高分辨反射系数法在瞬变电磁探测煤矿水害中的应用效果

段吉学 刘 江 许德才 汶小岗 冯西会

(1.内蒙古自治区地质调查院，内蒙古自治区呼和浩特市，010020；2.国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，陕西省西安市，710021；3.陕西省煤田物探测绘有限公司，陕西省西安市，710005；4.陕西省煤田地质集团有限公司,陕西省西安市，710021)

1 研究概况

煤矿水害一直是影响煤矿安全生产的一个重要因素。煤矿地质条件、水文地质条件的复杂程度都影响着煤矿水害的发生，所以对于每个井田查明其范围内的地质条件、水文地质条件都非常重要。瞬变电磁法勘探具有横向分辨率高，对低阻体、地下含水体等反映灵敏的特点，在煤矿水害勘探和金属矿勘探领域得到了广泛的应用。但瞬变电磁法勘探经常由于浅层电性条件、地质条件的复杂性等因素的限制和物探方法本身具有的多解性，使得瞬变电磁法勘探的解释精度和成果可靠性受到一定的影响。采用常规瞬变电磁法进行野外数据采集时，采样时间的间隔一般采用近似对数等间隔，这样随着时间的增大，采样时间的间隔也增大，对应在深度上面就是有限数据的间隔也增大，意味着随着深度的增加瞬变电磁勘探的纵向分辨率降低。

2 用反射系数法作数据处理

2.1 工作原理

反射系数法 (简称“K剖面法”)是利用反射系数解释电测深曲线的一种方法。K剖面法能有效地提高对电性层的分辨能力，压制地下局部干扰和电性不均匀体的影响，减少旁侧影响。在分层定量解释时方法简单、参数多、图件直观。

高分辨率反射系数法是反射系数法的基础上发展起来的工作方法，在野外工作和资料解释方面有其创新点，高分辨率反射系数法在直流电测深法应用中取得了明显成效。现将该技术拓展应用到瞬变电磁法中，其原理如下：

反射系数法的理论基础是波动场与电场的相似性，自然界中的交变电磁场与波动场具有严格的一致性，它们都遵守了波动方程。无论是波动场或电磁场遇到波阻抗界面时都会产生反射与透射，其特性可以用反射系数等参数通过波动方程来表达。电法勘探中的一系列问题可以利用解波动场的一系列方法和反射系数等参数加以求解，这就是反射系数法的实质。

反射系数法已经在直流电测深法中得到应用，其原理和方法都已有论述。直流电场和交变电磁场具有相似的系数和公式，只是其中的参数不同而已。其中反射系数表示的是界面反射电流的能力。

直流电场中：

(1)

交变电磁场中：

(2)

式中：K12——直流电场中的反射系数；

ρ1和ρ2——第一层和第二层介质的电阻率，Ω·m；

z1和z2——第一层和第二层介质的阻抗率，Ω。

反射系数法是以波动方程为基础的，直流电法所满足的拉普拉斯方程是波动方程的一个特例。因此，反射系数法完全可以应用到交流电法中去，并且可取得类似的效果。

应用瞬变电磁法工作，当探测较深的地层(约大于300 m)时，其采样点布置较直流电测深法要密，故在观测精度较高时，也能达到高分辨率的效果。

高分辨率反射系数法能够消除一定的地形影响，因为反射系数K仅与测点下地质体产生的二次电位差V2相关，而与地形影响产生的二次电位差(干扰电位差)无关, 反射系数K也与由表层不均匀性影响产生的干扰电位差无关，即该参数亦可消除表层不均匀性对勘测深层地质体的干扰，从而提高了资料解释的可靠性和精度，将其应用到瞬变电磁法数据处理时,可消除一定的地形影响。所以高分辨率反射系数法可在瞬变电磁探测煤矿水害的实际应用中，在消除一定的地形影响、提高对地层的分辨率方面发挥一定的效果。

2.2 工作方法

(1)抽取瞬变电磁测深法测各时间道的归一化二次电位V(i)。用瞬变电磁法公式计算出归一化二次电位V(i)随高程H(即探测深度)衰减的曲线(i表示时间道的顺序号)。

(2)计算出高分辨率反射系数法的各种参数。通过二次电位V2(i)，计算出K1值，H(i)计算出K2值，再计算拟视反射系数的导数Ks。

式中：V2(i)、V2(i-1)——某一瞬变测点第i道和第i-1道的归一化二次电位值；

H(i)、H(i-1)——某一瞬变测点第i道和第i-1道的探测深度；

Ks——拟视反射系数；

K1——测点相邻两道二次电位V2的相对偏差；

K2——测点相邻两道探测深度H的相对偏差。

3 野外数据采集

勘探区地形支离破碎，沟壑纵横，为典型的黄土高原地貌，区内植被稀少，水土流失严重。基岩及红土沿沟谷两侧大面积出露，局部沟帮及梁峁之上覆盖第四系黄土或风成沙。

勘查区处于鄂尔多斯盆地次级构造单元陕北斜坡北部。陕北斜坡被围于西部天环坳陷、北部伊盟隆起、东部晋西挠折等构造体系之中，位于鄂尔多斯向斜东翼，除翼部边缘地带倾斜较大外，主要发育构造多呈宽缓短轴状背斜，地层倾角1°～3°，岩层倾向北西、北西西向。未发现规模较大的褶皱，断裂构造一般不发育。

勘探区地表大部分被第三、第四系沉积物所覆盖。地层由老至新依次为上三叠统瓦窑堡组(T3w)、侏罗系下统富县组(J1f)、侏罗系中统延安组(J2y)，第三系上新统静乐组(N2j)，第四系中更新统离石组(Q2l)。

井田范围内正在生产的小煤矿众多，各小煤矿多以房柱式及人工打眼放炮采煤，开采技术落后，主要分布在井田东南部庙沟门、三道沟地区的小煤矿主要开采5-2煤层，少数为5-2上煤层，中南部开峁沟、张明沟一带的小煤矿主要开采3-2、3-3煤层，西部老高川地区的小煤矿主要开采2-2煤层，少数开采3-1煤层。本勘查区5-2煤层最大埋深为178 m，因此可以确定本次勘探的最大深度约为180 m。

主要地质任务就是查明井田区域内老窑采空区的空间分布范围及富水情况。

瞬变电磁法具有体积效应小，异常响应形态简单，分层能力强，有较强穿透高阻覆盖层的能力，对低阻反应灵敏，易于突出电阻率低弱异常的特点。工作方法选择瞬变电磁法，工作装置采用大定源内回线装置。仪器采用美国ZONGE公司研发的GDP-32II电法工作站，发射边框160 m×160 m、发射频率32 Hz、发射电流12 A、采样延时250 μs、叠加次数256次。观测精度要求不大于7%。

4 资料解释

本次资料在常规资料处理的基础上，再进行高分辨反射系数法的精细处理，通过对处理资料所形成的图件进行分析，从点、线、面综合解释，得出最终地质成果。

4.1 孔旁测深曲线特征分析

选择C1钻孔资料显示，第四系中上更新统厚13.60 m，新近系保德组厚2.90 m，下覆地层为侏罗系延安组，岩性主要为细粒砂岩、粉砂岩及煤层。3-3煤层埋深47.10 m，厚度为0.60 m；5-2上煤层埋深100.10 m，厚度为1.50 m；5-2煤层埋深121.50 m，厚度为3.60 m。

根据C1钻孔以南10 m处测点孔旁测深资料，绘制该点视电阻率—视深度曲线图，见图1。

图1 视电阻率—视深度曲线图

由图1可以看出，曲线首支呈下降趋势，表层视电阻率值较下部视电阻率值要高(表层黄土受风化作用影响，土质松散、含水较少，新近系红土在电性上呈低阻反映)，对应第四系黄土和新近系红土。曲线出现极小值拐点后迅速上升，之后趋于平稳，变化较小，分析为细粒砂岩、粉砂岩和煤层互层的延安组地层。依据上述瞬变电磁单点曲线分析结果，并结合C1钻孔资料可知，瞬变电磁法曲线形态与实际地层情况基本吻合，但在解释深度上存在一定的误差，经分析计算得出本次瞬变电磁法深度解释系数为0.75。

4.2 视电阻率等值线断面图解释

图2为D264线(部分)瞬变电磁多参数解释资料对比图。从图2(a)可以看出，视电阻率等值线在一定程度上受到了地形起伏的影响，故利用反射系数法求取每个测点相应深度的视反射系数Ks值，将每个Ks值与其点号、高程一一对应，最终形成视反射系数Ks等值线断面图，从图2(b)中可以看出，视反射系数Ks等值线明显减弱了地形起伏的影响，且异常反映更加清晰。将各个测点相同测道的V/I值组合起来进行横向、纵向对比分析，绘制为多测道V/I剖面曲线，如图2(c)所示，凸显微弱异常。其中视电阻率断面图和Ks断面图中黑色粗实线为5-2上煤层底板等高线。

从图2中可以看出，在D264线400～680段视电阻率等值线向下弯曲，相对其两侧呈低阻异常，但400处弯曲幅度较小，异常不明显，是否为地形影响难以确定。Ks断面图中相同地段处Ks等值线出现较明显异常反映，可确定为地下地质体的反映。多测道剖面曲线图中该地段处二次场信号较大，衰减较慢，其在电性上为明显的低阻异常体反映，三者对应较好。根据已知钻孔资料可知，D1钻孔位于D264线48号点以东18 m，其在该测线投影位置如图2(d)中所示，钻孔揭露5-2上煤层为采空区，且结合以往区内三维地震勘探成果可知，460～520段解释为5-2上煤层采空区，并且有向北延伸之趋势。

图2 D264线多参数解释对比图

图3 5-2上煤层视电阻率等值线平面图

综上所述，根据瞬变电磁法资料并结合区内已知钻孔资料，将D264线400～680段推断为5-2上煤层采空积水区。

4.3 5-2上煤层视电阻率等值线平面图分析与解释

由5-2上煤层视电阻率等值线平面图见图3。由图3可知，视电阻率值在20～68 Ω·m之间变化，总体上看视电阻率值变化不大。测区的东北部沿已掘进巷道走向存在大面积的低阻区域，推断为巷道内大量的铁器、机器等干扰引起的。但是在测区的南部由东部边界直至西部边界存在大面积的低阻区域，该区域相对周围呈明显的低阻异常，等值线变化较密集，而且区域内存在大量的小窑巷道，视电阻率数值最小为16 Ω·m。根据5-2上煤层视电阻率等值线数值的大小、形态的变化及断面异常特征，结合已知钻孔资料和收集的小窑巷道分布图推断分析认为，测区南部由东部边界直至西部边界存在的大面积低阻异常为5-2上煤层采空积水区的电性反映。

5-2上煤层顶板主要以泥岩和粉砂质泥岩为主，其次为泥质粉砂岩和细砂岩。根据地质报告可知：延安组第一段主要含水层为主采5-2上煤层顶板砂岩，一般厚10～21 m，岩性为灰白色中细粒砂岩，基岩裂隙带较发育，地表出露泉点16个，流量为0.014～0.203 L/s，含水性微弱。5-2上煤层位于地下水侵蚀基准面以下，其开采后形成的冒落带高度为6 m，形成的导水裂隙带高度为33.27 m，极易形成导水通道，上部含水层中的水通过导水裂隙带成为补给水源，局部地段导水裂隙带将直接沟通地表水体，使地表水成为直接充水水源。根据地质资料可知，勘探区内5-2上煤层无出露，不利于采空后形成的积水排泄。

综上所述，5-2上煤层开采后形成的采空区具有一定的补给通道及水源，排泄条件不利，故随着时间的积累，5-2上煤层采空区内存在一定量的积水。

根据5-2上煤层视电阻率等值线平面图资料，5-2上煤层采空区边界主要依据视电阻率等值线变化密集带结合视电阻率值来划分的，边界线一般位于密集带的中点。5-2上煤层采空区边界部分成果图见图4。由图4可以看出，采空区西部边界已由D1、D2、D3、ZKIV-1钻孔4个钻孔控制，说明依据视电阻率等值线变化密集带划分采空区边界线的原则是正确的。

图4 5-2上煤层采空区边界部分成果图

5 结论

(1)通过本次工作，对勘探区范围内老窑开采情况有了进一步的深入了解，推断出了区内3-3煤层、5-2上煤层采空区赋存位置、范围和形态，并对采空区含水性进行了评价。

(2)在瞬变电磁法勘探工作中，运用高分辨反射系数法处理瞬变电磁勘探的资料，利用反射系数法参数进行资料处理和解释，不仅提高瞬变电磁勘探的纵向分辨率，还可以一定程度上消除由于地形的变化对实测数据的影响，提高资料处理的精度，使资料解释的地质成果与实际地质情况相符，达到了为煤矿安全生产提供可靠的水文物探资料目的。