劉小平，劉 森，鐘 秋

(1.甘肅煤田地質(zhì)局綜合普查隊(duì)，甘肅天水741002;2.西北大學(xué)，陜西西安710069)

煤礦水害是礦山建設(shè)與生產(chǎn)中與瓦斯、煤塵等并列的主要安全災(zāi)害之一，長(zhǎng)期以來(lái)因煤礦水害而給國(guó)家和人民帶來(lái)的人身傷亡和經(jīng)濟(jì)損失極為慘重，近年來(lái)隨著煤礦開(kāi)采技術(shù)的提高，開(kāi)采深度越來(lái)越大，接近含水層也越來(lái)越多，煤礦水害更為嚴(yán)重。甘肅某礦井在開(kāi)拓大巷的過(guò)程中，突發(fā)漏水事故，給礦方造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失，該井田在整合前有地方小煤窯開(kāi)采，突水原因可能是小窯采空區(qū)積水脫漏所致，但小煤窯開(kāi)采范圍的地質(zhì)資料已很難收集齊全，因此急需對(duì)該區(qū)域水文地質(zhì)因素進(jìn)行探測(cè)。本區(qū)地表被第四系黃土層覆蓋，地形起伏較大，地表建筑物復(fù)雜，道路、輸電線縱橫交錯(cuò)，給野外數(shù)據(jù)采集帶來(lái)很大困難，本文對(duì)該礦區(qū)進(jìn)行瞬變電磁探測(cè)，同時(shí)驗(yàn)證該方法在此種復(fù)雜地表?xiàng)l件下應(yīng)用的可行性。

1 探測(cè)方法及理論依據(jù)

1.1 瞬變電磁法概述

瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Methods)又稱時(shí)間域電磁法(Time Domain Electromagnetic Methods)，簡(jiǎn)稱 TEM或TDEM，最早由加拿大物理學(xué)家Wait于1951年提出，并于1953年獲取專利權(quán)，1960年，原蘇聯(lián)研制出第一臺(tái)共圈式瞬變電磁裝置(MPPO—型)，在我國(guó)，TEM的研究始于70年代。近幾年來(lái)，瞬變電磁法發(fā)展迅速，儀器更新較快。該方法屬于時(shí)間域電磁感應(yīng)法，它是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)送一次脈沖場(chǎng)，在一次脈沖場(chǎng)間歇期間利用回線或電偶極接收感應(yīng)二次場(chǎng)，通過(guò)對(duì)觀測(cè)到的時(shí)間變化的二次場(chǎng)信號(hào)的變化，判斷地下地層的電性變化及不均勻地質(zhì)體的分布情況。瞬變電磁法與其他電法勘探相比具有體積效應(yīng)小，地形影響較小，異常相應(yīng)形態(tài)簡(jiǎn)單，有較強(qiáng)穿透高阻覆蓋層的能力，剖面測(cè)量和測(cè)深工作同時(shí)完成，提供很多有用的地質(zhì)信息等特點(diǎn)。同時(shí)，該方法對(duì)低阻含水導(dǎo)水地質(zhì)構(gòu)造反應(yīng)敏感，因此易于突出較弱的低阻異常。

1.2 理論依據(jù)

根據(jù)以往資料的解釋經(jīng)驗(yàn)，地層縱向視電阻率變化的規(guī)律為煤層為高阻層，其視電阻率值可達(dá)300 Ωm，其它地層視電阻率與地層致密程度有關(guān)，如第四系黃土層視電阻率值為20～60 Ωm，含砂巖地層視電阻率值為60～100 Ωm，相對(duì)煤層均為低阻區(qū)。由于砂礫巖充水的條件下，含水層厚度及含水量的大小變化，使得各含水層之間的水力聯(lián)系密切，造成了電性結(jié)構(gòu)的不均勻性。在采空區(qū)及采空區(qū)積水的條件下，水平層狀的電性結(jié)構(gòu)被破壞，形成電性高值或低值異常區(qū)，這為解釋采空區(qū)范圍及采空區(qū)積水情況提供了依據(jù)。

2 區(qū)域地質(zhì)概況及地球物理特征

2.1 區(qū)域地質(zhì)

該井區(qū)是一個(gè)完全獨(dú)立封閉的承壓水盆地，其各含水層在盆地的西北方策底和東部硯峽巖層裸露地段接受地表水、大氣降水補(bǔ)給，由西北向東南方向徑流，在距煤田東部一帶排泄。本井田內(nèi)巖層按其含水性、含水類型及水力特征，可劃分為五個(gè)含水層和三個(gè)隔水層。井田范圍內(nèi)地表未見(jiàn)第三紀(jì)以前地層出露，據(jù)鉆孔揭露及地表所見(jiàn)地層從老到新有:上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)群(T3yn)、中侏羅統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)與安定組(J2a)、上第三系甘肅群(Ngn)和第四系(Q)。

2.2 區(qū)域地球物理特征

本區(qū)測(cè)井資料提供了地層及煤層的電性特征，如表1為各地層的電性特征。

表1 綜合地層電性一覽表

此外，根據(jù)以往老窯采空區(qū)工作的經(jīng)驗(yàn)顯示，老窯采空區(qū)在未積水時(shí)，通常表現(xiàn)為高阻異常區(qū)，當(dāng)其積水時(shí)，則又表現(xiàn)為低阻異常區(qū)。上述各種不同條件下的電性變化，為以導(dǎo)電性差異為應(yīng)用前提的瞬變電磁法探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用提供了良好的地球物理前提。

3 野外工作及資料解釋

3.1 野外數(shù)據(jù)采集

本次勘探使用儀器為重慶奔騰公司生產(chǎn)的WTEM－1瞬變電磁測(cè)深儀及配套設(shè)備，采用40 m×20 m的網(wǎng)度，即線距40 m，點(diǎn)距20 m，采用大定源內(nèi)回線裝置觀測(cè)。通過(guò)試驗(yàn)確定了能夠滿足地質(zhì)任務(wù)要求的最佳施工用參數(shù):即發(fā)射邊框600 m×600 m、發(fā)射頻率8 Hz、發(fā)射電流介于12～16 A、采樣延時(shí)16 us、疊加次數(shù)40次。

3.2 資料處理與解釋

本次瞬變電磁法勘探的資料處理軟件采用WDC軟件和WTEM軟件，主要進(jìn)行了去噪處理，視電阻率的計(jì)算，時(shí)深轉(zhuǎn)換，圖形繪制等四個(gè)主要步驟，其中去噪主要是對(duì)工頻等干擾引起的畸變進(jìn)行圓滑處理，消除噪聲電平影響。最終獲得各測(cè)線多測(cè)道剖面曲線圖、視電阻率斷面圖及等視電阻率平面圖。

典型視電阻率斷面圖特征:本區(qū)所有測(cè)線均繪制了等視電阻率斷面圖和多測(cè)道剖面曲線圖。圖1為本區(qū)部分測(cè)線的⊿V/I多測(cè)道抽道剖面、視電阻率斷面圖及推斷地質(zhì)剖面，從上圖可以看樁號(hào)84～92二次場(chǎng)感應(yīng)電壓變大，衰減緩慢，對(duì)應(yīng)的視電阻率剖面中形成一個(gè)相對(duì)低阻的封閉圈，其它地段則等值線在水平方向上展布，視電阻率相對(duì)增大。

圖1 多參數(shù)對(duì)比圖

依據(jù)上述典型斷面圖分析原則對(duì)所有測(cè)線進(jìn)行分析，劃定出各剖面線上的異常區(qū)范圍，并追蹤其在平面圖中的形態(tài)、大小，確定異常區(qū)平面范圍。

平面圖的制作可抽取某一時(shí)間的等視電阻率，組成等視電阻率平面圖的數(shù)據(jù)文件，最后形成等視電阻率(如圖2)。

圖2為探測(cè)區(qū)主體區(qū)域12.6 ms視電阻率平面圖及劃定的異常區(qū)范圍。探測(cè)區(qū)分布比較復(fù)雜，主要包括老井區(qū)和新井區(qū)兩部分，其中新井區(qū)又分為北一區(qū)、北二區(qū)和南區(qū)三個(gè)區(qū)塊。從圖2中可以看出整個(gè)探測(cè)區(qū)出現(xiàn)的主要低阻異常區(qū)有LJ一異常區(qū)、LJ二異常區(qū)、北一異常區(qū)、北二異常區(qū)、南一異常區(qū)和南二異常區(qū)6個(gè)，總計(jì)面積達(dá)8 000 m2以上，出現(xiàn)高阻異常區(qū)一個(gè)(鉆孔資料表明該處為未積水采空區(qū))。

圖2 12.6 ms等視電阻率平面圖及劃定的異常區(qū)范圍

資料解釋中重點(diǎn)追蹤電性急劇變化的異常區(qū)，分析這些異常區(qū)的形成機(jī)理。為了排除了地表復(fù)雜條件的影響，首先在施工中對(duì)工頻干擾進(jìn)行了≧80 db的壓制，資料解釋中又對(duì)工頻干擾進(jìn)行了特殊處理，盡可能消除了工頻干擾對(duì)資料解釋的影響;其次在本次瞬變電磁法勘探的范圍目前大巷掘進(jìn)的過(guò)程中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)斷裂構(gòu)造，因此也排除了斷裂構(gòu)造的影響;最后為了保持裝置因素統(tǒng)一，采用600 m×600 m的發(fā)射線框，探測(cè)深度大于目的層350 m，其他施工參數(shù)皆由試驗(yàn)確定，保證了數(shù)據(jù)的有效性。因此根據(jù)該區(qū)水文地質(zhì)條件及礦方提供的地層及煤層的電性特征本文推斷圖中出現(xiàn)的低阻異常區(qū)都與富水條件有關(guān)。

3.3 有效性論證

32線等視電阻率剖面圖，在礦井開(kāi)拓大巷過(guò)程中出現(xiàn)突水情況，開(kāi)拓大巷的位置在32線92樁號(hào)，突水位置在88～96樁號(hào)之間，據(jù)本次勘探的資料顯示，32線88～96樁號(hào)之間出現(xiàn)明顯的低阻異常，推斷突水位置應(yīng)在92～94樁號(hào)之間，該解釋信息與已知資料完全吻合。

本次勘探的成果大部分已被礦方井下打孔驗(yàn)證，說(shuō)明瞬變電磁法勘探在復(fù)雜地表?xiàng)l件下依然能夠取得較好的成果。

4 結(jié)語(yǔ)

探測(cè)區(qū)主要出現(xiàn)6個(gè)與富水條件有關(guān)的低值異常區(qū)，面積達(dá)8 000 m2以上，以上富水異常區(qū)有可能是季節(jié)性河流直接向地下補(bǔ)給，造成含水層相互滲漏的富水區(qū)域，也可能是采空區(qū)積水區(qū)域，本次探測(cè)地質(zhì)成果較好，說(shuō)明了在此種復(fù)雜地表?xiàng)l件下采用瞬變電磁法探測(cè)水文地質(zhì)因素的勘探方法切實(shí)可行。

［1］呂國(guó)印，瞬變電磁法的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，物探化探計(jì)算技術(shù)，2007，29(增刊)，111－116

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［3］傅佩河，祝仰民，周長(zhǎng)根，項(xiàng)順懷，高清濤，斷層富水性的礦井瞬變電磁法探測(cè)，煤礦開(kāi)采，2006，11(2)，13 －16

［4］魏遂亭，瞬變電磁法在井下水文地質(zhì)探測(cè)中的應(yīng)用，中州煤炭，2010，(1)，53 －54

［5］靜恩杰，李志耽，瞬變電磁法資料處理和解釋，中國(guó)煤田地質(zhì)，1995，7(4)，97 －101

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