孔祥貴，楊衛(wèi)亮，張偉強

(1.山東省煤田地質(zhì)局泰山地質(zhì)勘查公司，山東 泰安 271000；2.山東省煤田地質(zhì)局第二勘探隊，山東 嘉祥 272400)

技術方法

瞬變電磁法在查明斷層陷落柱含導水性中的應用
——以山西長治李村煤礦首采Ⅰ區(qū)為例

孔祥貴1，楊衛(wèi)亮2，張偉強1

(1.山東省煤田地質(zhì)局泰山地質(zhì)勘查公司，山東 泰安 271000；2.山東省煤田地質(zhì)局第二勘探隊，山東 嘉祥 272400)

煤系地層中斷層、陷落柱等構造不僅破壞了煤層的完整性，減少了可采儲量，而且影響了煤礦的生產(chǎn)安全，給煤礦開采帶來了嚴重的危害。在煤礦開采初期查明勘探區(qū)內(nèi)斷層、陷落柱等構造的空間分布及其含導水性對指導煤礦安全生產(chǎn)具有重要的意義。在充分收集李村煤礦首采Ⅰ區(qū)地質(zhì)、水文及物探資料的基礎上，利用瞬變電磁技術對區(qū)內(nèi)斷層、陷落柱等構造的含導水性進行勘查，取得了良好的效果，給煤礦的開采設計施工提供了參考依據(jù)，并有效的預防了煤礦開采過程中安全事故的發(fā)生。

煤系地層斷層；陷落柱；瞬變電磁法；山西長治李村煤礦

瞬變電磁法(TEM)屬于時間域電磁感應法，它利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)送一次脈沖場，在一次脈沖場間歇期間利用回線或電偶極接收感應二次場，該二次場是由地下良導地質(zhì)體受激勵引起的渦流所產(chǎn)生的非穩(wěn)電磁場。相比其他勘探方法，瞬變電磁法具有勘探深度大、受地形影響小、對低阻體敏感、施工效率高等優(yōu)點[1-3]，在煤田勘探中得到了廣泛的應用，特別是在含水層富水性評價和構造的含導水性探測上。李村煤礦首采Ⅰ區(qū)構造復雜，區(qū)內(nèi)共發(fā)現(xiàn)5m以上斷層3個，可靠陷落柱8個。 利用瞬變電磁技術查明區(qū)內(nèi)斷層、陷落柱的含導水性，給礦方提供了參考依據(jù)，指導了安全生產(chǎn)。

1 概況

1.1地層

該區(qū)屬華北型石炭二疊紀含煤建造， 井田內(nèi)大部分被第四紀黃土所覆蓋，測區(qū)南部邊界出露二疊紀石千峰群地層?，F(xiàn)結合鉆孔揭露地層情況，由老至新分述如下：

(1)奧陶系：為含煤地層基底，包括馬家溝群和峰峰組，厚度約150m,主要成分為灰色石灰?guī)r、角礫狀石灰?guī)r及泥質(zhì)灰?guī)r，夾灰白色白云巖和泥質(zhì)白云巖，局部溶洞發(fā)育。

(2)石炭-二疊系：本溪組和太原組，為主要含煤地層之一，厚度約130m，與下伏地層呈平行不整合接觸。主要成分為各種粒級的砂巖、泥巖和煤層。山西組、石盒子群和石千峰群，厚度約600m，與下伏地層整合接觸。由各種粒度的砂巖、泥質(zhì)巖和煤層組成。

(3)第四系：井田內(nèi)廣泛分布，厚度變化較大，包括中更新統(tǒng)、上更新統(tǒng)和全新統(tǒng)。成分以砂質(zhì)粘土、粉砂質(zhì)粘土和粘土為主。

1.2含水層與隔水層

奧陶紀石灰?guī)r巖溶裂隙含水層組隱伏于煤系地層之下，層厚545m左右，由石灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r及白云巖等組成，為區(qū)內(nèi)主要含水層組。太原組巖溶裂隙含水層組由K2，K3，K4，K5四層石灰?guī)r組成，厚度20m左右，富水性較弱。K8及山西組砂巖裂隙含水層組為碎屑巖裂隙含水層組，包括K8，K7砂巖及3號煤層頂板砂巖裂隙含水層，構成主采3號煤層的充水水源。巖性以中、細粒砂巖為主，厚度13m左右，富水性弱—中等。石盒子群為碎屑巖裂隙含水層組，主要由以中、粗粒砂巖組成，一般裂隙較發(fā)育，局部充填。該含水層組為富水性弱—中等的砂巖裂隙含水層組。基巖風化帶裂隙含水層一般發(fā)育深度在50m左右。該含水層一般富水性差異較大。松散層孔隙含水層組主要由具孔隙的亞粘土、砂、礫石等組成。水位埋藏一般較淺，主要接受大氣降水補給。該含水層組滲透性好，局部含水豐富，屬中等富水性含水層組。

太原組底部及本溪組隔水層主要由具塑性的鋁質(zhì)泥巖、粘土質(zhì)泥巖及砂質(zhì)泥巖等組成，位于15號煤層底板與峰峰組頂界之間，層厚27m左右。該層組裂隙一般不發(fā)育，透水性差，隔斷上下含水層的水力聯(lián)系，一般隔水性良好。

二疊紀砂巖含水層層間隔水層主要由泥巖、砂質(zhì)泥巖組成。垂向分布呈平行復合結構，阻隔上下各含水層層間的水力聯(lián)系，起層間隔水作用。第四系底部隔水層主要由粘土、砂質(zhì)粘土等組成，在局部地段分布，透水性弱，起局部地段的隔水作用。

2 地球物理特征

巖石孔隙、裂隙總是含水的，并且隨著巖石的濕度或飽和度的增加，電阻率急劇下降。同時，水分含量相同的不同巖石的電阻率可能有很大差別，其原因在于水分有不同的礦化度。斷層及破碎帶等地質(zhì)體的電阻率取決于其本身的大小、破碎程度及其含水的飽和度。含水斷層的電阻率遠小于周圍不含水圍巖的電阻率，這也是運用電法來研究水文地質(zhì)問題的物性依據(jù)[4，5]。

根據(jù)已掌握的資料，煤層的電阻率約為450Ω·m，而圍巖(泥巖、砂巖等)的電阻率約為150Ω·m。對于斷層而言，若充水密實電阻率可降至50Ω·m左右，若干燥相對松散，則其電阻率可達300Ω·m以上。對于陷落柱而言，若充水表現(xiàn)為明顯低阻特征，若凈空則表現(xiàn)為高阻特征，特殊情況下，柱壁含水飽和的陷落柱也表現(xiàn)為低阻。初步判斷，查找斷層和陷落柱及其含水性的地電物性特征基本具備。

在橫向上，沉積地層的電性正常情況下是均一的或變化不大。當存在富水性的斷層構造或其他良導電地質(zhì)體時(如斷層破碎帶富水，灰?guī)r內(nèi)的充水溶洞、裂隙等)都將打破水平方向電性均一性。當其在三維空間上具有一定規(guī)模時可改變縱向電性的變化規(guī)律，表現(xiàn)為局部的、區(qū)域性的電性異常。

根據(jù)電磁法探測的基本原理，一般情況下,與圍巖電阻率值相比，含水巖層會表現(xiàn)低電阻率特性。如果巖層不富水，則表現(xiàn)為相對高阻特性。根據(jù)以往工作經(jīng)驗，在斷層、陷落柱附近，視電阻率值會發(fā)生急劇變化，所以，可以根據(jù)這一地球物理特性，對區(qū)內(nèi)斷層、陷落柱等構造進行探測并作出解釋推斷。

3 數(shù)據(jù)采集處理

3.1試驗工作

試驗工作在瞬變電磁勘探中至關重要，只有通過試驗才能摸清測區(qū)的地球物理特征，選擇適合于該區(qū)的工作參數(shù)，從而取得第一手資料。該次瞬變電磁試驗工作選擇在測線L2640上進行。根據(jù)工作的地質(zhì)任務和區(qū)域地質(zhì)概況，試驗工作設發(fā)射框大小為900m×900m正方形框、采樣頻率的選擇2Hz，4Hz進行試驗，圖1分別為2Hz、4Hz衰減曲線。

圖1 2Hz,4Hz衰減曲線

通過圖1衰減曲線對比可以看出當頻率為4Hz時曲線效果較好， 2Hz曲線尾部效果明顯較差，尾部信號代表深部信息，考慮到深部信息是該次工作的重點，瞬變電磁施工選擇頻率4Hz為施工頻率參數(shù)。

3.2數(shù)據(jù)處理

根據(jù)實際情況，為滿足電法勘探的需要，充分利用地質(zhì)、水文及地震資料的各種信息，在綜合分析了該區(qū)的水文地質(zhì)規(guī)律的基礎上，反復細致地選擇處理流程及參數(shù)，做到處理流程合理、處理參數(shù)得當，以期獲得豐富的地質(zhì)信息、精美的顯示形式，確定處理解釋流程。

(1)對野外采集的數(shù)據(jù)首先進行野外數(shù)據(jù)干擾剔除、去噪、靜態(tài)校正及近場校正等處理，然后進行反演成像處理。

(2)經(jīng)處理得到了各測線的反演后的斷面圖，電阻率用分等級的彩色顯示。各斷面圖的數(shù)據(jù)構成了一個三維數(shù)據(jù)體，從該數(shù)據(jù)體中就可以插值提取出不同層面的平面圖。

4 資料解釋

資料解釋中遵循由已知到未知、從點到面、從簡單到復雜的原則，將電性成果轉化為地質(zhì)成果。充分利用現(xiàn)有的地質(zhì)、鉆孔及礦井采掘揭示的地質(zhì)、水文等資料，結合實地調(diào)查并綜合分析，研究視電阻率與電性層的對應關系。瞬變電磁法實測曲線解釋中，注重到區(qū)分由干擾噪聲引起的曲線畸變，排除其他良導體造成的假異常，著重分析含水地層的含水性與曲線衰減特性之間的內(nèi)在規(guī)律。

4.1斷層含導水性解釋

圖2 L1080線視電阻率斷面圖

從圖2中可以看出，視電阻率等值線在斷層F3處呈“V”字形，視電阻率明顯小于圍巖視電阻率，而且導通了3煤頂?shù)装搴畬?，使上?個含水層發(fā)生了水力聯(lián)系。這是由于斷層F3的存在，使其周圍巖石破碎，裂隙發(fā)育，礦井水充填其中的結果[6]。

4.2陷落柱含導水性解釋

巖溶陷落柱是巖溶洞穴坍塌的產(chǎn)物，它是煤系下伏可溶性巖層，經(jīng)地下水強烈溶蝕后，形成較大的溶洞，在各種地質(zhì)因素作用下，引起上覆地層的失穩(wěn)、坍塌，是巖溶引起的一種特殊地質(zhì)現(xiàn)象。巖溶陷落柱不僅給地面工程帶來危害，也可對地下采礦造成嚴重影響。巖溶陷落柱有可能穿透地下含水層，在井下一旦被導通，便會給煤礦生產(chǎn)造成嚴重的后果[7,8]。

圖3 陷落柱在斷面圖上的反映

陷落柱X8長軸a=245m,短軸b=156m,面積A=0.028km2。圖3為陷落柱X8在勘探線L1400和L1440上的反映。從圖3中可以看出，陷落柱周圍的視電阻率明顯小于周邊圍巖視電阻率，視電阻率等值線呈現(xiàn)“U”字形，而且向下導通奧灰水，這可能會對煤礦開采造成突水危害。

5 結語

通過在李村煤礦首采Ⅰ區(qū)進行瞬變電磁勘探工作，結合區(qū)內(nèi)已有的鉆探、水文和物探資料，查明了區(qū)內(nèi)斷層、陷落柱等構造的含導水性，取得了良好的效果，給礦方施工提供了參考依據(jù)，驗證了瞬變電磁法在探測煤礦斷層、陷落柱等構造含導水性的有效性和實用性。

[1] 牛之璉.時間域電磁法原理[M].長沙：中南大學出版社，2007：1-6.

[2] 李貅. 瞬變電磁測深的理論與應用[M].西安：陜西科學技術出版社，2002：1-4.

[3] 蔣邦遠.實用近區(qū)磁源瞬變電磁法勘探[M].北京：地質(zhì)出版社，1998：2-6.

[4] 任正和，尹訓志，田慶安，等.大地電磁測深在山東齊河法王南部地區(qū)地熱普查中的應用[J].山東國土資源，2008,28(12):45-49.

[5] 蔡力挺，胡均杰.高密度電阻率法在膠東工程地質(zhì)勘察中的應用[J].山東國土資源，2008,28(1):40-42.

[6] 郁萬彩.瞬變電磁法在斷層含水性評價中的應用[J].山東地質(zhì)，2001,17(1):52-55.

[7] 劉國林，潘懋，尹尚先.華北型煤田巖溶陷落柱導水性研究[J].中國安全生產(chǎn)科學技術，2009，4(2)：154-157.

[8] 尹尚先，武強，王尚旭.北方巖溶陷落柱的充水特征及水文地質(zhì)模型[J].巖石力學與工程學報，2005，(1)：77-82.

ApplicationofTransientElectromagneticMethodinDetectingFaultsandKarstCollapseColumnwithHydraulicConductivity——Setting the First Mining AreaⅠof Licun Coal Mine in Changye of Shanxi Province as an Example

KONG Xianggui1, YANG Weiliang2, ZHANG Weiqiang1

(1.Taishan Geological Exploration Corporation of Shandong Bureau of Coal Geology, Shandong, Tai’an 271000, China; 2.No.2 Exploration Brigade of Shandong Bureau of Coal Geology,Shandong Jiaxiang 272400, China)

Faults, collapse columns in coal strata will not only destroy the integrity of coal bed, reduce recoverable reserves, but also affect the production safety of coal mines, and cause serious harm in coal mining. It has great significance to identify the distribution of faults and collaspe columns within the exploration area, and its hydraulic conductivity in the early period of coal mining. On the basis of collecting geological, hydrological and geophysical data of the first mining Ⅰarea in Licun coal mine, using transient electromagnetic technology, hydraulic conductivity survey of faults and collaspe columns in this area have been studied and achieved good results. It will provide some references for the design and construction of coal mining, and effectively prevent the occurrence of safety accidents in the coal mining process.

Fault; Karst collapse column; Transient electromagnetic method; Shanxi Changzhi licun coal mine

P641.5+.4；TD741

：B

2013-04-03；

：2013-11-05；編輯：陶衛(wèi)衛(wèi)

孔祥貴(1986—)，男，山東嘉祥人，工程師，主要從事煤田地質(zhì)、物探工作；E-mail：395772115@qq.com。