地面瞬变电磁技术在探测煤层顶底板富水区分布中的应用

李 刚

(山西潞安矿业集团慈林山煤业有限公司李村煤矿，山西省长治市，046600)

煤层顶底板附近富水区的存在会对煤矿生产影响较大，威胁煤矿生产安全，从而造成严重的经济损失[1-2]。因此，提前提供区域内详细的富水区分布情况，可为煤矿的安全高效开采和智慧矿山建设提供有力的保障。瞬变电磁法(TEM)属时间域电磁测深法，又称“纯异常场法”，它是利用阶跃波形电磁脉冲激发，利用不接地回线向地下发射一次场，在一次场的间歇期间，测量由地下介质产生的感应二次场随时间的变化来达到寻找各种地质目标体的一种地球物理勘探方法[3]。当前，瞬变电磁法因其具有施工灵活、抗干扰强、施工效率高等特点，在煤矿生产中被广泛应用[4-8]。笔者以李村煤矿二采区为例，分析了瞬变电磁法在煤矿水文地质勘查中的应用。

1 研究区概况

1.1 地质概况

研究区位于李村煤矿二采区，该区地层属华北地层区山西地层分区晋东南小区，为华北型石炭-二叠系含煤构造，地层自下而上分别为奥陶系中统、石炭系本溪组、太原组、二叠系上统、下统、第四系。井田内大部分被第四系黄土所覆盖，中部出露二叠系上统石千峰组下段地层。采区内3号煤层为主采煤层，位于山西组下部，上距K8砂岩23.30～60.83 m，煤厚4.3～5.8 m，平均厚度4.94 m，结构简单，含0～1层泥岩、炭质泥岩夹矸，是全区主要可采煤层。

1.2 主要含水层水文地质特征

3号煤层为带压开采区，影响3号煤层开采的含水层主要是第四系及基岩风化带、K10、K8及K7含水层；其中K8和K7含水层为3号煤层顶、底板直接含水层。

(1)K8及山西组砂岩裂隙含水层组。K8砂岩为山西组与下石盒子组分界，该含水层为碎屑岩裂隙含水层组，井田内无出露，包括K8、K7砂岩及3号煤层顶板砂岩裂隙含水层，构成主采3号煤层的充水水源。岩性以中、细粒砂岩为主，平均厚度13.26 m，井田内该含水层组属富水性弱-中等的砂岩裂隙含水层组。

(2)上、下石盒子组砂岩裂隙含水层组(K10)。该含水层组为碎屑岩裂隙含水层组，井田内局部出露。主要由中、粗粒砂岩组成，一般裂隙较发育，局部充填。该含水层富水性与裂隙发育程度及其充填情况有关。

(3)基岩风化带裂隙含水层。该含水层的岩性因地而异，风化裂隙发育因岩性、构造及地形控制而不同，一般发育深度在50 m左右，该含水层一般富水性差异较大。

(4)松散层孔隙含水层组。该含水层组主要由具孔隙的亚粘土、砂、砾石等组成，区内大面积出露，水位埋藏一般较浅，主要接受大气降水补给，该含水层组渗透性好，局部含水丰富，属中等富水性含水层组。

2 地面瞬变电磁法探测

2.1 仪器选择

结合本次探测任务与实际地质情况，本次探测采用美国ZONGE公司生产的GDP-32II型多功能电法仪。该仪器具有动态范围较大、调节灵活及灵敏度较高等特点，可满足对本研究区深部地质探测需求。

2.2 测线布置

研究区内构造走向多为南北方向，根据瞬变电磁勘探方法测线布置原则，本研究将测线方向布置为东西向，其编号由南至北排序为L100～L2660，共计65条，各测线间线距为40 m。同时在测线上布设探测坐标点，其编号由西至东排序为100～5100，坐标点共计8364个。本次探测控制面积约为7.13 km2。同时在测区中部、北部及西南部选择了3条试验段作为测试试验地点，其中试验段1位于L860线700～980点，试验段2位于L1300线2420～2700点，试验段3位于L2060线4820～5100点，试验点总计24个。研究区内测点、测线布置及试验段位置如图1所示。

图1 测线布置示意

2.3 施工参数选择

瞬变电磁数据采集的参数设置事关数据信号的最终质量以及野外勘探的工作效率。因此，为了保证瞬变电磁法对富水区探测成果的有效性，应在正式探测前进行多次施工参数选择试验，通过对比分析不同探测数据的质量，从中挑选出针对该处研究区地质条件的最佳参数。本研究中，选择了研究区内3条试验段(试验段1、2、3)作为测试试验地点，经测试确定了较合理的施工参数。

(1)发射线框。3号煤层埋深约为500 m，同时考虑到研究区地形及野外施工效率，通过对比观察各边框的边框衰减曲线及边框反演深度，本研究选择规格为840 m×840 m线框。此外在对线框进行布设施工时，应确保其长度误差小于5%、方向误差小于1°，同时应将线框的余线呈“S”形铺于地面，且应确保供电导线对地绝缘电阻至少为2 MΩ，导线内电阻小于6 Ω/km。

(2)发射频率。4 Hz的衰减曲线比较圆滑，外部道强烈干扰而尾部道干扰较小，证明有效信号的总体衰减趋势特征已经被完整采集。

(3)发射电流。发射电流选取为26 A时，衰减曲线尾部相对较为平滑，能够有效地压制背景干扰噪声，提高探测分辨率。

(4)其他参数。增益为1，叠加次数为8，其他参数随频率变化由仪器内部设置自动调节变化。

3 数据处理与解释

3.1 资料处理

对于野外采集原始瞬变电磁数据，应及时进行逐条验收，并做好室内评级工作。若验收过程中发现原始数据存在异常或畸变，则应及时通知现场工作人员对数据存在异常区域进行重新布线检测；若原始数据验收合格，则应根据野外采集环境对数据进行滤波、一维反演等相应处理，获得合适的解释数据，并将其换算为视电阻率、视深度等含水性解释所用的参数。其数据处理流程如图2所示。

图2 数据处理流程图

3.2 资料解释

瞬变电磁数据的解释工作主要建立在原始数据经相应处理后换算得到的视电阻率断面图、视电阻率平面等值线图和视电阻率顺层切片图的基础上。因此，为提高探测数据解释的客观及准确性，在初步解释之后调整处理中的相关参数进行反复处理，直到满足解释要求。

(1)定性解释依据。沉积岩层若沉积均匀在垂向上一般呈层状分布，其横向上变化较小，因而电性响应特征在视电阻率剖面图上表现为：在纵向上视电阻率等值线均匀连续变化，在横向上视电阻率等值线平缓，无较大的褶曲跃变。但沉积的均匀完整性若遭到破坏，如地应力作用产生的裂隙充水，煤层开采后形成的冒落带、裂隙带充水等，其电性响应特征在视电阻率剖面图上将表现为低阻异常，使得视电阻率等值线出现不同程度的褶曲与跃变，形成封闭圈。因而针对岩层富水性的解释，可依据剖面图或平面图上视电阻率的横向变化特征。其中在平面图上，富水区的解释主要通过判别平面上的低电阻值封闭圈，极小值封闭圈为强富水区，次一级的极小值封闭圈为弱富水区。同时也应注意对富水异常区的划分,应结合电性特征与地质情况综合分析，不能脱离具体的地电环境分析。

图3 视电阻率剖面与测井曲线 (视电阻率-深度)对比图

(2)定量解释依据。电法勘探作为一种间接勘探方法，在原理上无法准确地测定探测目标体的绝对物理电阻率，但可利用相应的仪器设备对目标体的相关电性变化信息进行采集，尤其是均匀地层中发育存在的裂隙、地下水等异常目标体时。通过对采集的原始数据进行处理与分析，可获得地下视电阻率结果，并据此分析其数据高低变化及形态分布特征，如图3所示，结合已知钻孔资料，推断出有关地质体的相对定量解释标准。

4 富水异常区探测结果与分析

4.1 视电阻率断面图分析

对瞬变电磁探测数据进行相应处理解释，获得视电阻率结果，并沿测线方向切取剖面。同时结合已知钻孔资料及钻孔附近的地质层位与实际获得的视电阻率剖面进行比较，求出相应的计算系数对视电阻率结果进行深度校正，并对其进行定量解释。

4.1.1 L2580线断面图分析

L2580线视电阻率断面图见图4。从纵向上看，该图在剖面线的4420～4540号点均表现为低阻异常(图中红色虚线指示区域)，根据其标高推测为K8含水层富水异常区。同时F1断层在剖面上均无电性异常反映，推断为不富水断层。

图4 L2580线视电阻率断面图

4.1.2 L340线断面图分析

L340线视电阻率断面图见图5。从纵向上看，该图视电阻率值从高阻急剧下降到低阻再随深度的变化逐渐变大，符合地质的岩性变化规律；从横向上看，该图剖面线的4340～4500号点表现为低阻异常(图中红色虚线指示区域)，根据其标高位置推测为K7、K2含水层富水异常区。同理，在该图剖面线的4660～5100号点表现为低阻异常(图中红色虚线指示区域)，DF9断层位于该低阻异常区内，推测为DF9断层为富水断层，主要为煤系地层之间的富水。

图5 L340线视电阻率断面图

4.1.3研究区视电阻率值电性特征及低阻异常区划分原则

通过分析各视电阻率断面图可知，纵向上从浅到深其视电阻率值基本呈现由中、低、中、高的电性特征。从总体分析，图中上部(+850 m高程以上)为中阻表现，其值为20～70 Ω·m，从上到下呈逐渐减小的趋势，反映了新生界电性变化；中上部地层(+850～+400 m高程)为由低阻到中阻的表现，其值为20～40 Ω·m，反映了二叠系地层电性变化；中下部(高程+400～+150 m之间)为中高阻表现，其值为40～60 Ω·m，反映了石炭灰岩地层电性变化；下部(高程+150 m以下)为高阻表现，电阻率值一般都高于60 Ω·m，呈逐渐升高趋势，反映了奥陶系地层电性变化。

结合研究区的地球物理特征及钻井资料，经过分析对比后，最终确定了低阻异常区的划分原则：第四系及基岩风化带含水层视电阻率≤30 Ω·m为富水区；K10含水层视电阻率≤30 Ω·m为富水区；K8含水层视电阻率≤34 Ω·m为富水区；K7含水层视电阻率≤38 Ω·m为富水区。

4.2 目标层富水异常区圈定

在获得各测线视电阻率剖面图，即沿每条测线电性随深度的变化情况后，求解各目的层深度，然后通过插值方法，求得目的层相应深度对应测点处的参数值，最后利用同一个目的层的插值结果绘制各煤层顶板对应的电性异常分布平面图，从而获取第四系及基岩风化带、K10、K8及K7含水层的视电阻率反演数据顺层切片。同时根据电阻率等值线的梯度变化、范围、各测线的低阻异常的分布、在平面上的连通情况，并结合该研究区内低阻异常区划分原则，对上述含水层内的富水区的位置、范围和形态进行解释与圈定，从而获取3号煤层顶底板各主要含水层富水异常区圈定结果。富水区异常区圈定成果图中，色标由蓝-白-红表示视电阻率由低到高，其中图中蓝色区域的视电阻率值小于30 Ω·m，红色区域的视电阻率值大于80 Ω·m。

(1)第四系及基岩风化带富水异常区。第四系及基岩风化带富水异常区圈定成果如图6所示。由于新生界底部砂及砂砾石含水层与基岩风化带距离小，相互之间没有明显的电性差异，因此只能将其作为一个含水层来进行富水性的评价。已知水文资料显示该含水层属于弱富水层，含水层的补给主要来源于地表水，受季节性雨水的影响较大。本测区第四系厚度变化较大，测区的西部基岩出露，风化比较严重，东部第四系厚度达到180 m。通过观察图中视电阻率反演数据顺层切片可知，图中无红色区域，即视电阻率均小于80 Ω·m。基于研究区视电阻率值电性特征及低阻异常区划分原则，本研究在测区东部圈出4个异常区域，编号分别为Q1、Q2、Q3和Q4，推断解释为富水区。但第四系、基岩风化带下部的隔水层主要由具塑性的泥岩、砂质泥岩等组成，呈层状分布于各砂岩含水层之间，阻隔各砂岩含水层之间的垂向水力联系，相对独立。分析认为富水区与煤层相距较大，构造比较简单，垂向发育不明显，富水区与煤系地层含水层无明显导通关系，但随着矿井的开采或受到特殊因素影响，地层结构发生变化后，有可能会与下部地层形成导通关系。

图6 第四系及基岩风化带富水异常区圈定成果图

(2)K10含水层富水异常区。K10含水层富水异常区圈定成果如图7所示。K10含水层是3号煤层顶板之上的间接含水层，平均距离为110 m，已知水文资料显示该层属于弱富水性含水层。通过观察图中视电阻率反演数据顺层切片可知，图中无红色区域，即视电阻率均小于80 Ω·m。基于研究区视电阻率值电性特征及低阻异常区划分原则，本研究在测区内共圈定了10个富水异常区，编号自西向东分别标注为K10-1至K10-10。其中K10-1、K10-2、K10-3和K10-5富水异常区控制程度较可靠；其他富水异常区均受高压线干扰，数据质量受到一定影响。

图7 K10含水层富水异常区圈定成果图

(3)K8含水层富水异常区。K8含水层富水异常区圈定成果如图8所示。K8含水层是3号煤层顶板之上的直接含水层，平均距离为41.89 m，已知水文资料显示该层属于弱富水性含水层。通过观察图中视电阻率反演数据顺层切片可知，图中无红色区域，即视电阻率均小于80 Ω·m。基于研究区视电阻率值电性特征及低阻异常区划分原则，本研究在测区内共圈定了13个富水异常区，编号自西向东分别标注为K8-1至K8-13。其中K8-1、K8-2和K8-6富水异常区控制程度较可靠，其他富水异常区均受高压线干扰，数据质量受到一定影响。

图8 K8含水层富水异常区圈定成果图

(4)K7含水层富水异常区。K7含水层富水异常区圈定成果如图9所示。K7含水层是3号煤层底板直接含水层，平均距离为15 m，已知水文资料显示该层属于弱富水性含水层。通过观察图中视电阻率反演数据顺层切片可知，图中无红色区域，即视电阻率均小于80 Ω·m。基于研究区视电阻率值电性特征及低阻异常区划分原则，本研究在测区内共圈定了10个富水区，编号自西向东分别标注为K7-1至K7-10。其中K7-1和K7-2富水异常区控制程度较可靠；其他富水异常区均受高压线干扰，数据质量受到一定影响。

图9 K7含水层富水异常区圈定成果图

5 结语

瞬变电磁技术对低阻目标物反应敏感，在煤矿水文地质勘察中优势明显。在本研究中通过对所采集瞬变电磁资料的计算、处理，基于经分析研究得到的研究区视电阻率值电性特征及低阻异常区划分原则，并结合已知水文地质资料进行定性、定量分析和综合解释，基本查明了影响勘查区内3号煤层开采的顶底板含水层第四系及基岩风化带、K10、K8及K7的富水性，通过本次勘查工作，建议矿方在工作面布设过程中进行合理规划，并在煤层开采过程中对圈定的富水异常区地段进行井下电法探测及井下钻探工作，进行近距离的精确探测，从而确保煤矿的安全生产。