瞬变电磁法在矿井防治水工作中的应用

李文刚

（中煤科工集团西安研究院有限公司电法勘探技术研究所，陕西省西安市，710077）

瞬变电磁法在矿井防治水工作中的应用

李文刚

（中煤科工集团西安研究院有限公司电法勘探技术研究所，陕西省西安市，710077）

为了分析研究麻地梁矿井主采煤层附近地层的富含水性等局部水文地质情况，开展了地面瞬变电磁法勘探。通过瞬变电磁勘探数据的滤波与反演等精细处理，分析了视电阻率拟断面以及不同层位的富水异常平面结果。基本查明了区内奥灰、主采煤层附近富水异常区的空间展布及其相对强度，为井下防治水工程设计提供了物探依据。

瞬变电磁法 水文地质 防治水 富水区 麻地梁煤矿

煤田水文地质工作是煤矿得以正常、安全开采的重要任务之一，一方面是北方水资源缺乏、煤矿供水问题突出，另一方面是矿井突水、采空区积水等对煤矿安全生产的威胁。瞬变电磁法可有效探测低阻含水岩体，准确率高，因此在探测矿井富水情况和含水断层、裂隙的分布方面得到广泛应用。为了探查麻地梁矿井主采煤层附近的含富水情况，本文结合水文地质勘查资料，论述了瞬变电磁法在麻地梁矿井初期建设防治水工作中的应用，为做好矿区防水治水提供理论基础，并为矿井工业水源提供目标区。

1　水文地质概况

麻地梁矿井处在内蒙古自治区准格尔煤田西南端，位于黄河西岸鄂尔多斯市境内。目前，该矿处在动工建设初期，井田大部被第四系黄土和风积沙所覆盖，只有局部的冲沟中才有基岩出露，根据地表出露及钻孔揭露，勘探区为典型的黄土高原地貌，黄土广布，沟壑纵横，侵蚀切割作用强烈，水土流失严重。井田地势西北高、东南低，勘探区地势西面及西南低、东面高。

黄河流经勘探区的东缘、南缘，距勘探区东部边界约16.8 km为万家寨水库，水库水位受该水库用水调蓄及周边地区调水量的影响。由于探测区周边的大部分区域黄河河床坡度大、侵蚀力度大，导致下切作用强烈，河谷狭窄。黄河河床全部为寒武、奥陶系地层，与石炭系、二叠系地层未有直接接触，所以与煤系地层中的含水岩组也无水力联系。探测区东岸的寒武系、奥陶系地下水及煤田内地表水全是经过黄河这个天然场所进行排泄，黄河同时补给西岸寒武系、奥陶系含水层。

矿区内宽缓的老赵山梁背斜从井田东南部南北向通过，井田中部转为北西向，井田西部又转为东西向，在井田西界外与田家石畔挠折带交汇。本次瞬变电磁勘探测区位于老赵山梁背斜延长线与田家石畔—长滩挠折带交汇处北侧，测区无已知断层发育。受该构造影响，探测区可能存在较强的富含水区，勘探涉及的地层主要为二叠系、石炭系和奥陶系。

2　瞬变电磁勘探原理

瞬变电磁法（TEM）是利用不接地回线或接地电极向地下发送脉冲式一次电磁场，用线圈或接地电极观测该脉冲电磁场感应的地下涡流产生二次电磁场的空间和时间分布，从而解决有关地质问题的时间域电磁法，其工作原理如图1所示的。

图1　瞬变电磁法工作原理图

它在产生涡流的瞬变过程中，在空间上形成相应的瞬变磁场称为二次场。二次场是由地质异常体的电性特征、赋存状态决定的，在其时间特征中，浅部的异常体信息通过早期信号来反映，而深部地层信息由晚期信号来反映，早晚期信号的响应可以反映探测深浅不同的地质信息。一般来说，探测目标的几何规模越大、埋藏越浅、导电性越好，则二次场的信号越强、持续时间越长；反之，探测目标的几何规模越小、埋藏越深、导电性越差，则二次场的信号越弱、持续时间越短。因此，通过观测和研究二次场的空间分布特征和时间特征，可以推测解释异常体的电性结构和空间分布状态。

3　瞬变电磁法在麻地梁矿井的应用

为了探测富水区范围及主采煤层附近含水情况，结合勘探区实际情况，基本测网密度设计为50 m×20 m。在测区范围内从西向东设计41条测线，测点从南向北依次编号为0～46。测区具体布设如图2所示。

图2　测区测线、测点布设图

对采集的数据进行滤波等处理，最终反演转换得到ρs（视电阻率）和ht（视深度）等参数，并以ρs和ht为参数用平面等值线图的形式绘制出来，最终绘制了沿测线和沿测点的视电阻率拟断面图和顺层视电阻率综合切片图。

异常划分通常有两种途径来确定:一是根据探测区内已知电性及水文地质条件来确定；二是在一个新的矿区，根据对实测曲线的数理统计分析计算得到。后者就是常用的异常划分标准，该标准将相关参数δ分为5个等级，分别为其中δ在此处为视电阻率为视电阻率算术平均值，δn为视电阻率标准偏差值。本文中将的低阻区域定为相对富含水异常区。

3.1视电阻率拟断面图特征

在视电阻率拟断面图上，若地层在不受富水区域或含导水构造影响的正常情况下，煤系地层的电性变化有一定的规律性，视电阻率值变化稳定，等值线呈似层状分布，变化平缓；相反，当存在低阻富水区域或含导水构造时，则视电阻率值降低，等值线发生扭曲、变形或呈密集条带状等，可直观确定出相对低阻异常体的空间赋存情况和异常的强弱。

测区电性层位表现比较明显:浅地表以砂质粘土为主，视电阻率值为80Ω·m左右；其下是二叠系细砂岩、泥岩、砂质泥岩、泥质砂岩等互层，视电阻率相对升高，在100～150Ω·m之间；再往下，石炭系含煤地层视电阻率值略高，平均为160Ω·m左右；最下层奥陶系灰岩视电阻率值在170～230Ω·m之间变化。

图3、图4分别为6号测线、22号测线视电阻率断面图，图中等值线值表示视电阻率，单位为Ω·m，后同。由图3可见，浅层视电阻率等值线变化平缓，表明该处地层稳定。深层有较明显的一处低阻异常延伸到奥灰附近，为1号异常区所在位置。在异常附近等值线明显扭曲，幅值低于其它测点，呈现低阻反应，该位置与挠折带发育位置较近，推测这里地层中裂隙较为发育，导通不同层位的含水层，使该处地下水富集。而图4中1～6号测点附近，明显发育一低阻异常区，和周围点同一深度的电性相比较，其阻值低20Ω·m左右，该异常从4#煤层附近一直发育到奥灰附近。推测这里地层的富水性较强，该异常标记为3号异常区。

图3　6号线视电阻率断面图

图4　22号线视电阻率断面图

为了更进一步的分析异常的特点，在资料解释时沿5号测点切取了点剖面，如图5所示。在该剖面上，21～25号测线附近的电阻率值明显偏低，从剖面上分析，该异常（3号异常区）从奥灰发育上来，在煤系地层附近发育不明显，特别是在4#煤层上面的地层基本没有变化，因此推测该异常是由于奥灰富水所引起。另外，剖面上33～41号测线附近出现了一个次级异常带，标记为2号异常区，从剖面上看该异常发育较浅、规模较小，推测为砂岩局部含水所致。

图5　沿5号点视电阻率断面图

3.2视电阻率平面图反映特征

在富水异常平面图上，若层位分布稳定、不受低阻富水区域和含、导水构造控制和影响的情况下，电性分布稳定，视电阻率值不会产生明显的畸变，在图上表现为视电阻率等值线分布均匀、平缓；反之，若地层含有相对低阻富水区和含、导水构造时，电性的均匀分布规律被打破，反映在平面图上为低阻异常区呈现视电阻率值减小，等值线扭曲、变形为圈闭或呈密集条带状等。

图6为4#煤层上20 m附近的富水区范围视电阻率异常分布平面图，该层的视电阻率值在76～150Ω·m之间变化，平均视电阻率值为134Ω·m，标准偏差为22.6，根据异常划分标准，小于127Ω·m的区域为相对低阻异常区。从图上看，主要富水区（1号异常区）处于测区的西面，这与该区域可能受挠折带控制有关。该区域煤层埋深较大，新生系地层较厚，为地下水渗入、运移创造了条件。另外，该测区东部附近，发育有一个次级异常（2号异常区），该异常从物性上分析，富水性较弱。

图7、图8分别为6#煤层和8#煤层下30 m附近富水区范围视电阻率异常平面图，反映了砂岩层段的电性分布特征。两层的视电阻率值在90～220Ω·m之间变化，异常区根据对应的异常划分标准圈定。从图上看，主要富水区在测区西部，该异常区与4#煤层上20 m对比发现，其分布范围变化不大。原先在4#煤层上20 m发育的2号异常区在这里消失，但3号异常区在此层段上出现，由于这里的原始资料质量较好，异常可靠性也较高。

图6　4#煤层上20 m附近富水区分布图

图7　6#煤层附近富水区分布图

图8　8#煤层下30 m附近富水区分布图

图9为奥灰附近层段的富水性异常分布图。灰岩电阻率较高的性质在测区东部得以体现，反映了灰岩层段的电性分布特征。本层段的视电阻率值在80～235Ω·m之间变化，平均视电阻率值为176 Ω·m，标准偏差为33.7，根据异常划分标准，小于165Ω·m的区域为相对低阻异常区。主要富水区（1号异常区）在测区西部，分布范围与4#煤层顶板上20 m、6#煤层附近以及8#煤层下30 m层位富水范围相比变化不大。测区南部3号异常区的范围和幅值相比8#煤底板下30 m范围略有扩大，推断为奥灰在此处附近相对富水所致。

图9　奥灰附近富水区分布图

3.3测区水文地质初步综合评价

从瞬变电磁法探测结果来看，测区内主要的富水区位于测区的西面附近（1号异常区），在其他的地方零星发育一些富水区（2号异常区、3号异常区）。1号异常区的发育形态为一喇叭形状，在靠近老赵山梁背斜延长线与田家石畔—长滩挠折带交汇处一侧，其富水异常尤为明显。推测这是由于这里裂隙较为发育，形成储水空间，同时这些裂隙也可能导通上下含水层，从而导致此处地层富水性较强。

从剖面上分析2号异常区仅发育在4#煤层附近，推测只是由于砂岩局部含水所引起；3号异常区是从奥灰附近发育的，根据区域水文地质情况推测这里的富水性也较强。

4　结论

测区内共查出3处相对低阻异常区，通过分析电阻率断面图及平面图，测区西部存在分布范围广、含水性强的主要富水区为1号异常区，而2号异常区推测是砂岩局部含水所引起，3号异常区分析是由于奥灰含水所引起。通过对麻地梁矿井的地面瞬变电磁法勘探取得的研究成果证明，瞬变电磁法在富水区的探测方面应用会取得很好的效果，为矿井建设的防水治水工作提供了理论依据和保证。由于本次电法资料反映的参考文献：

均是水的静态特性，而在煤层开采或巷道掘进的情况下，由于地应力的急剧变化，煤层附近水的赋存状态也会随之变化，所以必须考虑到煤层顶板冒落以及底板破碎等造成裂隙扩大或增加新的导水通道的可能性。

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（责任编辑 郭东芝）

Application of transient electromagnetic method in water prevention and control work in mine

Li Wengang
（Electric Prospecting Research Institute，Xi'an Research Institute of China Coal Technology& Engineering Group Corp.，Xi'an，Shaanxi 710077，China）

In order to analyze the local hydrogeological conditions of the stratum around the primary mineable coal seam of Madiliang Coal Mine，such as the water-bearing ability，ground prospecting with transient electromagnetic method was carried out.Based on the precise processing of transient electromagnetic prospecting data，such as smoothing and inversion，the apparent resistivity pseudosection map and abnormal water-rich area in different strata were analyzed.The spatial distribution and relative intensity of abnormal water-rich area around the Ordovician limestone layer and primary mineable coal seam were found out，which provided geophysical prospecting basis for water prevention and control engineering design.

transient electromagnetic method，hydrogeology，water prevention and control，water-rich area，Madiliang Coal Mine

P631

A

李文刚（1982-），男，甘肃会宁县人，工程师，大学本科，毕业于中国地质大学（武汉）地球物理勘探专业，从事应用地球物理方面的研究。