瞬变电磁法在某铁矿岩层富水性探测中的应用

尚继斌，秦振超，王 蓓

(1.山东金邑矿业有限公司，山东 潍坊 261000；2.元亨工程咨询集团有限公司，山东 烟台 264000)

0 引言

目前国内铁矿富矿少、贫矿多，铁矿资源需求巨大，铁矿石来源大多依赖于进口[1]。铁矿石是钢铁工业的原料，钢铁工业的发展与国民经济和社会钢铁材料的应用有着密切的联系，铁矿石的供给对钢铁工业的发展有着至关重要的意义[2-4]。在铁矿山的开采推进过程中，安全因素不容忽视，危害的多样性使得矿山的治理与开采变得困难重重，其中矿井水害就是重要灾害之一。巷道顶底板地质条件较为复杂，形成一系列具有成因联系的构造裂隙及溶孔溶洞，容易发生因顶底板富水而造成的透水事故，严重威胁矿山的开采进程[5-7]。 目前，对于矿井顶底板岩层富水性的探测主要是借助于地球物理手段，该手段也是现今较为高效且经济便捷的一种方法，主要的探测方法有地质雷达和微震检测技术[8-9]、电磁法[10]、直流电法[11]、高密度电法[12]以及由传统电法发展而来的新一代电法数据采集方法，如三维直流并行高密度电法[13]和阵列式并行电法[14]。电磁法包括可控源音频大地电磁法和回线源瞬变电磁法等传统地面电磁法、广域电磁法和短偏移距瞬变电磁法等近源电磁法、新发展起来的地空电磁法[15]。其中瞬变电磁法在近些年来发展迅速，具有较为明显的优势，包括探测精度高、盲区范围小、灵敏度高、具有较强的抗干扰性等，在地球物理勘探中得到了广泛的应用[16]。

杨柱等分别基于瞬变电磁法、TSP超前预报、钻孔地质雷达在巷道掌子面前方准确探测出含水断层破碎带或裂隙[17]；任喜荣等利用等值反磁通瞬变电磁法结合三维建模技术，直观展示了多个采空区的分布空间及埋深分布情况[18]；刘旭通过瞬变电磁技术对潜在富水异常区进行三维成像圈定[19]；李忠玉等应用矿井瞬变电磁法对顶板区域的响应数据，圈定了弱、中等、强三级富水区域[20]；李海洋等分别应用小线框瞬变电磁法和反磁通瞬变电磁法对比测试，获得了深部采空区特征[21]；姚占伟等运用瞬变电磁法与三维地震解释进行综合分析，查明了煤层顶板富水区及勘探区内主要断层的富水性[22]；郭梁通过瞬变电磁法勘测山西某矿工作面的采空区及积水的分布情况，并探测巷道中各个突水点[23]。本文主要通过瞬变电磁探测，使用矿用多通道瞬变电磁仪，查明东辛庄矿区-230 m中段岩层富水情况，利用Voxler三维可视化软件绘制巷道顶底板及测线三维图，对富水异常区进行三维成像并圈定，可进一步为矿区防治水工作及注浆治理方案提供依据。

1 瞬变电磁基本原理

瞬变电磁法属时间域电磁感应方法。其探测原理：在发送回线上供一个电流脉冲方波，在方波后沿下降的瞬间，产生一个向发射回线法线方向传播的一次磁场，在一次磁场的激励下，地质体将产生涡流(见图1)，其大小取决于地质体的导电程度，在一次场消失后，该涡流不会立即消失，它将有一个过渡(衰减)过程。该过渡过程又产生一个衰减的二次磁场向地质体内传播，由接收回线接收二次磁场，该二次磁场的变化将反映地质体的电性分布情况(见图2)。矿井瞬变电磁法为全空间瞬变响应，这种响应来自回线平面上下(或两侧)地层，这对确定异常体的位置带来很大的困难。实际资料解释中，必须结合具体地质和水文地质情况综合分析。

图1 半空间中的等效感应电流图

图2 瞬变电磁法原理图解

2 数据采集

此次探测在-230 m中段98线至102线勘探线主运巷区域，实施瞬变电磁数据采集。采用某高校自主研发的矿用多通道瞬变电磁仪，每个物理点处观测6个方向的数据(见图3)，分别为顶板方向、顶板60°、顶板30°、顺层0°、底板30°、底板60°，共设置25个物理点，点间距为10 m，共采集150个数据。在探测时，要求各类动力电源处于断电状态，各类风动工具处于关闭状态。在数据采集过程中对全区瞬变电磁法所测物理点进行了质量检查，合格率100%。

图3 瞬变电磁侧向探测示意图

3 数据处理

瞬变电磁法数据处理和解释软件包MTEM是为瞬变电磁法的数据处理和解释开发的专用软件，适用于不接地磁源、半空间和全空间、矩形发射框移动源的中心和偶极方式下的瞬变电磁数据处理。该软件采用了近年来的最新技术和方法，具有精度和分辨率高，使用简单等特点。处理流程：数据室内回放—数据的预处理(转化、拆分)—曲线剖面分析—滤波处理—视电阻率计算—一维正反演—ρ-h剖面绘制。

4 资料解释

瞬变电磁资料的处理和解释工作往往是同时交互进行的，它们之间存在一种从实践到认识的提高过程。资料解释是建立在资料处理后的视电阻率拟断面图的基础上。在初步解释成果的基础上，进一步调整处理的窗口之后，再作反复的分析及解释，必要时可进行反复的处理及解释。

4.1 不同探测方向成果解释

瞬变电磁在矿井探水，探测构造中的解释原则：主要从电性上分析不同地层的电性分布规律。当存在岩石裂隙发育区时，如果裂隙不含水，则其导电性较差，局部电阻率值增高；如果裂隙含水，由于其导电性好，存在局部低电阻率地质体，可解释为相对富水区。

1)顶板探测方向成果解释。巷道顶板上方横向距离0～30 m、100～140 m、220～230 m，纵向距离20～40 m范围内出现电阻率30 Ω·m以下；横向距离40 m至200 m，纵向距离80～100 m范围出现电阻率30 Ω·m以下，其它区域都在30 Ω·m以上，推断上述低阻区主要是由于岩石裂隙发育，含水后导电性增强，呈现低阻异常响应。其它区域电阻率正常变化，无明显异常。瞬变电磁侧向探测顶板电阻率等值线图见图4。

图4 瞬变电磁侧向探测顶板电阻率等值线图

2)顶板探测60°方向成果解释。顶板60°方向在巷道横向方向0～20 m、100～140 m、220～230 m，纵向20～40 m区域内出现视电阻率30 Ω·m以下；横向距离40 m至200 m，纵向距离80～100m范围出现电阻率30 Ω·m以下，其它区域都在30 Ω·m以上，推断上述低阻区内岩石裂隙发育，含水后导电明显增强，呈现低阻异常响应。瞬变电磁侧向探测顶板60°方向电阻率等值线图见图5。

图5 瞬变电磁侧向探测顶板60°方向电阻率等值线图

3)顶板探测30°方向成果解释。顶板30°方向0～20 m、100～140 m、220～230 m，纵向20～40 m区域内出现视电阻率30 Ω·m以下；横向距离40 m至200 m，纵向距离80～100m范围出现电阻率30 Ω·m以下，其它区域都在30 Ω·m以上。推断上述低阻区内岩石裂隙发育，含水后导电明显增强，呈现低阻异常响应。瞬变电磁侧向探测顶板30°方向电阻率等值线图见图6。

图6 瞬变电磁侧向探测顶板30°方向电阻率等值线图

4)顺岩层探测成果解释。横向方向0～40 m、80～110 m、140～190 m、220～240 m，纵向20～40 m区域内出现视电阻率30 Ω·m以下；横向距离40 m至200 m，纵向距离80～100m范围出现电阻率30Ω·m以下，其它区域都在30Ω·m以上，推断上述低阻区内岩石裂隙发育，含水后导电明显增强，呈现低阻异常响应。瞬变电磁侧向探测顺层方向电阻率等值线图见图7。

图7 瞬变电磁侧向探测顺层方向电阻率等值线图

5)底板探测30°方向成果解释。在巷道底板方向30°方向横向方向0～40 m、80～190 m、210～230 m，深度-20 m至-40 m区域内出现视电阻率30 Ω·m以下；横向距离40 m至200 m，深度-80 m至-100 m范围出现电阻率30 Ω·m以下，其它区域都在30 Ω·m以上，推断上述低阻区内岩石裂隙发育，含水后导电明显增强，呈现低阻异常响应。瞬变电磁侧向探测底板30°方向电阻率等值线图见图8。

图8 瞬变电磁侧向探测底板30°方向电阻率等值线图

6)底板探测60°方向成果解释。在巷道底板方向60°方向横向方向0～40 m、80～160 m、210～230 m，深度-20 m至-40 m区域内出现视电阻率30 Ω·m以下；横向距离40 m至200 m，深度-80 m至-100 m范围出现电阻率30 Ω·m以下，其它区域都在30 Ω·m以上，推断上述低阻区内岩石裂隙发育，含水后导电明显增强，呈现低阻异常响应。瞬变电磁侧向探测底板60°方向电阻率等值线图见图9。

图9 瞬变电磁侧向探测底板60°方向电阻率等值线图

4.2 三维地质解释

将巷道不同的探测方向数据制作成一个文件，利用Voxler三维可视化软件绘制巷道顶底板及测线三维图(见图10～11)。三维图低阻异常区主要有两处，主要分布在横向距离0～40 m、80～110 m、140～190 m，纵向距离20～40 m范围的低阻异常区以及顶板方向横向距离40 m至200 m，纵向距离80～100 m范围的低阻异常区。推断以上低阻异常区由于岩石裂隙发育，含水性增强，呈现低阻异常响应。

图10 瞬变电磁侧向探测三维低阻异常区

图11 瞬变电磁侧向探测三维低阻异常区(透视图)

5 结语

1)此次-230 m水平瞬变电磁探测工作圈定异常区两处，主要分布在横向距离0～40 m、80～110 m、140～190 m，纵向距离20～40 m范围的低阻异常区以及顶板方向横向距离40 m至200 m，纵向距离80～100m范围的低阻异常区。对于探测结果所圈定的富水异常区，结合矿区钻探实验进一步验证其准确程度，证明结果可靠。

2)瞬变电磁探测属于地球物理范畴，探测结果存在多解性，因此探测结果与实际可能有一定的偏差。瞬变电磁探测结果具有体积效应，受周围围岩电阻率影响大，富水区域是根据岩体在探测中反映的视电阻率值圈定的，具有相对性。