典型地质异常体电磁法响应特征研究

牟 义

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013；3.山西晋煤集团技术研究院有限责任公司 物探工程分公司，山西 晋城 048006)

地质与勘测

典型地质异常体电磁法响应特征研究

牟 义1,2,3

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013；3.山西晋煤集团技术研究院有限责任公司 物探工程分公司，山西 晋城 048006)

为了精确预测煤矿构造、采空区及含水体等地质异常体，采用矿井瞬变电磁法在晋城矿区井下进行了大量试验研究，通过收集构造、采空区等典型地质异常体验证案例，分析电磁场响应多参数曲线，识别不同地质异常体的电磁场响应特性，形成各类便于分辨的可视化图件，来解释矿井构造、采空区及含水体等地质异常体分布范围及特性，达到精细化探测目的。结果表明：整体电位值相对较低，视电阻率值相对较高，且电位和视电阻率曲线出现跳跃起伏，这是识别不含水构造或采空区的典型电性特征；整体电位值相对较高，视电阻率值相对较低，电位和视电阻率曲线较为圆滑衰减，反演深度较正常岩层深度要浅，则是含水构造或采空区积水的典型电性特征。

瞬变电磁法；电位曲线；视电阻率曲线；采空区；断层；陷落柱

矿井瞬变电磁法将地面半空间瞬变电磁法引入到地下，形成全空间瞬变电磁法，地面大功率发电机改进为井下小型锂电池，地面大型大定源回线或中心回线改为井下小型多匝偶极装置或重叠回线，相较于地面，矿井瞬变电磁法具有设备轻便灵活、施工效率高、距离目标探测区域更近、探测视角更广、方向性更强等优点，逐步成为矿井探测水害的主要手段[1]。全空间矿井瞬变电磁法由于受铁器、电力、水力等井下复杂干扰条件影响，容易造成视电阻率显现异常，形成“假地质异常”，而不同的断层(含水、不含水)、陷落柱(含水、不含水)、采空区(含水、不含水)都有独特的电场响应特征，通过对比识别相应的地质异常特征，剔除“假地质异常”，从而提高探测精度。本文通过对瞬变电磁法的电场特征的分析，结合探测实例，总结不同地质异常体探测应用效果，为今后矿井瞬变电磁法精细探测提供借鉴。

1 矿井瞬变电磁法方法与技术

矿井瞬变电磁法又称为时间域瞬变电磁法，根据各类矿井探测区域的物性参数(电阻率、电导率)等的不同，采用矿井瞬变电磁仪向地下岩体发射脉冲电磁场，并观测其感应形成的二次场的变化特征及规律，达到查明地下隐蔽灾害的一种全空间电法勘探手段，从而保证矿井的安全生产[2]。

矿井瞬变电磁法由于巷道空间的局限，不能像地面瞬变电磁法一样按照直角坐标系布置测线，均按照极坐标系布置环形测线。超前探测一般设计纵向和横向半圆型测线剖面，实现全空间立体探测，每条测线剖面设计不同的测点极坐标角度，一般为15°或30°，通过顺着巷道空间或垂直巷道空间布置不同的测线剖面，达到巷道掘进工作面前方顶底板、左右帮全覆盖探测。瞬变电磁法探测方向及角度示意，如图1所示。

图1 瞬变电磁法探测方向及角度示意

2 构造电性响应特征研究

断层、陷落柱、溶洞、破碎带等构造显现的电场规律取决于构造的发育规模、尺寸及富水性等。当构造发育规模越大或电阻率与两侧岩层电阻率差异明显时，表现为高阻体或低阻体，破碎带越宽，越破碎，电阻率相对正常岩层差别越大；当构造体中存在含水体，富水性越强，电阻率越低，如果存在岩脉的话，形成良好的隔水层，且岩脉比正常煤岩层阻值要高，所以一般呈现高电阻率值。

2.1 不含水构造

以晋煤集团某矿15煤典型超前探测不含水构造结果为例，图2为多电场参数响应曲线，分别选取了3个典型数据点(虚线角度为180°，圈状线角度为75°，直线角度为45°)进行多电场参数响应特征分析。

图2 典型不含水构造电场响应曲线

从图2中可以看出，在2ms之前，图2(a)和图2(b)曲线3个数据点几乎重合，说明该段位于探测的一次场响应曲线，不能反映地层电场特征。在2～40ms之间，图2(a)和图2(b)曲线出现了明显的偏离，3条线近于平行，其中虚线电位值明显相对偏大，视电阻率值相对偏低，且衰减较为圆滑；直线相对居中，衰减较为圆滑；圈状线电位值相对偏低，视电阻率值相对偏高，且衰减过程中出现两处较大起伏。将该时间段测点进行时深转化形成视电阻率-深度曲线(图2(c))，转换后深度为20～120m左右，反映更明显，圈状线最大视电阻率值达到1000Ω·m以上，且有2处起伏，为高电阻率异常；直线视电阻率值位于100～1000Ω·m之间，为正常岩层阻值；虚线视电阻率值最低，整体位于100Ω·m以下，为低电阻率异常，该段区域真实反映出明显地层或构造电性信息差异。在40ms之后，图2(a)和图2(b)曲线发生剧烈变化，发生明显交叉跳跃变化，无明显规律可循，说明该段受其他电磁场干扰影响，不能真实反映地层的地电信息。

将2～40ms之间该方向的所有角度数据进行时深转换成图，可以更直观地看出不同角度电场特性差异。在图3视电阻率断面图中，发现在深色的高阻异常1附近出现了明显闭合双圈状高阻异常区域，且整体阻值较两侧区域偏高，推断此处存在至少2处不含水构造；浅色的低电阻率异常出现2处，低阻异常1和低阻异常2，整体相对阻值偏低，且靠近巷道两帮，对称分布，考虑到现场两帮为锚网，推断2处低电阻率异常为锚网干扰影响；而正常岩层在图中表现为介于深浅色中间色区域。在图4视电阻率线框图中也可以立体直观地看到中间高阻隆起部分，与两侧低阻区域形成鲜明电性差异对比。经过矿方掘进验证，图3高阻异常1前方闭合圈揭露不含水陷落柱，后方闭合圈揭露为不含水断层。

图4 视电阻率线框

2.2 含水构造

以晋煤集团某矿3煤典型超前探测含水构造为例，图5为典型测点视电阻率-深度曲线(虚线角度为90°，实线角度为105°)，进行电场响应特征分析，从图中可以看出，在15～120m区段为真实岩层反映的视电阻率衰减情况，2条曲线近于平行，且距离较远，实线视电阻率值相对正常，平均视电阻率值在60Ω·m左右，深度可达120m；虚线视电阻率值相对偏低，曲线衰减较为圆滑，平均视电阻率值位于30Ω·m左右，且探测深度较小，仅为70m左右，为低电阻率异常。

图5 典型测点视电阻率-深度曲线

在图6所有测点反演形成的视电阻率断面图中，浅色的低电阻率异常分布范围较大，位于整个探测区域的右侧，形成闭合圈状低电阻率异常，整体视电阻率值相对偏低，左右不对称，且现场没有明显铁器等干扰体，结合地质资料及现场情况分析，推测低阻异常1为构造裂隙水，而深浅色中间色代表正常岩层，在图中位于左侧，视电阻率等值线均匀衰减。在图7视电阻率线框图中也可以立体直观地看到右侧低阻凹陷部分，与左侧正常煤岩体形成鲜明电性差异对比。通过矿方进行打钻验证，在异常区位置打钻出水，水压最高达1.5MPa，最高水量8.2m3/h，后经过水质化验和钻孔透视分析，含水体主要为砂岩含水体通过陷落柱形成的构造水(图8)。

图7 视电阻率曲面

图8 顺层视电阻率叠加

3 采空区电性响应特征研究

晋城矿区大部分矿井不带压开采，受承压水作用影响较小，因此对岩体电性特征影响较小，主要受上覆裂隙带水体影响，晋城矿区第四系、K8砂岩层、K6灰岩层、K3灰岩层是富水性比较强的几个岩层，在开采3，9，15煤层过程中，一旦“上三带”发育，特别是导水裂缝带波及这些含水层，采空区导通富水甚至充满水，其视电阻率急剧下降，表现为低电阻率异常特征，而部分小煤窑采空区顶板未破坏或未波及含水层，形成密闭空间，呈现比正常煤岩层急剧升高的视电阻率值，表现为高电阻率异常。

3.1 含水采空区

以山西晋煤集团某煤矿3煤已掘巷道外侧帮探测采空区及积水情况为例，设计矿井瞬变电磁法探测测线3条，测线长310m，点距为10m，每条测线布置测点32个，探测方向分别为顶板45°方向、顺层0°方向、底板45°方向(如图9所示)。图10为顺层测线的电位-时间曲线，在2～100ms之间，为测得的二次场电位衰减曲线，曲线衰减较为圆滑，尾支没有明显跳点，说明现场没有明显铁器等干扰源，且所有曲线近于平行，但出现了明显偏离，形成了两束分离明显的线束：1-15号点实线线束和16-32号点虚线线束，虚线束相对电位值明显偏大，整体位于实线束上方，将该测线所有测点进行时深转化形成视电阻率-深度曲线(图11)，转换后深度为20～130m左右，差异反映更明显，虚线束和实线束之间没有交叉重合，虚线束视电阻率值相对较低，整体平均位于4.5Ω·m左右，为明显相对低电阻率异常，实线束视电阻率值整体平均位于10Ω·m左右，为相对正常煤岩体视电阻率值。

图9 巷道测线布置

图10 顺层电位-时间曲线

图11 顺层视电阻率-深度曲线

在图12顺层测线视电阻率断面图中，浅色的低电阻率异常分布范围较大，位于16-32号测点之间(距离为150～320m)，形成成片的低电阻率异常，整体视电阻率值相对偏低，左右不对称，与深浅色中间色的1-15号测点(距离为0～150m)之间区域视电阻率值差异较大，且现场没有明显铁器等干扰体，根据矿方提供的资料，推断低阻异常1为3煤采空区及上覆裂缝带水，为强富水区。在图13视电阻率曲面图中，也可以立体直观地看到右侧浅色低阻凹陷部分，与左侧深浅色中间色正常煤岩体形成鲜明电性差异对比。后经矿方打钻，验证为原小煤窑3煤采空区，且打钻出水量较大，共计放水8×105m3。

图12 顺层0°方向视电阻率探测结果

图13 2305巷顺层0°方向视电阻率曲面

3.2 复杂采空区

以晋煤集团某矿3煤典型超前探测复杂采空区为例，图14为多电场参数响应曲线，分别选取了3个典型数据点(虚线角度为45°，圈状线角度为135°，实线角度为120°)进行多电场参数响应特征分析。从图14中可以看出，和图2的多电场参数曲线相类似，前期为一次场表现，晚期场受其他电磁场干扰明显，感应的有效二次场主要集中于1～35ms之间。在该段区域，图14(a)和图14(b)曲线也出现了明显的偏离，3条线没有交叉，虚线电位值明显相对较大，视电阻率值相对较低，且衰减较为圆滑；实线相对居中，衰减较为圆滑；圈状线电位值相对偏低，视电阻率值相对偏高，但不如图2明显，且衰减过程中起伏较大。将该时间段测点进行时深转化形成视电阻率深度曲线(图2(c))，反演后深度为10～100m左右，圈状线整体位于实线上方，视电阻率略高，特别是深度50～90m处，较为明显，为高电阻率异常；实线视电阻率值大部分位于10～100Ω·m之间，为正常岩层阻值；虚线视电阻率值最低，整体位于10Ω·m以下，为低阻异常。该段区域真实反映出明显地层或采空区电性信息差异。

图14 顺层0°方向典型测点曲线

将该方向的所有角度1～35ms之间数据进行时深转换成图，可以更直观地看出电场特性差异，在图15视电阻率断面图中，发现在深色的高阻异常1附近出现了明显闭合圈状高电阻率异常区域，且整体阻值较两侧区域偏高，推断此处存在原小煤窑不含水采空区。浅色的低电阻率异常出现2处：低阻异常1和低阻异常2，整体相对阻值偏低，且不对称分布，现场也无锚网干扰影响，推断两处低电阻率异常为原小煤窑采空积水区。而正常岩层在图中表现为深浅色中间色区域。经过矿方打钻验证，前方50m之外见空，通过钻孔透视发现，为小煤窑空巷，无积水，后退30m，向右侧帮打钻，打到深度35m遇空，出水，水量较大。

图15 顺层探测视电阻率断面

图16 顺层方向探测成果叠加

4 结论与建议

通过采用矿井瞬变电磁法在晋城矿区井下进行大量试验研究，收集整理了大量构造、采空区等典型地质异常体验证案例，分析其电磁场响应多参数曲线，对比不同地质异常体的电磁场响应特性，来区分并解释矿井构造、采空区及含水体等地质异常体分布范围及特性，并形成各类便于分辨的可视化图件，立体直观区分异常体特征，达到精细化探测目的。通过以上分析，得出结论如下：

(1)对于不含水构造，整体电位值相对较低，视电阻率值相对较高，且电位和视电阻率曲线对不含水构造反映明显，曲线出现剧烈跳跃起伏，这是识别不含水构造的典型电性特征。

(2)对于含水构造，整体电位值相对较高，视电阻率值相对较低，电位和视电阻率曲线较为圆滑衰减，反演深度较正常岩层深度要浅，其电性响应特征与锚网等铁器干扰的电性响应特征相类似，如能排除现场铁器干扰，则较易识别含水构造。

(3)对于含水采空区，整体电位值相对偏高，视电阻率值相对偏低，且随着含水采空区面积分布范围的扩大，典型响应曲线特征点大幅增加，呈束装分布，这是识别含水采空区的典型特征。

(4)对于不含水采空区，整体电位值相对偏低，视电阻率值相对偏高，局部曲线出现剧烈跳跃起伏，且随着不含水采空区面积分布范围的扩大，剧烈跳跃点增多，亦呈束状分布，易于识别。

各类地质异常体电性响应特征分析均未考虑现场铁器、电力、水力等干扰条件和干扰体对响应曲线的影响，亦未考虑仪器及软件不同参数选取对响应曲线的特征影响，因此，以后的试验工作中需加大这方面的研究工作，以期更符合实际条件。

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[责任编辑：李 青]

Study of Electromagnetic Response Characteristics of Typical Geological Anomalous Body

MU Yi1,2,3

(1.Safety Institute，Coal Science and Technology Research Institute Co.，Ltd，Beijing 100013，China； 2.Coal Resource High Efficient Mining & Clean Utilization State Key Laboratory(China Coal Research Institute)，Beijing 100013，China； 3.Geophysical Exploration Engineering Branch，Shanxi Jinmei Group Technology Research Institute Co.，Ltd，Jincheng 048006，China)

In order to precisely prediction geological anomalous bodies ，such as coal mine tectonics，goaf and water body，a large amount of experiments studying with transient electromagnetic method was done in Jincheng coal mine district，some typical geological anomalous body cases were collected，which include tectonics，goaf and so on，many electromagnetic filed parameters response curve was analyzed，the electromagnetic response characters of different geological anomalous body were identified，then some easily distinguished visual pictures were formed，the distribution scope and characters of some geological anomalous bodies of mine structures，goaf and water body could be explained，the precisely prediction could be reached.The results showed that the integral potential was low relatively，apparent resistivity was high relatively,fluctuation change appeared in potential and apparent resistivity curves，it’s a typical character of structures without water and goaf，integral potential was high relatively，apparent resistivity was low relatively，smoothing attenuation appeared in potential and apparent resistivity curves，the inversion depth was more deeper than normal rock strata was typical character of structure with body and goaf water.

transient electromagnetic method；potential curve；apparent resistivity curve；goaf；fault；collapse pillar

2017-03-20

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.04.002

国家科技重大专项资助项目(2016ZX05045001-004)；国家自然科学基金(51404139)

牟 义(1983-)，男，山东日照人，硕士，副研究员，从事地球物理方法技术研究与应用工作。

牟 义.典型地质异常体电磁法响应特征研究[J].煤矿开采，2017，22(4)：4-9.

TD175

A

1006-6225(2017)04-0004-06