瞬变电磁法在四川省盐源县某煤矿区三井田主平硐工程地质勘察中的应用

（四川煤田地质工程勘察设计研究院，四川 成都 610072）

某煤矿区三井田主平硐K0+820 m处发生规模较大的坍方和涌水突泥，导致主平硐K0+820～K0+700 m段被涌出物完全堵塞，并造成该段风水管道、电缆设施损毁。为查明工作区岩体破碎带、裂隙发育情况及富水性及坍方区域破碎带发育情况，在主平硐K0+700～K2+300 m段两侧各140 m区域开展了瞬变电磁法勘察工作。通过工程地质钻探验证工作，查明主平硐通过区域的水文工程地质条件及断层的导水性等。

1 区域地质概况

1.1 区域构造

井田所在区域主体构造为一不对称的干塘沟向斜（S1），该向斜轴线走向N50～60°E，长约17 km，向斜两端扬起，轴线南段呈南西向弧形突出，北段向北东方向弧形突出展布，总体略似一反“S”型。矿区位于该向斜南西端，向斜在区内走向长约4 km，北西翼陡，岩层倾角45～75°，南东翼较缓，层倾角10～30°，向斜核部为东瓜岭组第八段，两翼为东瓜岭组七～一段。主平硐穿越主要构造有干塘沟向斜、F6断层、F9断层等。

1.2 含水层、隔水层特征

区内出露地层主要为三叠系上统东瓜岭组（T3d）和第四系残坡积及冲洪积层（Q4），含隔水特征自上至下叙述如下。

1.2.1 第四系残、坡积层及冲、洪积层（Q4）孔隙含水层

残、坡积层主要分布在基岩表面和斜坡的下部，厚0～15 m，以粉质黏土为主，夹少量碎块状砂岩、泥岩；冲、洪积层主要分布在干塘沟河谷一带，厚0～10 m，以卵石、砾石、中细砂为主，结构松散，透水性强，富水性中等。

1.2.2 三叠系上统东瓜岭组（T3d）裂隙含水层

该组地层大面积出露于向斜轴部及两翼，总厚589.73 m，按岩性组合特征及富水性特征，可将其划分为上下两个含水岩组，其中本次工作区内主平硐将穿越上含水岩组（T3d5～8）。

上含水岩组（T3d5～8）岩性以灰～浅灰色砂岩为主，各层段间夹有薄层泥岩、砂质泥岩和煤线，泥岩厚度小于3 m，不具隔水作用，因此，将东瓜岭组五～八段地层划为一个含水岩组。该含水岩组主要出露于向斜轴部及两翼，出露面积约6.2 km2，本含水层组平均厚327.37 m，其中，砂岩平均厚311.66 m，占该层组总厚的95.2%；泥质岩平均厚14.40 m，占4.4%；煤层总平均厚1.31 m，占该层0.4%。

据地面调查，在该含水岩组共有泉点33个，多分布在顺向坡沟谷中及向斜轴部槽谷地带，标高一般在2 800～3 000 m，流量0.010 1～0.183 3 L/s，多为季节性泉水，旱季干枯，少量为长年性泉水，据长期观测资料，动态变化都不大，雨后泉水流量有所增大，但流量均小于1 L/s。

上含水岩组以裂隙含水为主，在向斜北西翼，岩石较完整，裂隙不发育，富水性较弱；在向斜南东翼，裂隙相对较发育，含水层富水性弱～中等，属裂隙弱～中等含水层组。为HCO3·CO·Ca型水，水质中HCO3-、Ca2+含量偏大，显示地下水为浅层地表循环水。

1.2.3 断层富水性及导水性

F6逆断层：位于干塘沟向斜东段核部附近，断层延伸方向NE～SW，倾向SE，倾角70°，断距90 m，最大落差80 m，走向长度约1.85 km，切割了整个T3d地层，断层破碎带宽达30 m，破碎带为泥质胶结，胶结程度中等，地表未见泉水出露，仅见少量渗水。虽然干塘沟沟水在流经断层时未发现漏失现象，但不排除采矿影响断层带充填情况，沟水顺断层进入矿井的可能性。

F9逆断层：位于干塘沟向斜北西翼东段8～9号勘查线一带，延伸方向NW～SW，倾向SW～SE，倾角75°，落差大于100 m，走向长度约1.8 km，切割了T3d5～T3d4+3等含、隔水层，破碎带宽约8 m，多为泥质胶结，地表未见泉水出露，该断层富水性和导水性弱～中等，不均一。

2 瞬变电磁法原理

瞬变电磁法（简称TEM）是一种重要的电法勘探方法，其原理是利用发射的一次脉冲电磁场激励地质体产生二次涡流场，通过只研究纯二次涡流场随时间的变化规律来探测地下介质的电性。瞬变电磁法测深原理可由M.N.Nabighian（1979）采用的“烟圈理论”形象化地描述：感应二次涡流场瞬变响应以等效电流环随着时间的推移向外、向下扩散，形如发射回线吹出的“烟圈”，早期接收的瞬变电磁场反映浅部地质体电性，晚期接收的瞬变电磁场反应深部地质体电性[1-3]。在均匀介质半空间条件下，中心回线瞬变响应的解析式为：

根据不同延时瞬变响应的电阻率特性中心回线解释，可推断出破碎断裂带、低阻富水岩体、岩溶空腔等地质体的发育位置。

3 应用效果

3.1 视电阻率断面图分析

图1是1018线视电阻率剖面图，图中横坐标为测点距离测线起点的水平距离，纵坐标为标高。剖面颜色从蓝色～绿色～黄色～橙色～红色的渐变，代表了视电阻率由低～较高～高的渐变过程。当岩层富水性强时，视电阻率参数曲线的相应段均有局部低电阻体反映，在视电阻率剖面图上，视电阻率值相对较低，部分表现为低阻封闭圈。

图1 1018线视电阻率剖面图

从剖面图上看，桩号300～1200视电阻率等值线较均匀平缓，构造不发育。桩号200～300之间存在低阻异常，同时视电阻率等值线发生密集条带状畸变，结合现场情况分析，为正在施工的风井的反应；桩号1200～1700段出现视电阻率等值线扭曲现象，推断存在破碎带。剖面浅部存在的高阻条带为盲区假异常，剖面小桩号深部存在的中高阻条带为冬瓜岭组第八段（T3d8）的地层反应。

3.2 视电阻率水平切片图分析

2 500 m水平标高视电阻率等值线切片图如图2所示。

在图中可见地层岩性均一稳定无破碎带区域，视电阻率值分布较稳定，等值线形态平缓、均匀，无明显差异显示；反之，若断裂构造区域或者富水低阻区域，电性分布不均匀，等值线剧烈变化，形态呈条带状密集圈闭。

图2 2500m水平标高视电阻率等值线切片图

切片中大部分区域视电阻率变化平缓，桩号100～300出现的低阻条带为风井引起的异常，在桩号1200～1400间存在低阻条带异常，推测为岩体较破碎，桩号1400～1700间存在等值线剧烈变化的区域，该区域推断有一条断裂构造通过，引起附近地层电性发生不均匀变化。

3.3 过井断面分析

ZK2号钻孔位于测区中部，在瞬变电磁法区域中位于1020线桩号1 000处，钻探揭露井深190 m附近出现断层角砾岩，相应的位置出现低阻条带异常，与钻探揭露情况吻合。结合平切图分析，ZK2号钻孔揭露的断层走向基本与测线方向小角度相交，方位约66°，倾向156°，倾角约27°。

4 结语

（1）相比于接地电法，瞬变电磁法可以不接地测量，适用于接地条件较差的工区。

（2）采用瞬变电磁法勘察煤矿水害，有效地反映了巷道穿越地段基岩裂隙破碎带发育情况，发现了破碎带1处，经钻孔验证有较高的吻合性，较好地解决了地质问题。

（3）瞬变电磁法具有浅部盲区，如果探测深度较浅，则不宜采用该法。

（4）瞬变电磁法理论复杂，国内的主要资料处理反演解释软件仍值得改进。