选频法在南阳宏发煤矿老窑水勘探中的应用

2013-12-14赵亚杰葛洪亮杨天春王士党任立建

地下水 2013年1期

赵亚杰，葛洪亮，杨天春，王士党，任立建

(湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭411201)

选频法是以大地电磁场为工作场源，以地下岩矿石之间电性差异为基础，通过测量大地电磁场在地表产生的电场分量，来研究地下地电断面的电性变化，解决水文地质工程地质问题的一种交流电勘探方法。自20世纪80年代以来，该方法在地下水资源勘探、矿山水害调查、溶洞勘查等方面取得了较好的地质效果。对该方法的研究主要集中于仪器研制和实践应用，缺乏系统的理论研究，目前反演解释主要凭借实践经验做定性解释，缺少合理有效的定量计算和解释方法。申请者拟从大地电磁场波动方程出发，对选频法探测地下水的机理开展正演研究。首先从规则地质模型入手，求解天然电磁场作用下地表电场的分布规律;其次，采用有限单元法对复杂地质模型开展正演模拟，探讨选频法异常曲线的形成机理，研究场源、目标体形态、埋深等参数与异常曲线间的关系，为今后反演研究工作提供科学依据。同时，开展现场试验和室内模拟试验工作，验证理论研究成果的正确性。

1 选频法原理

选频法主要是由电子导体的天然电化学作用和地下水离子导体的过滤或扩散作用，以及大地电流和雷雨放电等因素所形成的电磁场。符合地下磁流体的一般方程［1］。音频大地电磁法测量的是音频段中大地电磁场产生的电分量。它的场源为交变电磁场，在距离场源较远的地方，大地电磁场可视为垂直于地面入射的平面波，其场的特性服从麦克斯韦方程组［2］:

式中:q为自由电荷体密度;t为时间;j为电流密度;E为电场强度;H为磁场强度;B为磁感应强解为谐变电磁波，在导电介质中遵循:

当电磁波在介质中传播时，其振幅沿Z轴方向前进1/b距离时，振幅衰减为地表的1/e倍。习惯上取距离δ=1/b称为电磁波的趋肤深度(或称穿透深度)。在无磁介质中［3］:

由于公式(6)求出的目标体的埋深比实际深度要大，因此要对深度进行校正。通过对多种频率的电位大小的测量，根据电位大小与视电阻率的关系，用电位大小通过一系列计算定量的分析，说明地下异常视电阻率的变化情况，定性的解释地下异常体的发育。根据经验在基岩地区往往要乘以校正系数1.3～1.2［4］。由上可知，电场强度E随吸收系数 b呈负指数规律衰减，即电磁波的穿透深度随介质的电阻率的增加而增大，随电磁波频率的增大而减小。在同一观测点，地层的电阻率不变，通过选用不同工作频率的方法，达到探测不同深度的目的。

2 地质概况与实测分析

2.1 工作区概况

场地位于湖南省耒阳市南阳镇东南侧宏发煤矿，宏发煤矿位于郴耒煤田白沙向斜前进井田东翼，开采范围内出露地层由老至新有二迭系上统当冲阶、龙潭组、大隆组、三迭系下统大冶组、侏罗系茅仙岭层、第四系(Q)。现将各地层及地球物理特征分述如下:(1)二迭系上统当冲组(P2d):位于棲霞阶之上，呈假整合接触。全阶段厚约180 m。其岩性为灰黑色硅质泥岩，硅质岩，上部含铁锰质结核。该层位视电阻率一般值在300～500Ω·m。(2)龙潭组(P2L):位于当冲阶之上，呈整合接触，全阶段厚约698.57 m，其岩性由砂岩、粉砂岩、砂质泥岩及煤层组成。该层位视电阻率一般值在50～120Ω·m。(3)大隆组(P2ta):位于龙潭阶之上，呈整合接触，全阶段厚约66.21 m，岩性为硅质岩、硅质泥岩及硅质灰岩组成、灰黑色、薄层状、网状节理发育、含菊石及腕足类等动物化石。该层位视电阻率一般值在300～400Ω·m。(4)下三叠系大冶组(T1t):分布于井田西侧，位于大隆阶之上，呈整合接触，全组厚约400 m，根据岩性划分为上、中、下三部分，下部为灰、灰黄色泥质灰岩与泥灰岩互层;底部与大隆阶顶部常有0～10 m左右的灰白色粘土，层位稳定，中部为灰色质纯灰岩，厚约30 m，上部以黄褐色泥质灰岩为主，间夹灰岩及钙质砂岩，厚约300 m。该层视电阻率一般值在400～600Ω·m。(5)侏罗系茅仙岭层(J1):分布于井田东侧，不整合于龙潭阶之上，全组厚约95 m，岩性划分为上部以粗粒砂岩为主，下部为中粒砂岩，间夹粉砂岩，具细砂岩条带，微波状层理发育，砂岩中夹有烟煤包裸体，在井田内不含煤层，砂岩成份以石英岩为主，次含有黑色矿物及云母片。厚层状，较坚硬，为良好的建筑材料。该层视电阻率一般值在500～800Ω·m。(6)第四系(Q):主要分布在沟谷中，由残积、坡积及冲积物组成，厚度0～12.68 m，一般厚3.8 m，与下伏各时代地层均呈不整合接触。该层综合视电阻率一般值在n×10～n×102Ω·m。(7)老窑、生产井及断层破碎带富水区:该层位视电阻率一般值在20～50Ω·m。

综上所述，全区探测目的层之间的电性差异均较大，具备进行物探工作的物性前提条件，给资料分析解释工作带来诸多的便利，同时也提高了物探资料定性、定量解释成果的精度。

2.2 选频法探测成果

现场勘测所用仪器为TR-2天然电场选频仪。该仪器对应的频率为15.7～1 450 Hz及混频。现场采用人工记录的方式，主要是记录不同频率的电位差大小，回到室内后将数据输入计算机，再采用专用软件进行处理成图。其中混频表示接收的信号中含有所有的频率成份。频率越低，勘探深度越大，所以，勘探结果分别对应10个不同深度的地电情况，因此勘探结果具有测深和剖面勘探的双重效果［5］。由于混频档接收信号比较丰富，有时曲线波动也比较大，异常幅度也较大。不同频率对应的深度变化大体范围［6］:频率与深度关系大体为300 Hz只能探测到20～40 m范围内，150 Hz能探测100 m左右，50 Hz能探测到200 m以下。为探明地下老窑水，根据天然电场选频法特点以及地质情况，电极距为20 m，测量点距为5 m，测线间距为100 m。

图1 15、16、19测线天然电场选频法探测结果

图(a)为15测线天然电场选频法成果图。在图中可以看出在110 m处有一处异常低电位，推测可能为煤矿采空区充水造成的异常低电位。在140～145 m处有比较显著的高电位异常，推测为煤矿采空区。在162～164 m处存在异常高电位，推测为煤矿采空区。

图(b)为16测线天然电场选频法成果图。16测线位于测区中部。在图中很清楚的看到，几乎所有的曲线都在测线35 m左右出现了十分明显的低电位异常，所以推测16测线34～36 m附近低电位异常可能为地下煤矿采空区。在该测线50 m左右出现十分明显的高电位异常，推测为煤矿采空区。在该测线175 m处出现异常高电位，推测为煤矿采空区。

图(c)为19测线天然电场选频法成果图。19测线位于测区中部。在图中很清楚的看到，几乎所有的曲线都在测线20 m左右出现了十分明显的低电位异常，所以推测19测线18～22 m附近低电位异常可能为地下煤矿采空区充水造成的。在该测线65 m左右出现十分明显的低电位异常，推测为煤矿采空区充水造成的。在该测线160～190 m处出现异常高电位，推测为煤矿采空区。在270 m处存在低电位异常，推测为采空区充水造成的。

2.3 瞬变电磁法对比测试结果

采用瞬变电磁法验证选频法对老窑水的勘探效果，瞬变电磁法测点距为20 m，测线距为100 m。19测线推测65 m左右出现十分明显的低电位异常，推测为煤矿采空区充水造成的，后经瞬变电磁法验证(如图2)，在60 m至100 m范围电阻率明显较低，证实结论。在270 m推测为采空区充水，经瞬变电磁法验证(如图2)在250 m处电阻率明显较低，证实结论。