瞬变电磁法在矿井富水区探查中的应用研究

2013-08-03张同华袁明旺张秀军

山东工业技术 2013年14期

张同华袁明旺张秀军

(肥城白庄煤矿有限公司，山东肥城271623)

1 瞬变电磁法简介

可控源电磁法(CSEM∶Controlled Source EM Methods)，是采用可以控制的人工场源来测量电磁场，通过计算视电阻率和视深度以达到探测地下电性分布的目的。可控源电磁法分为时间域和频率域，可控源时间域电磁法(Time domainelectromagnetic methods)，或称瞬变电磁法(Transient electromagnetic method)，简写为TEM。它是利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场的间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。瞬变电磁法的发射回线和接收回线组成测量装置，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I ，该稳定电流突然切断后，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。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，并对所观测的数据进行分析和处理，解释地下地质体及相关的物理参数。

由以上分析可知，瞬变电磁法是在无一次场背景的情况下来观测纯二次场，其主要的噪声源不同于频率域电磁法(FEM)；就此而言，二者是不等价的。较好。

第三，进行数据滤波处理。可以选择无相移数字滤波、三点滤波、卡尔曼滤波、函数拟合、综合滤波(无相移数字滤波与函数拟合法相结合的一种混合方法)以及手动滤波方式。每种滤波方法的效果是不一样的，这里选择了三点滤波和函数拟合，效果较好。

最后，通过以上处理步骤，在此系统的解释软件中可自动计算视电阻率值、绘制初步的视电阻率断面图、并产生相应的可由Surfer 软件处理的xyz 格式的数据资料，根据相关信息，通过Surfer 软件绘制出最终的结果图。

图1 瞬变电磁数据处理及解释流程图

2 瞬变电磁法野外数据采集

本次勘探采用美国Zonge 公司生产的GDP-32Ⅱ型多功能电法工作站， GDP-32Ⅱ属美国Zonge 工程公司的第四代可控源和天然场源电法和电磁法探测多通道接收机，是目前国际上最先进的地电磁系统。

本次勘探采用大定源回线装置，大定源回线装置布设大线圈作为发射线框，在距发射线框边框1/3 距离用接收框接收电磁信号。采用大定源回线装置有如下优点∶

（1）此种装置能够在完成地质任务的前提下，提高工作效率；

（2）受地面作物影响较小，只需布设大线框就可以测量线框内部很多点，效率较高。

通过施工前的试验工作得出当频率为4Hz 和8Hz 时曲线效果最好，1Hz 和2Hz 曲线尾部效果明显较差，考虑到尽可能采集多的深部信息，本次瞬变电磁施工选择发射线框为1000m×1000m，频率4Hz，电流保证18A 以上。

3 瞬变电磁数据处理

野外采集到的原始数据并不十分理想，这是因为在数据采集工作过程中，存在各种干扰。若以此原始数据来绘制解释图件进行资料的解释，则具有很大的难度，甚至出现错误解释。因此，需要对原始数据进行相关的数据处理，尽量消除各种干扰。

首先，数据采集回来后，需要在电脑上先用采集软件打开数据，对原始数据挑选或坏数据剔除，以保证其后的处理工作顺利。查看每一次数据的发射电流以及电位差的信号是否正确，要求数据整体呈指数衰减趋势，晚期的时候不能有交叉。

第二，读取剔除掉坏数据之后的数据文件，系统自动设置时间道零点，这时可以看到所有点的归一化电位曲线，若曲线光滑，则归一化

4 瞬变电磁法数据解释

4.1 视电阻率断面图分析

正常地层沉积时，电性特征呈现一定规律展示，当砂岩、砾岩、灰岩含水层裂隙发育充水时电阻率会明显下降，在电法资料上会形成横向上的相对低阻异常。

图2 为L1 线视电阻率拟断面图。图中横向坐标为测点号，纵向坐标为高程，图中的黑线表示二1 煤层和一1 煤层，红色线段为断层。图中蓝色～黄色～红色的过渡表示视电阻率值由低～中～高的变化。

图2 L1 视电阻率断面图

从纵向上看，从浅到深其视电阻率基本呈现由低～中～高的电性特征。图中上部蓝色区域视电阻率值在40Ω.m 以下，第四系、第三系和二叠系的反应。黄色区域视电阻率值在60～110Ω.m 之间，为下伏煤系的电性反映，图下部红色区域视电阻率较大，其值一般大于120Ω.m，为奥陶系地层反映。

从横向上看，电阻率总体变化较大，呈现由小号到大号视电阻率逐渐增大的趋势，反映了该区域内地层的变化趋势，总体为南部深，北部浅且断层处视电阻率变化明显。

4.2 水平切片图分析

图3 综合水平切片图

本测区内，二1 煤深度变化大，本次制作从标高为0 到标高为-400m 水平切片，来了解二1 煤附近地层视电阻率由浅到深的变化情况。从图3 综合水平切片图可以看出，由浅到深视电阻率逐渐变大，反映了该测区内正常地层视电阻率变化情况。从-100m 和-200m 水平切片可以看出测区南部视电阻率明显小于测区北部，反映了测区内煤系地层南部深北部浅的总体特征；从-100m～-400m 水平切片可以看出测区内相对低阻异常分布于全区内，但分布位置处或附近大多都伴随断层发育，说明该测区内低阻富水区与断层发育有密切的关系。由浅到深测区内部分低阻异常区位置和范围变化较小，说明这些低阻异常区上下水力联系较好。