李功強(qiáng)，程久龍，高 峰，徐富文，陳 潛，劉 歡

（1.新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司華豐煤礦，山東 泰安271413；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) （北京）煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083）

煤炭作為我國(guó)的基礎(chǔ)能源，其安全高效開(kāi)采煤炭是十分必要的。礦井水害是礦山建設(shè)與生產(chǎn)過(guò)程中的主要災(zāi)害之一。由于我國(guó)煤礦開(kāi)采水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性，長(zhǎng)期以來(lái)礦井水害事故給人民生命財(cái)產(chǎn)造成重大損失。特別是近幾年，隨著煤礦開(kāi)采深度和強(qiáng)度的加大，受礦井水害威脅日趨嚴(yán)重，突水事故發(fā)生的頻率也在不斷增加?？梢?jiàn)礦井水害仍是煤礦安全生產(chǎn)的重大隱患。為了保證礦井工作面的安全開(kāi)采，對(duì)煤系地層含水層的富水性進(jìn)行探測(cè)，確定巖層的富水狀況對(duì)保障煤礦安全開(kāi)采具有十分重要的意義［1］。

常規(guī)的地面探測(cè)深部（指深度大于800m）巖層富水性的地球物理方法主要有大地電磁法（MT）、可控源音頻大地電磁法（CSAMT）和瞬變電磁法（TEM），因煤礦區(qū)工業(yè)電干擾嚴(yán)重，電磁類探測(cè)方法地質(zhì)效果不理想［1］。相比而言，因瞬變電磁法探測(cè)低阻體靈敏，探測(cè)效果較好，但以回線源為主的瞬變電磁法探測(cè)深度有限，難以滿足深部巖層水文地質(zhì)條件的精細(xì)探測(cè)［1］。早在20世紀(jì)30年代，前蘇聯(lián)科學(xué)家提出瞬變電磁法勘探，當(dāng)時(shí)采用的是遠(yuǎn)區(qū)工作模式。1933年L.W.Blau最先提出利用供電偶極電流脈沖激發(fā)時(shí)域電磁場(chǎng)。到20世紀(jì)50～60年代，原蘇聯(lián)科學(xué)家成功地完成了瞬變電磁法的一維正、反演，建立了瞬變電磁法的解釋理論和野外工作方法之后，瞬變電磁法開(kāi)始進(jìn)入實(shí)用階段。20世紀(jì)60年代以來(lái)，利用收發(fā)距遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于期望探測(cè)深度進(jìn)行勘探有了一個(gè)快速的發(fā)展。隨之，“短偏移”、“晚期”、“近區(qū)”等技術(shù)研究迅速發(fā)展起來(lái)［2］。美國(guó)等西方國(guó)家在20世紀(jì)70～80年代之間，短偏移法一直處于研究和試驗(yàn)階段，未被廣泛運(yùn)用，而長(zhǎng)偏移法已得到了應(yīng)用，特別是在地?zé)嵴{(diào)查和地殼結(jié)構(gòu)的調(diào)查中［2］。20世紀(jì)80年代后瞬變電磁法從最初的金屬礦勘查擴(kuò)展到了構(gòu)造地質(zhì)調(diào)查、水文地質(zhì)及各種工程地質(zhì)等領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)的瞬變電磁法研究從20世紀(jì)80年代初開(kāi)始，在理論方法、儀器方面做了一定的工作，目前已建立了比較完整的一維正、反演及方法技術(shù)理論，在礦產(chǎn)普查、水文和工程地質(zhì)調(diào)查等領(lǐng)域開(kāi)展了較多的應(yīng)用研究［3］。

1 電性源短偏移距瞬變電磁法的理論基礎(chǔ)

電性源瞬變電磁作為時(shí)間域電磁法的一種，它利用接地點(diǎn)電極通以脈沖電流而在地下建立起一次脈沖磁場(chǎng)，在一次磁場(chǎng)間歇期間，在時(shí)域接收感應(yīng)的二次電磁場(chǎng)。在20世紀(jì)60年代初最早發(fā)展起來(lái)的遠(yuǎn)區(qū)模式長(zhǎng)偏移距離法LOTEM（Long Offset Transient EM），要求收發(fā)距離大于4倍的目的層的深度，工作時(shí)間屬于波區(qū)，也稱為固定源建場(chǎng)法。其響應(yīng)曲線簡(jiǎn)單，與頻率域方法基本相似。對(duì)于長(zhǎng)偏移距離法，由于其收發(fā)距離較大，可能跨越幾個(gè)構(gòu)造單元，由于地質(zhì)構(gòu)造和地形起伏帶來(lái)的電性變化，都由源傳導(dǎo)到接收，再加上有用信號(hào)強(qiáng)度急劇下降，不利于精細(xì)探測(cè)。晚期只能確定總的縱向電導(dǎo)，不具備分層能力，使得其一般只用于地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單地形平坦，如油氣勘探區(qū)。20世紀(jì)60年代，當(dāng)短偏移同樣可以進(jìn)行時(shí)，在前蘇聯(lián)得到推廣應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)主要利用近區(qū)回線源瞬變電磁測(cè)深法，探測(cè)深度一般為幾十米到幾百米。理論與實(shí)踐證明，近區(qū)測(cè)深對(duì)地下導(dǎo)電體反映比遠(yuǎn)區(qū)明顯，縱向及橫向的分辨率均得到提高，且大大減少了體積效應(yīng)［4］。雖然近場(chǎng)情況下的的回線源瞬變電磁法得到普遍接受和應(yīng)用，但電性源的近區(qū)測(cè)深方法應(yīng)用不廣。

根據(jù)美國(guó)地球物理學(xué)家M.N.Nabighan對(duì)感應(yīng)渦流場(chǎng)像“煙圈效應(yīng)”的假設(shè)，通過(guò)源的位置和速度可確定電阻率與深度的關(guān)系［5］。視電阻率計(jì)算公式為

當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)為非均勻半空間時(shí)，不能直接通過(guò)視電阻率計(jì)算探測(cè)深度，需把ρs代入深度函數(shù)，再通過(guò)深度函數(shù)的時(shí)間的導(dǎo)數(shù)得到深度值［6－7］。地下電流“煙圈”擴(kuò)散速度直接取決于地下電阻率，利用計(jì)算速度與速度函數(shù)反演擬合計(jì)算電阻率值，根據(jù)擬合計(jì)算的電阻率值計(jì)算勘探深度。

2 電性源短偏移距瞬變電磁法工作方法

電性源短偏移距瞬變電磁法采用類似可控源音頻大地電磁（CSAMT）的工作方式，如圖1所示。A、B是接地的供電電極，發(fā)射源長(zhǎng)度AB一般約為探測(cè)深度，接收與發(fā)射的距離不要求是探測(cè)深度的6～10倍，一般與探測(cè)深度接近，可以用略小于目標(biāo)深度的發(fā)收距實(shí)現(xiàn)測(cè)深。發(fā)射頻率、發(fā)射電流、單點(diǎn)測(cè)量時(shí)間等參數(shù)要通過(guò)試驗(yàn)確定。

圖1 電性源短偏移距瞬變電磁觀測(cè)方式示意圖

3 工程應(yīng)用

3.1 測(cè)區(qū)地質(zhì)概況及地球物理特征

某煤礦礦井延伸要進(jìn)行三采區(qū)深部開(kāi)采，煤層埋藏深度約600～1400m，因水文地質(zhì)條件不清，需要進(jìn)行地面地球物理探查，以查明煤層頂板與底板巖層的富水性，探測(cè)最大深度要求達(dá)到1500m。常規(guī)的大定源回線瞬變電磁法難以達(dá)到要求的探測(cè)深度，通過(guò)比較，選擇電性源短偏移距瞬變電磁法進(jìn)行三采區(qū)水文地質(zhì)條件探測(cè)。

勘探區(qū)的地層由老至新由太古界泰山群的片麻巖及花崗片麻巖，下古生界寒武系、奧陶系的石灰?guī)r、泥灰?guī)r、泥巖，上古生界石炭－－二疊系的含煤地層，中生界侏羅系的紅砂巖，新生界第三系的礫巖、紅砂巖及第四系的表土、流沙層等組成。其中含煤地層屬于華北型石炭二疊系海陸交互相含煤沉積，假整合于中奧陶統(tǒng)之上，石炭二疊系總厚平均370余m，其中含煤地層厚度平均為325.86m。測(cè)區(qū)主要地層電性特征可概述如下：第四系很薄，0～3m，主要為黃土、亞黏土、砂質(zhì)黏土；第三系（R），主要為砂礫石、礫巖、粉砂巖、泥巖，厚度0～1009m，電阻率大于70Ω·m；二疊系（P），主要為泥巖、砂巖及煤層，厚度93～294m，電阻率50～200Ω·m；石炭系（C），主要為砂巖、泥巖、灰?guī)r及煤層，厚度240m，電阻率60～1000Ω·m；奧陶系灰?guī)r為煤系的基底，電阻率隨其富水性變化而變化，一般說(shuō)來(lái)，奧灰不富水，電阻率大于10000Ω·m，甚至更高，一旦奧灰含水，電阻率降低明顯，富水性越強(qiáng)，電阻率越低。

3.2 工作方法及參數(shù)

測(cè)區(qū)面積約1.5km2，按線距100m共布置測(cè)線16條。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究確定了適合本工作區(qū)的工作參數(shù)：發(fā)射源長(zhǎng)度AB＝1000m，收發(fā)距r＝1000m，發(fā)送頻率2.5Hz，發(fā)送電流I＝20A，探頭接收面積40000m2，單點(diǎn)測(cè)量時(shí)間t＝7min。

3.3 資料處理

瞬變電磁法觀測(cè)數(shù)據(jù)是各測(cè)點(diǎn)各個(gè)時(shí)窗（測(cè)道）的瞬變感應(yīng)電壓，需換算成視電阻率、視深度等參數(shù)，才能對(duì)資料進(jìn)行下一步解釋，主要步驟如下：①濾波：由于測(cè)區(qū)內(nèi)人文噪聲較大，需要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，消除噪聲，對(duì)資料進(jìn)行去偽存真。②電阻率計(jì)算與時(shí)深轉(zhuǎn)換：為了更好地對(duì)資料的解釋，需要將野外觀測(cè)到的二次場(chǎng)電位隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地層電阻率，同時(shí)確定電阻率隨深度的變化。③繪制參數(shù)圖件：首先從全區(qū)采集的數(shù)據(jù)中選出每條測(cè)線的數(shù)據(jù)，繪制各測(cè)線視電阻率剖面圖，即沿每條測(cè)線電性隨深度的變化情況。然后依據(jù)每個(gè)測(cè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程繪制出不同深度的等深視電阻率切片圖和各主要巖層及其附近的視電阻率深層切片圖。

經(jīng)過(guò)上述數(shù)據(jù)處理后形成實(shí)測(cè)16條測(cè)線的視電阻率斷面圖，有效探測(cè)深度超過(guò)1500m，如圖2所示。

3.4 資料解釋

圖2是B550線視電阻率斷面圖，整個(gè)斷面視電阻率從淺到深基本上呈現(xiàn)由低～高～低～高的電性特征。圖中最上部（100m以淺）視電阻率值較低，由淺到深呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，其值在20～80 Ω·m之間，為第三系上組地層的反映，為弱含水層。第三系中段（100～400m層段）對(duì)應(yīng)的視電阻率變化范圍較大，其值在120～280Ω·m之間，為不含水。第三系下段（400m以深）對(duì)應(yīng)的視電阻率變化范圍較大，其值在60～140Ω·m之間，判斷為地層不含水和局部弱含水，其中200～500m樁號(hào)段450～700m深度范圍和650～1000m樁號(hào)段400～950m深度范圍表現(xiàn)為視電阻率相對(duì)低值特征，判斷為地層局部弱含水。

圖2 B550線視電阻率斷面圖

煤系地層視電阻率變化較大，其值在40～240 Ω·m之間，200～850m樁號(hào)段650～1000m深度范圍表現(xiàn)為視電阻率相對(duì)低值特征，判斷為弱含水層。500～600m樁號(hào)段F51斷層切割煤4和煤6巖層，斷層破碎帶周?chē)憩F(xiàn)為視電阻率相對(duì)較低特征，可判斷為局部弱含水。煤系基底奧灰?guī)r層對(duì)應(yīng)的視電阻率相對(duì)較高，判斷奧灰不含水或局部弱含水。

圖3是第三系底界面以下50m附近且接近4煤煤層的順層切片圖，整個(gè)切片圖視電阻率從100線到1600線基本上呈現(xiàn)低～高～低的電性特征。圖中的視電阻率變化范圍較大，在20～600Ω·m之間，中部與兩側(cè)地層之間有較大的電性差異，反映出中部與兩側(cè)地層之間的巖性和含水性的差異。圖中Ⅱ所對(duì)應(yīng)的區(qū)域范圍視電阻率較高，在120～600 Ω·m之間，富水性相對(duì)較弱。圖3中Ⅰ、Ⅲ所對(duì)應(yīng)的區(qū)域范圍視電阻率值偏低，在20～160Ω·m之間，反映出這一范圍內(nèi)富水性相對(duì)較強(qiáng)。

圖3 第三系底界面以下50m順層視電阻率切片圖

為驗(yàn)證上述探測(cè)成果，在探測(cè)區(qū)邊緣B100線500～600m樁號(hào)段進(jìn)行了原巷道延伸開(kāi)拓，并超前鉆探探水，鉆孔最大出水量小于2.0m3／h，表明地層為弱富水，從而驗(yàn)證了瞬變電磁法探測(cè)結(jié)果的可靠性。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)電性源短偏移距瞬變電磁理論基礎(chǔ)與工作方法的探討，結(jié)合對(duì)煤礦深部采區(qū)巖層富水性探測(cè)結(jié)果分析，表明電性源短偏移距瞬變電磁法是一種對(duì)大采深巖層富水性勘探行之有效的方法。此方法對(duì)低阻層分辨能力強(qiáng)，探測(cè)深度大，探測(cè)效率高的優(yōu)勢(shì)在對(duì)深部地層富水性勘探中得到充分體現(xiàn)。利用此方法對(duì)煤礦深部采區(qū)地層富水性探查，結(jié)合測(cè)區(qū)相應(yīng)的水文地質(zhì)資料，可以很好的對(duì)低阻異常區(qū)進(jìn)行地質(zhì)解釋，為煤礦安全生產(chǎn)提供可靠的技術(shù)保障，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著，該方法值得推廣應(yīng)用。

［1］程久龍，姜國(guó)慶，王玉和，于師建，邱浩，李明星.礦井深部采掘隱患水體綜合地球物理精細(xì)探測(cè)研究 ［C］.第七次煤炭科學(xué)技術(shù)大會(huì)文集，2010.

［2］薛國(guó)強(qiáng)，李貅，底青云.瞬變電磁法理論與應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2007（4）：1195－1200.

［3］石顯新，閏述，陳明生.煤礦水害隱患瞬變電磁法精細(xì)探測(cè)理論及應(yīng)用技術(shù)［C］.第十屆中國(guó)國(guó)際地球電磁學(xué)術(shù)討論會(huì)，2011.

［4］薛國(guó)強(qiáng)，陳衛(wèi)營(yíng)，周楠楠，等.接地源瞬變電磁短偏移深部探測(cè)技術(shù)［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2013，56（1）：255－261.

［5］方文藻，李予國(guó)，李貅，等.瞬變電磁法測(cè)深原理［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1993.

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