瞬變電磁法在礦區(qū)勘察中的應(yīng)用

摘 要：本文以實際礦區(qū)勘察項目為研究背景，采用理論分析、探測方法論述與探測結(jié)果分析等，深入研究了瞬變電磁法在現(xiàn)狀礦區(qū)勘察中的應(yīng)用效果。分析了瞬變電磁法原理，介紹了其在本工程中的探測布置方法，并對其在實際工程中的應(yīng)用效果進行分析。應(yīng)用研究表明，瞬變電磁法能夠發(fā)現(xiàn)礦區(qū)范圍內(nèi)富水段和斷層等影響礦區(qū)安全的隱患部位，并明確場地中的低阻帶富水地段。此外還發(fā)現(xiàn)標高450 m～500 m處存在低阻富水段，是采礦區(qū)潛在地質(zhì)災害的主要因素。本文研究對后續(xù)礦區(qū)資源開采工作具有一定指導意義。

關(guān)鍵詞：瞬變電磁法；礦區(qū)勘察；含水層；視電阻率

中圖分類號：TD 745" " " " " 文獻標志碼：A

隨著社會經(jīng)濟飛速發(fā)展，能源需求量也在逐年增加，地下資源的開發(fā)與利用成為影響經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定的重要因素之一[1-2]。同時科學技術(shù)進步與應(yīng)用使以往無法開采的地下資源得以開發(fā)，也進一步促進了地下資源勘探與開發(fā)技術(shù)的發(fā)展[3]。在對地下資源進行勘探與開發(fā)的過程中，地球物理方法具有操作方便、時效性好、準確率高、無鉆孔作業(yè)、耗時短以及造價低廉等優(yōu)勢[4-5]。某現(xiàn)狀煤礦礦區(qū)面積約1km2，已開采多年，需要進一步明確該礦區(qū)地下環(huán)境情況，尤其是裂隙含水層的水文地質(zhì)條件，以指導后續(xù)資源開采。本研究在該礦區(qū)進行了瞬變電磁法的相關(guān)工作，以期明確場地地下環(huán)境，指導后續(xù)開采工作，具體研究內(nèi)容如下。

1 礦區(qū)地質(zhì)條件概況

在礦區(qū)范圍內(nèi)主要地層由老至新包括太古界（Ar）、侏羅系中統(tǒng)侯家屯組（J2h）、上統(tǒng)果松組（J2g）、林子頭組（J2L）、石人組（Jsh）和第四系（Q）。各系地層特征如下所示。1） 太古界鞍山群（Ar）。礦區(qū)內(nèi)出露有花崗片麻巖，厚度不詳，與上部地層以角度不整合的方式接觸。2） 侏羅系。侏羅系包括中統(tǒng)侯家屯組（J3h）的粉砂巖段、侏羅系上統(tǒng)果松組（J3g）的中性火山碎屑巖、林子頭組（J3l）的凝灰質(zhì)粉砂巖段以及石人組（Jsh）的礫粉砂巖段、下含煤段、砂礫巖段、上含煤段和火山碎屑巖段。3） 第四系（Q）。第四系包括中更新統(tǒng)白頭山組玄武巖（Q2）、第四季黏土層（Q3）以及全新統(tǒng)殘坡積層（Q4）。

前期勘測發(fā)現(xiàn)，礦區(qū)內(nèi)斷裂比較發(fā)育，其中落差在30m以內(nèi)的小型斷層有4條，斷層具體要素見表1。斷層落差由淺部至深部逐漸變小，直至尖滅。本文在煤礦開采過程中揭露出2條火成巖侵入帶，寬度分別為18m、13m，2條巖墻帶間距50m左右，揭露范圍內(nèi)并未發(fā)現(xiàn)兩巖墻尖滅跡象。

表1 斷層具體要素

編號 性質(zhì) 走向/（°） 傾向/（°） 傾角/（°） 落差/m 位置

F1 正斷層 138 230 80 9 礦區(qū)內(nèi)

F2 正斷層 145 254 70 5 礦區(qū)內(nèi)

F3 正斷層 230 164 75 16 礦區(qū)內(nèi)

F4 正斷層 148 243 70 21 礦區(qū)內(nèi)

F5 正斷層 118 221 60 18 礦區(qū)內(nèi)

進行勘測前，本文對礦區(qū)內(nèi)的地球物理特性進行了分析，勘測所得物性指標見表2。根據(jù)前期勘察結(jié)果和礦區(qū)地球物理特征可知，礦區(qū)下部玄武巖為高阻，含煤巖層表現(xiàn)為低阻性質(zhì)，各層間存在較明顯的電阻率差值，具有進行瞬變電磁法探測的物理特征。

表2 礦區(qū)巖層物性測定結(jié)果

巖層分段 標本數(shù)量/點 視電阻率范圍/（Ω·m）

玄武巖蓋層 34 150～550

石人組隔水巖層 25 50～150

含煤巖系 43 0～50

石人組組砂巖 20 50～250

基底 12 ＞200

2 瞬變電磁法原理與探測設(shè)置

2.1 瞬變電磁法測試原理

瞬變電磁法（Time domain electromagnetic methods，TEM）又稱時間域電磁法，主要是利用裝置（不接地回線或接地電極）向地下環(huán)境發(fā)射電磁場，在回線周圍的地下空間中建立如圖1所示的穩(wěn)定磁場，同時使用接地電極觀測該電磁場感應(yīng)到地下渦流場時產(chǎn)生的二次電磁場的分布情況，并對其進行分析，達到明確地下環(huán)境分布的目的。

電磁場基本理論為麥克斯韋方程組，也是瞬變電磁法的物理學基礎(chǔ)。在瞬變電磁法勘察中，針對遇到的導電介質(zhì)Δ×=0，在時間域上的麥克斯韋方程組如公式（1）所示。

（1）

式中：為電場強度，V/m；為磁場強度，A/m；ε為介電常數(shù)，F(xiàn)/m。

對上述公式進行傅里葉變換，可得到電場與磁場在頻率域中的波動方程，分別如公式（2）、公式（3）所示。

Δ2E+（μεω2-iμωσ）E=0" " " " " " " " " " " " " " "（2）

Δ2H+（μεω2-iμωσ） H=0" " " " " " " " " " " " " " （3）

式中：（μεω2-iμωσ）為傳播系數(shù)；μ為磁導率，H/m；σ為電導率，S/m。

采用瞬變電磁法觀測到的二次電磁場包括地下環(huán)境中的大量信息，因此需要進一步明確電磁場隨時間的變化規(guī)律，即將勘探所得感應(yīng)電動勢轉(zhuǎn)化為視電阻率，如公式（4）所示。

（4）

式中：ρ為視電阻率（Ω?m） ；u0=4π×10-7 H/m；ST為發(fā)送回線面積，m2；SR為接收線圈面積，m2；t為測道時間，s；V（T）/I為歸一化感應(yīng)電動勢的瞬變值，mV。

瞬變電磁法還需要對測線的觀測點進行重復檢測，以保證總平均均方差滿足相關(guān)要求。以本工程為例，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求所得平均均方相對誤差應(yīng)＜±15%。測線的平均均方差如公式（5）所示。

（5）

式中：M為總的平均均方相對誤差；Vj（ti）、V'j（ti）分別為第j點第i道的原始觀測和檢查觀測值；m為檢查點數(shù)；n為參加計算的道數(shù)。

2.2 工程探測布置

根據(jù)上文所述瞬變電磁法原理，結(jié)合場地現(xiàn)狀和勘測需求，并參考場地前期工程地質(zhì)勘察結(jié)果，本次勘察共布置13條瞬變電磁法測線，線距為100m，點距為20m。具體測線位置如圖2所示。本工程選用加拿大生產(chǎn)的V8網(wǎng)絡(luò)化多功能電法儀，該儀器的輸入阻抗為＞100MΩ，分辨率為1μV，功率為1400W，最大輸出電流為40A，最大供電電壓為144V。進行現(xiàn)場測試后，根據(jù)瞬變電磁法原理，利用公式（4）計算的視電阻率，并采用最小二乘法反演得到地下環(huán)境的電阻率分布情況。在計算視電阻率和電阻率過程中需要根據(jù)公式（5）計算平均均方差，保證測線平均均方差在合理范圍內(nèi)。

3 勘測結(jié)果分析

對所得的13條測線數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析，鑒于篇幅限制，本文僅對部分結(jié)果進行展示和分析。測線1、測線2這2條測線反演所得剖面圖如圖3所示。測線1測線方向為東西向，剖面長度560m，反演深度為標高-200m。其中標高520m～470m處地表表層土導致中高阻分布，視電阻率為600Ω·m～3000Ω·m。標高460m～490m的視電阻率為50Ω·m～70Ω·m，推斷該層位中低阻的形成因素是該地區(qū)的潛水面或第四系玄武巖上部裂隙水含水層。標高460m～320m的視電阻率為100Ω·m～500Ω·m，該電性層位表現(xiàn)為相對中高視電阻率，均勻分布，初步推斷中更新統(tǒng)白頭山組玄武巖蓋層可能是該中高阻率特征的形成因素。標高-100m～-250m的視電阻率為800Ω·m～3000Ω·m，初步推斷太古界鞍山群花崗片麻巖可能是該高阻電性層的主要形成因素。該剖面在橫向位置投影至基底460m附近，推斷存在一處構(gòu)造作用，該構(gòu)造帶標高50m～-150m。根據(jù)視電阻率反應(yīng)，推斷該構(gòu)造帶內(nèi)不含水，疑似在基底與該層位接觸位置存在一可能含水區(qū)。

測線2剖面長度為530m，反演深度為標高-200m，其中標高500m～300m與測線1分布基本一致。標高300m～-120m的視電阻率為0Ω·m～40Ω·m。該電性層位的低阻特性由石人組不同巖性組合特征引起，主要由上段含煤地層組成。標高-100m～-200m的視電阻率為1500Ω·m～3000Ω·m，該高阻電性層的主要形成因素為太古界鞍山群花崗片麻巖，即中生界含煤沉積盆地基底。

除此之外，TEM-11測線勘測還發(fā)現(xiàn)了一處含水構(gòu)造斷層。測線TEM-11方向為東西向，剖面長度為1780m。其中標高550m～470m的視電阻率500Ω·m～2800Ω·m，中高阻的形成因素可能是地表表土層和晚期玄武巖蓋層。標高470m～490m的視電阻率為50Ω·m～80Ω·m，該電性層位在剖面整體不連續(xù)分布，初步推斷該層位中低阻的形成因素是該地區(qū)的潛水面或第四系玄武巖上部裂隙水含水層。在標高400m～-100m處，疑似含煤巖系的異常層位厚度向東整體逐漸變薄，視電阻率為0Ω·m～40Ω·m，推斷石人組不同巖性組合特征是該電性層位低阻特性的主要形成因素。剖面橫向位置投影至基底740m附近存在一處構(gòu)造反映，該構(gòu)造帶縱向基本貫穿標高500m～-200m，根據(jù)視電阻率反應(yīng)，初步推斷該構(gòu)造帶內(nèi)可能含水，會給采空區(qū)或者巷道的開發(fā)使用帶來危害。

4 結(jié)語

本文以實際工程為研究對象，深入分析了瞬變電磁法的機理及其在礦區(qū)勘察中的應(yīng)用，得出以下2個結(jié)論。1）本工程中瞬變電磁法選用大定源裝置并采用大功率工作，可以有效探測地層的基底，明確區(qū)分地下水的分布特征，并劃分玄武巖與侏羅系地層接觸界線。2） 勘察圈定了場地中的低阻帶富水地段，并發(fā)現(xiàn)標高450m～500m處的低阻富水段為采礦區(qū)潛在地質(zhì)災害的主要形成因素，應(yīng)密切監(jiān)視，嚴加防范。

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