立即消失[2]。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。這一過程繼續(xù)下去，直至大地的歐姆損耗將磁場能量消耗完畢為止。這便是大地中的瞬變電磁過程，伴隨這一過程存在的電磁場便是大地的瞬變電磁場。

在發(fā)射電流剛關(guān)斷時，該環(huán)狀線電流挨近發(fā)射回線，與發(fā)射回線具有相同的形狀。隨著時間的推移，該電流環(huán)向下、向外擴散，形成“煙圈效應(yīng)”?！盁熑Α钡陌霃絩、深度d的表達式分別為：

式中a為發(fā)射線圈半徑，π0為空氣中的導(dǎo)磁率，σ為地層的電導(dǎo)率。

衰減過程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??；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。同時，依據(jù)瞬變電磁法對低阻反應(yīng)靈敏特征，可查明含水地質(zhì)如巖溶洞穴與通道、煤礦采空區(qū)、深部不規(guī)則水體等。

2 礦區(qū)地質(zhì)概況

2.1 礦區(qū)構(gòu)造

礦區(qū)內(nèi)西山窯組與頭屯河組含煤地層為庫倫鐵布克背斜南翼組成部分，背斜軸在平面上呈波狀彎曲，由西往東走向為NEE-NE，是與陶和向斜的同期構(gòu)造，產(chǎn)狀北部稍緩，深部略陡，造成煤層傾角較陡。井田東北角存在二條互相交匯的北東走向的正斷層構(gòu)造，斷層落差小，并向北東延伸出井田外，除對東北角煤層有些破壞外，對井田煤層總體影響不大。

2.2 礦區(qū)地層

出露地層由老至新分別是古生界的泥盆系、石炭系、中生界的侏羅系、新生界的古近系、新近系及第四系。

泥盆系僅有中統(tǒng)呼吉爾斯特組（D2h）零星出露，該組分為上亞組（D2hb）、下亞組（D2ha）。

石炭系地層分布較少，僅有少量石炭系下統(tǒng)和布克河組（C1hb）及黑山頭組（C1h）出露。

侏羅系中、下統(tǒng)地層發(fā)育，為內(nèi)陸河流、湖泊相碎屑沉積，自下而上分別由八道灣組（J1b）、三工河組（J1s）、西山窯組（J2x）、頭屯河組（J2t）組成。中侏羅統(tǒng)西山窯組（J2x）是主要的含煤地層，分布在礦區(qū)北部，為河流相、覆水沼澤相、泥炭沼澤相及湖濱為主的含煤碎沉積，以砂巖、粉砂巖及煤層為主，夾砂礫巖及泥巖，與下伏三工河組（J1s）為整合接觸，產(chǎn)大量的植物化石。頭屯河組出露在礦區(qū)南部，其上被第三系烏倫古河組（）超覆不整合，厚度差別較大，主要巖性為灰綠色、灰黃色礫巖、中粗砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖及泥巖互層，夾劣質(zhì)煤層，平行不整合于下伏西山窯組（J2x）之上。

2.3 井田水文地質(zhì)

依據(jù)鉆孔水文地質(zhì)編錄、物理測井等資料，將井田含（隔）水層進行劃分。新近系塔西河組（N1t）與古近系烏倫古河組（）含水層位以砂巖、礫巖為主，結(jié)構(gòu)松散，儲水能力差，由于缺乏水源補給，為弱富水含水層。中侏羅統(tǒng)頭屯河組（J2t）與西山窯組（J2x）透水層位以砂巖、粉砂巖、礫巖為主，透水性好，為孔隙裂隙弱富水含水層，為煤層開采的直接充水含水層。西北部的火燒區(qū)透水性極好，為透水不含水層。侏羅系下統(tǒng)八道灣組與三工河組為粉砂質(zhì)泥巖、細砂巖夾煤層、碳質(zhì)泥巖等，泥質(zhì)含量高，結(jié)構(gòu)較完整、裂隙不發(fā)育，透水性差，可視為相對隔水層。礦區(qū)無常年性地表水，且降水量小于蒸發(fā)量，是造成井田地下水貧乏的重要因素。東北部F7 和F8 斷裂破碎帶因在上述因素的制約下，儲存水及導(dǎo)水條件也受到限制。

3 電性特征

數(shù)據(jù)采集使用GEONICS 公司的PROTEM57-MKⅡ發(fā)射機、發(fā)射線采用8 cm2RV 電纜，電阻2.31 Ω/km，PROTEM 接收機，3D-1 接收探頭，并根據(jù)采空區(qū)埋藏深度及主采煤層最大埋藏深度，選擇發(fā)射線圈（Tx）的大小400×400 m；為有效壓制干擾，選取發(fā)射電流13-15A；從試驗點的不同發(fā)射頻率的視電阻率斷面圖來看，選擇8.33 Hz 發(fā)射頻率的視電阻率等值線斷面圖符合地層賦存特征，地電規(guī)律明顯，深度適合；增益用G×4可保證早期道數(shù)據(jù)不溢出、盡量放大晚期數(shù)據(jù)；采集時間采用30 S可以保證數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量。

巖石的含水性是影響其電阻率的主要因素，不同巖層的電阻率隨著富水多少而呈現(xiàn)高低變化。礦區(qū)地層產(chǎn)狀局部較陡，所含礦物種類和數(shù)量較小，對于同一層序的巖石電阻率是相對均勻的；凈采空區(qū)及含水采空區(qū)的交互出現(xiàn)使其產(chǎn)生了明顯的橫向不均勻性，故橫向電阻率的高低突變反映了采空區(qū)的富水情況。覆蓋層、煤系地層及下伏巖層沉積序列相對穩(wěn)定，縱向上地層視電阻率也具有一定的規(guī)律性；縱向上當有富水的斷層、裂隙和采空區(qū)存在時，視電阻率呈現(xiàn)良導(dǎo)電體的特征，具有高低阻遞變規(guī)律；煤層燃燒后形成的火燒區(qū)透水能力強，形成區(qū)別于周邊巖性的高阻體。在定性分析電性資料時要把握地層的導(dǎo)、含水性，充分結(jié)合多種電性參數(shù)、區(qū)域電性特征和水文地質(zhì)情況來具體分析。

4 數(shù)據(jù)處理與解釋

4.1 數(shù)據(jù)處理

瞬變電磁法觀測數(shù)據(jù)是各測點各個時窗（測道）的瞬變感應(yīng)電壓，需換算成視電阻率、視深度等參數(shù)，才能對資料進行下一步解釋[3]。處理步驟：

（1）強干擾剔除：強干擾是一相對概念，在同一采樣時刻干擾信號的強度遠大于有效信號的強度，其特征為瞬變響應(yīng)某一時間道或幾道衰減曲線的跳變[4]。剔除強干擾信號常用指數(shù)譜函數(shù)擬合的數(shù)學(xué)方法：

依據(jù)瞬變衰減曲線的變化規(guī)律，在雙對數(shù)直角坐標下求解由式（4）所得的方程組，根據(jù)受干擾較小的早、中期時間段信號確定系數(shù)αi，早、中期采樣信號偏離擬合函數(shù)20%的跳變點剔除后，函數(shù)值用擬合值替代，晚期信號偏離擬合值20%+3μV的跳變點剔除后，函數(shù)值用擬合函數(shù)的晚期漸近線所對應(yīng)時間函值替代。

（2）數(shù)據(jù)濾波處理的主要作用是消除晚期干擾噪聲影響，以提高晚期信號的信噪比。較為實用的數(shù)學(xué)方法有四種，即三點濾波、卡爾曼濾波、四點濾波（Fraser濾波）、函數(shù)擬合法。

（3）時深轉(zhuǎn)換：瞬變電磁儀器野外觀測到的是二次場電位隨時間的變化，需要將這些數(shù)據(jù)變換成電阻率隨深度的變化，本次資料處理主要采用美國INTERPEX公司的TEMIXXL v4進行層狀反演解釋。

（4）繪制各種參數(shù)圖件：首先從全區(qū)采集的數(shù)據(jù)中選出每條測線的數(shù)據(jù)，繪制各測線視電阻率斷面圖；然后，依據(jù)地質(zhì)勘探、鉆探、三維地震勘探等已知地質(zhì)成果，提取目的層的埋深，據(jù)此深度地層電阻率，繪制順層切片圖。

在視深轉(zhuǎn)換時視電阻率計算公式為：

式中t為時窗時間，m為發(fā)射磁矩，q為接收線圈的有效面積，V（t）是感應(yīng)電壓。視縱向電導(dǎo)Sτ和視深度hτ的計算表達式為：

式中V（t）/I是歸一化感應(yīng)電壓，A為發(fā)射回線面積，d（V（t）/I）/dt是歸一化感應(yīng)電壓對時間的導(dǎo)數(shù)。

4.2 資料解釋

4.2.1 視電阻率斷面解釋

103 測線位于井田西南部，圖1 中視電阻率剖面圖中橫坐標為測點號，縱坐標為高程；圖例紅色～藍色的過渡表示視電阻率值由高～低的變化。5條黑色實線分別為可采煤層B11、B10、B8、B7 和B5底板等高線。斷面中測點100～260、460～600、880～1140 及1340～1420 范圍內(nèi)出現(xiàn)4 個視電阻率異常區(qū)。

圖1 C103線視電阻率斷面圖Fig.1 Apparent resistivity section of line C103

綜合地質(zhì)資料分析可知：①地層由上到下視電阻率值呈現(xiàn)由高至低的變化，上部煤系地層巖性主要為泥巖砂巖互層，其視電阻率基本在10～80 Ωm范圍；下部低阻層為西山窯組底部含水層。②沿測線方向沉積地層的電性正常情況下是均一的或變化不大，當水平方向有地層破碎和采空區(qū)出現(xiàn)時，電阻率值將出現(xiàn)急劇變化。③1 號異常區(qū)為高阻反應(yīng)，煤層埋藏較淺，推測為凈空采空區(qū)所致。④2號異常區(qū)上部呈現(xiàn)高阻異常而下部出現(xiàn)低阻現(xiàn)象，是由于煤層開采的過程中破壞了地層間的應(yīng)力平衡，產(chǎn)生大量的擾動裂隙，上部地層的孔隙水順裂隙流入下部地層形成一定的低阻異常。但侏羅系下統(tǒng)八道灣組與三工河組有穩(wěn)定的隔水層的存在，使其下部和北部的基巖裂隙水不能直接補給井田；因此采空區(qū)內(nèi)水量很小，對礦井危害不大。⑤3 號異常區(qū)位于B10 煤層露頭附近，煤層埋藏深度較淺，呈現(xiàn)上部高阻下部低阻現(xiàn)象，本區(qū)B10煤層在淺部存在火燒現(xiàn)象，因此判斷該高阻異常區(qū)為B10煤層火燒所致，且裂隙水下移聚集形成低阻區(qū)。⑥4 號異常區(qū)為低阻異常、而上部地層有相對應(yīng)高阻反應(yīng)，原因為B11煤層采空區(qū)塌陷填、上部冒裂帶孔隙水順裂隙流入下部B10采空區(qū)形成。

4.2.2 順層視電阻率切片解釋

通過圖2 顯示，①測區(qū)北部B10 煤層埋藏較淺位置呈現(xiàn)大面積橙色高阻異常區(qū)（藍色線圈定范圍），推測為煤層火燒區(qū)。②紅色虛線圈定異常區(qū)為煤層開采引起的異常，其中東北部高阻異常為凈空采空區(qū)，其余低阻異常為采空區(qū)內(nèi)含少量裂隙水引起；整體來說B10煤層富水性較差。

圖2 B10煤層底板順層視電阻率切片圖Fig.2 B10-Apparent resistivity slice of coal seam floor

5 地質(zhì)成果

本次瞬變電磁測深采用大定源回線裝置施工，勘探的基本網(wǎng)格為40×20 m，共完成測線73條。在已有水文與地質(zhì)資料基礎(chǔ)上，配合本次物探解釋成果，得到各煤層異常區(qū)空間展布情況。其中B7 煤層共計有12 處異常區(qū)，高阻異常推測為凈空采空區(qū)；低阻異常為采空區(qū)塌陷內(nèi)部填充物造成；B7煤層視電阻率值相對于西山窯組底部含水層電阻率值較高，因此判定B7 煤層低阻異常區(qū)富水性均較差。B10煤層異常區(qū)23處，高阻火燒區(qū)下部含水層影響引起的低阻異常區(qū)富水性較差；高阻凈空采空區(qū)下部低阻異常為上部地層孔隙水受重力影響順擾動裂隙滲入下部地層形成；本區(qū)地下水較為匱乏、補給條件差，因此低阻異常區(qū)富水性較差。B8 煤層位于B7 和B10 煤中間，解釋異常區(qū)14 處，大部分為凈采空區(qū)，部分火燒區(qū)底部富水性良好，全區(qū)大部分可采。B5 煤層位于B7 煤下部約14 m 左右，異常區(qū)9 處，火燒區(qū)底部無富水低阻區(qū)；由采空區(qū)引起的異常判定為無富水填充的凈采空區(qū)；因此該煤層全區(qū)可采。追加圈定了B5 煤下部30 m 層位異常區(qū)，目的是為了查明B5 主采煤層底板巖層的穩(wěn)定性，揭示該巖性整體比較穩(wěn)定，可以對下部地層的含水層起到一定的隔離作用。斷層F7、F8 附近有4 處零星分布的異常區(qū)，該斷層落差小于15 m，破碎程度較小，斷層附近無穩(wěn)定的含水層；因此斷層F7和F8對采區(qū)影響較小。

6 結(jié)論

（1）大定源瞬變電磁法受發(fā)射電流關(guān)斷時間的影響，地表淺層的地質(zhì)信息會被屏蔽掉，在以后的研究中需要加以改進和完善[5]。

（2）大定源瞬變電磁法勘探，受地形起伏、淺層低阻覆蓋層的影響[6]。搞清楚地下電磁場的分布規(guī)律，明白地形起伏、地下不均勻體對電磁場的影響特征，可以提高反演精度，更好的預(yù)測地下目標。

（3）瞬變電磁勘探的分析解釋是以電性特征變化為依據(jù)，不可避免存在電性變化與地質(zhì)成果的多解性；建議應(yīng)合理布設(shè)鉆孔、增加多種物探手段，有利于對煤層分布和異常區(qū)情況進行綜合定性解釋。