煤田水文地质调查中电性源瞬变电磁法的应用

杨彦成 郭君婷

【摘要】电性源瞬变电磁法在水文地质和工程地质勘探中都有着广泛的应用，尤其是大功率瞬变电磁仪不仅可以在深部地质勘探中发挥作用，还具有较高的分辨能力。近年来，瞬变电磁法在煤矿水文地质勘查中得到了广泛的应用，并取得了较好的效果。本文就以某煤矿为例对其进行具体分析。

【关键词】煤田 水文地质调查 电性源瞬变电磁法

某煤矿井首采区面积约为28km2，主要开采煤层为2煤、3煤、4煤和8煤。煤矿主要充水含水层为侏罗系中统直罗组砂岩裂隙～孔隙承压含水层，从煤矿勘探阶段抽水试验结果看，直罗组砂岩含水层属于弱富水含水层。但是，根据煤田其他矿井实际揭露情况分析，这一含水层厚度大、静储量大并且富水性极不均一，因此，对矿井的威胁不容忽视，此外分布于首采区西北部的风氧化带也是对矿井具有威胁的水源之一。以往的勘探工程由于勘探目的的不同和勘探精度的限制，未能充分对上述含水层（体）的水文地质特征进行详细探查，无法满足矿井防治水工作的需求。因此，针对威胁矿井安全的主要水害因素的水文地质补充勘探势在必行。1 煤田地质及物性特征

1.1 地层

该井田全部被新生界地层所覆盖，属隐伏式煤田。根据钻孔揭露，本区地层由老至新发育有：三叠系上统上田组（T3s）；侏罗系中统延安组（J2y）、直罗组（J2z）、侏罗系上统安定组（J3a）；古近系渐新统清水营组（E3q）和第四系（Qh）。煤层在平面上的赋存状况呈现为：煤层富集整体差异不大，主煤层突出、明显，且分布范围内连续性较好。1.2 水文地质

该煤田地形地貌以缓坡丘陵、洼地地貌为主，地形东高西低斜坡状，勘查区西部地形较为平坦，以沙漠、洼地地貌为主；东部以缓坡丘陵为主。区内无基岩出露，基岩被第四系黄土或沙丘所覆盖；风积沙多被沙漠植物固定，主要为固定沙，其次为半固定沙丘。最高标高点位于勘查区东南部，海拔高度为1511.30m，最低标高点位于勘查区西北部，海拔高度为1417.1m，相对高差约94.20m。本区地势平坦、干旱少雨，无地表河流，无地表水体。

1.3 物理特征

根据本区资料揭示，区内煤层的电性与围岩之间有着明显的差异，不同岩层具有不同的导电性，根据测井资料显示，泥岩、粉砂岩、细粒砂岩、中粒砂岩、粗粒砂岩、硅质胶结岩、煤层，其视电阻率值依次增高。煤系地层有层状分布特点，在横向上导电性相对均一，纵向上视电阻率的变化规律基本一致。

2 电性源瞬变电磁法简析

瞬变电磁法是地球物理探测的主要手段之一，通过向地下发射电磁波激励地下目标，接收其产生的二次场，确定被测目标的物理参数。

瞬变电磁法测量装置由发射回线和接收回线两部分组成，工作过程分为发射、电磁感应和接收三部分。当发射回线中通以阶跃电流，发射电流突然中断，根据电磁感应理论，发射回线中电流突然变化必将在其周围产生磁场，该磁场称为一次磁场，一次磁场在周围传播过程中，如遇到地下良导电的地质体，将在其内部激发产生感应电流，又称涡流或二次电流，由于二次电流随时间变化，因而在其周围又产生新的磁场，称为二次磁场。由于良导电地质体内感应电流的热损耗，二次磁场大致按指数规律随时间衰减，形成瞬变磁场，二次磁场主要来源于良导电地质体的感应电流，因此它包含着与地质体有关的地质信息，二次磁场通过接收回线观测，并对观测的数据进行分析和处理，对地下地质体的相关物理参数进行解释。

瞬变电磁法和其他物探方法相比具有许多优势和特点：

（1）该方法观测和研究的是“二次场”即纯异常场，不存在一次场的背景干扰；

（2）具有穿透高阻覆盖层的能力，优于传导类电法探测；

（3）异常响应强，形态简单，分层能力强；

（4）地形影响小，测量简单，工作效率高。

3 应用试验

3.1 试验参数选择

选取已知勘探线已知钻孔旁的测线作为试验线进行各项参数的试验，试验线周围无明显地表干扰源，各项参数的试验结果可与已知钻孔进行验证对比，以便选取最终的施工参数。

3.2 试验过程及分析

试验工作中进行了不同发射线框、不同发射频率、不同观测时长的选择试验，通过对资料的初步处理和分析，对设计中选择的工作方法做了相关的评价与补充。

根据实际地质情况，本次试验工作采用发射线框为360m×360m和300m×300m。通过在试验线上相同发射频率、同一观测时长条件下两种发射线框的对比试验来选定发射线框的大小。

通过对比发现，两种线框都能够清晰的反映出地层分层、低阻及高阻异常。从深部可以看出360米线框压制干扰的能力更好一些，而且工作效率更高，综合以上因素考虑我们选择360米的线框作为本次瞬变电磁法工作的发射线框。

本次发射频率选择试验在相同的发射线框（360m×360m）、同一观测时长下进行发射频率为2.5Hz、5Hz与10Hz的试验。

同一试验线，同一发射线框（360m×360m），同一观测时长（120s）的情况下发射频率分别为2.5Hz、5Hz及10Hz的视电阻率等值线断面图，由图中对比情况可知，在相同发射线框、同一观测时长的情况下，发射频率为5Hz时深浅兼顾，曲线分层更为细致，同时勘探深度相对较大，因此在本区采用5Hz发射频率较为合适。

本次观测时长试验在同一试验线进行，在相同发射线框（360m×360m）、相同发射频率（5Hz）参数下，采用观测时长为90秒和120s进行试验采集，通过对比分析，观测时长为120s时分辨率相对更高。

由于仪器发射机的最大额定电压为96V，发射线框阻值为1.25Ω/100m，因此线框大小选定后，其电阻阻值将是个固定值，在这一条件下，通过实验，发射机所能发射的最大电流值为6.5A，由于发射电流越大深部的有效信号越强，垂向分辨率越高，考虑到仪器的使用安全，选择6A作为施工发射电流。

通过上述试验，并对资料进行初步处理，根据试验曲线和初步处理结果，并结合各种实际因素，确定了本区最终施工参数。4 地质成果

5 结语

电性源瞬变电磁法能够满足当前的煤田水文地质调查工作的需要，能够探测到较深的地层情况。根据上述试验结果，电性源瞬变电磁法根据反演电阻率的变化，推测地层以及断层变化情况，因此煤层以及周围岩层的赋水性就可以根据反演电阻率相对变化体现出来。

参考文献

[1] 刘金涛，肖克华，郑信斌.瞬变电磁法在煤矿水文地质勘查中的应用[J].资源环境与工程，2006（04）

[2] 张开元，韩自豪，周韬.瞬变电磁法在探测煤矿采空区中的应用[J].工程地球物理学报，2007（04）