煤矿深部采区岩层富水性短偏移距瞬变电磁法探测

李功强，程久龙，高 峰，徐富文，陈 潜，刘 欢

（1.新汶矿业集团有限责任公司华丰煤矿，山东 泰安271413；2.中国矿业大学 （北京）煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京100083）

煤炭作为我国的基础能源，其安全高效开采煤炭是十分必要的。矿井水害是矿山建设与生产过程中的主要灾害之一。由于我国煤矿开采水文地质条件的复杂性，长期以来矿井水害事故给人民生命财产造成重大损失。特别是近几年，随着煤矿开采深度和强度的加大，受矿井水害威胁日趋严重，突水事故发生的频率也在不断增加。可见矿井水害仍是煤矿安全生产的重大隐患。为了保证矿井工作面的安全开采，对煤系地层含水层的富水性进行探测，确定岩层的富水状况对保障煤矿安全开采具有十分重要的意义［1］。

常规的地面探测深部（指深度大于800m）岩层富水性的地球物理方法主要有大地电磁法（MT）、可控源音频大地电磁法（CSAMT）和瞬变电磁法（TEM），因煤矿区工业电干扰严重，电磁类探测方法地质效果不理想［1］。相比而言，因瞬变电磁法探测低阻体灵敏，探测效果较好，但以回线源为主的瞬变电磁法探测深度有限，难以满足深部岩层水文地质条件的精细探测［1］。早在20世纪30年代，前苏联科学家提出瞬变电磁法勘探，当时采用的是远区工作模式。1933年L.W.Blau最先提出利用供电偶极电流脉冲激发时域电磁场。到20世纪50～60年代，原苏联科学家成功地完成了瞬变电磁法的一维正、反演，建立了瞬变电磁法的解释理论和野外工作方法之后，瞬变电磁法开始进入实用阶段。20世纪60年代以来，利用收发距远远小于期望探测深度进行勘探有了一个快速的发展。随之，“短偏移”、“晚期”、“近区”等技术研究迅速发展起来［2］。美国等西方国家在20世纪70～80年代之间，短偏移法一直处于研究和试验阶段，未被广泛运用，而长偏移法已得到了应用，特别是在地热调查和地壳结构的调查中［2］。20世纪80年代后瞬变电磁法从最初的金属矿勘查扩展到了构造地质调查、水文地质及各种工程地质等领域。国内的瞬变电磁法研究从20世纪80年代初开始，在理论方法、仪器方面做了一定的工作，目前已建立了比较完整的一维正、反演及方法技术理论，在矿产普查、水文和工程地质调查等领域开展了较多的应用研究［3］。

1 电性源短偏移距瞬变电磁法的理论基础

电性源瞬变电磁作为时间域电磁法的一种，它利用接地点电极通以脉冲电流而在地下建立起一次脉冲磁场，在一次磁场间歇期间，在时域接收感应的二次电磁场。在20世纪60年代初最早发展起来的远区模式长偏移距离法LOTEM（Long Offset Transient EM），要求收发距离大于4倍的目的层的深度，工作时间属于波区，也称为固定源建场法。其响应曲线简单，与频率域方法基本相似。对于长偏移距离法，由于其收发距离较大，可能跨越几个构造单元，由于地质构造和地形起伏带来的电性变化，都由源传导到接收，再加上有用信号强度急剧下降，不利于精细探测。晚期只能确定总的纵向电导，不具备分层能力，使得其一般只用于地质构造简单地形平坦，如油气勘探区。20世纪60年代，当短偏移同样可以进行时，在前苏联得到推广应用。目前国内主要利用近区回线源瞬变电磁测深法，探测深度一般为几十米到几百米。理论与实践证明，近区测深对地下导电体反映比远区明显，纵向及横向的分辨率均得到提高，且大大减少了体积效应［4］。虽然近场情况下的的回线源瞬变电磁法得到普遍接受和应用，但电性源的近区测深方法应用不广。

根据美国地球物理学家M.N.Nabighan对感应涡流场像“烟圈效应”的假设，通过源的位置和速度可确定电阻率与深度的关系［5］。视电阻率计算公式为

当地下介质为非均匀半空间时，不能直接通过视电阻率计算探测深度，需把ρs代入深度函数，再通过深度函数的时间的导数得到深度值［6－7］。地下电流“烟圈”扩散速度直接取决于地下电阻率，利用计算速度与速度函数反演拟合计算电阻率值，根据拟合计算的电阻率值计算勘探深度。

2 电性源短偏移距瞬变电磁法工作方法

电性源短偏移距瞬变电磁法采用类似可控源音频大地电磁（CSAMT）的工作方式，如图1所示。A、B是接地的供电电极，发射源长度AB一般约为探测深度，接收与发射的距离不要求是探测深度的6～10倍，一般与探测深度接近，可以用略小于目标深度的发收距实现测深。发射频率、发射电流、单点测量时间等参数要通过试验确定。

图1 电性源短偏移距瞬变电磁观测方式示意图

3 工程应用

3.1 测区地质概况及地球物理特征

某煤矿矿井延伸要进行三采区深部开采，煤层埋藏深度约600～1400m，因水文地质条件不清，需要进行地面地球物理探查，以查明煤层顶板与底板岩层的富水性，探测最大深度要求达到1500m。常规的大定源回线瞬变电磁法难以达到要求的探测深度，通过比较，选择电性源短偏移距瞬变电磁法进行三采区水文地质条件探测。

勘探区的地层由老至新由太古界泰山群的片麻岩及花岗片麻岩，下古生界寒武系、奥陶系的石灰岩、泥灰岩、泥岩，上古生界石炭－－二叠系的含煤地层，中生界侏罗系的红砂岩，新生界第三系的砾岩、红砂岩及第四系的表土、流沙层等组成。其中含煤地层属于华北型石炭二叠系海陆交互相含煤沉积，假整合于中奥陶统之上，石炭二叠系总厚平均370余m，其中含煤地层厚度平均为325.86m。测区主要地层电性特征可概述如下：第四系很薄，0～3m，主要为黄土、亚黏土、砂质黏土；第三系（R），主要为砂砾石、砾岩、粉砂岩、泥岩，厚度0～1009m，电阻率大于70Ω·m；二叠系（P），主要为泥岩、砂岩及煤层，厚度93～294m，电阻率50～200Ω·m；石炭系（C），主要为砂岩、泥岩、灰岩及煤层，厚度240m，电阻率60～1000Ω·m；奥陶系灰岩为煤系的基底，电阻率随其富水性变化而变化，一般说来，奥灰不富水，电阻率大于10000Ω·m，甚至更高，一旦奥灰含水，电阻率降低明显，富水性越强，电阻率越低。

3.2 工作方法及参数

测区面积约1.5km2，按线距100m共布置测线16条。经过试验研究确定了适合本工作区的工作参数：发射源长度AB＝1000m，收发距r＝1000m，发送频率2.5Hz，发送电流I＝20A，探头接收面积40000m2，单点测量时间t＝7min。

3.3 资料处理

瞬变电磁法观测数据是各测点各个时窗（测道）的瞬变感应电压，需换算成视电阻率、视深度等参数，才能对资料进行下一步解释，主要步骤如下：①滤波：由于测区内人文噪声较大，需要对采集的数据进行滤波，消除噪声，对资料进行去伪存真。②电阻率计算与时深转换：为了更好地对资料的解释，需要将野外观测到的二次场电位随时间变化的数据转换为地层电阻率，同时确定电阻率随深度的变化。③绘制参数图件：首先从全区采集的数据中选出每条测线的数据，绘制各测线视电阻率剖面图，即沿每条测线电性随深度的变化情况。然后依据每个测点的平面坐标和高程绘制出不同深度的等深视电阻率切片图和各主要岩层及其附近的视电阻率深层切片图。

经过上述数据处理后形成实测16条测线的视电阻率断面图，有效探测深度超过1500m，如图2所示。

3.4 资料解释

图2是B550线视电阻率断面图，整个断面视电阻率从浅到深基本上呈现由低～高～低～高的电性特征。图中最上部（100m以浅）视电阻率值较低，由浅到深呈现逐渐增大的趋势，其值在20～80 Ω·m之间，为第三系上组地层的反映，为弱含水层。第三系中段（100～400m层段）对应的视电阻率变化范围较大，其值在120～280Ω·m之间，为不含水。第三系下段（400m以深）对应的视电阻率变化范围较大，其值在60～140Ω·m之间，判断为地层不含水和局部弱含水，其中200～500m桩号段450～700m深度范围和650～1000m桩号段400～950m深度范围表现为视电阻率相对低值特征，判断为地层局部弱含水。

图2 B550线视电阻率断面图

煤系地层视电阻率变化较大，其值在40～240 Ω·m之间，200～850m桩号段650～1000m深度范围表现为视电阻率相对低值特征，判断为弱含水层。500～600m桩号段F51断层切割煤4和煤6岩层，断层破碎带周围表现为视电阻率相对较低特征，可判断为局部弱含水。煤系基底奥灰岩层对应的视电阻率相对较高，判断奥灰不含水或局部弱含水。

图3是第三系底界面以下50m附近且接近4煤煤层的顺层切片图，整个切片图视电阻率从100线到1600线基本上呈现低～高～低的电性特征。图中的视电阻率变化范围较大，在20～600Ω·m之间，中部与两侧地层之间有较大的电性差异，反映出中部与两侧地层之间的岩性和含水性的差异。图中Ⅱ所对应的区域范围视电阻率较高，在120～600 Ω·m之间，富水性相对较弱。图3中Ⅰ、Ⅲ所对应的区域范围视电阻率值偏低，在20～160Ω·m之间，反映出这一范围内富水性相对较强。

图3 第三系底界面以下50m顺层视电阻率切片图

为验证上述探测成果，在探测区边缘B100线500～600m桩号段进行了原巷道延伸开拓，并超前钻探探水，钻孔最大出水量小于2.0m3／h，表明地层为弱富水，从而验证了瞬变电磁法探测结果的可靠性。

4 结论

通过对电性源短偏移距瞬变电磁理论基础与工作方法的探讨，结合对煤矿深部采区岩层富水性探测结果分析，表明电性源短偏移距瞬变电磁法是一种对大采深岩层富水性勘探行之有效的方法。此方法对低阻层分辨能力强，探测深度大，探测效率高的优势在对深部地层富水性勘探中得到充分体现。利用此方法对煤矿深部采区地层富水性探查，结合测区相应的水文地质资料，可以很好的对低阻异常区进行地质解释，为煤矿安全生产提供可靠的技术保障，经济效益和社会效益显著，该方法值得推广应用。

［1］程久龙，姜国庆，王玉和，于师建，邱浩，李明星.矿井深部采掘隐患水体综合地球物理精细探测研究 ［C］.第七次煤炭科学技术大会文集，2010.

［2］薛国强，李貅，底青云.瞬变电磁法理论与应用研究进展［J］.地球物理学进展，2007（4）：1195－1200.

［3］石显新，闰述，陈明生.煤矿水害隐患瞬变电磁法精细探测理论及应用技术［C］.第十届中国国际地球电磁学术讨论会，2011.

［4］薛国强，陈卫营，周楠楠，等.接地源瞬变电磁短偏移深部探测技术［J］.地球物理学报，2013，56（1）：255－261.

［5］方文藻，李予国，李貅，等.瞬变电磁法测深原理［M］.西安：西北工业大学出版社，1993.

［6］Spies B R.Depth of investigation in electromagnetic sounding methods［J］.Geophysics，1989，54（7）：872－888.

［7］闫述，石显新，陈明生.瞬变电磁法的探测深度问题［J］.地球物理学报，2009，52（6）：1583－1591.