EH4電磁法在尋找煤礦富水區(qū)中的應用

楊春利，潘紀順，王 寧，王 帥

(1.華北水利水電大學，河南 鄭州450045;2.新疆大學，新疆 烏魯木齊830002;3.河南有色地礦局，河南 鄭州450016)

目前，煤礦地下采空區(qū)及富水區(qū)已成為制約礦山發(fā)展的一個首要難題.隨著礦山的深部開采，地壓不斷增大，開采過程中必將引起地面塌陷，地裂隙變化等諸多地質災害，嚴重威脅到礦產開采和人民財產安全.EH4 電磁法是在大地電磁法和音頻大地電磁法的基礎上發(fā)展起來的一種人工源頻率域測探方法［1］，它廣泛應用于固體礦產勘查、油氣田勘查、地熱資源調查和地質構造查找工作中，并取得了明顯的勘查效果.如張金明［2］將EH4 電磁法應用于溫州市溫泉構造帶的勘查中，為斷裂帶的定位及其產狀的判斷提供了依據;楊外名等［3］采用EH4 電磁法在河北太行山貧水區(qū)尋找構造裂隙水效果明顯;樊戰(zhàn)軍等［4］將EH4 電磁成像系統(tǒng)應用于金礦的勘查中，取得了良好的效果.

EH4 電磁測深系統(tǒng)由美國EMI 公司和Geometrics 公司聯(lián)合研制，把人工場源和天然場源有效地結合起來［1］. 常規(guī)電法受低阻屏蔽影響，EH4 電磁測深系統(tǒng)具有勘測深度大、高效、橫向分辨率高等諸多優(yōu)點. 因此，筆者采用EH4 電磁測深系統(tǒng)對河南平頂山新華一礦礦區(qū)地層的富水性進行探查.

1 工程區(qū)概況

平頂山市新華區(qū)新華一礦屬平頂山市新華區(qū)興辦的集體性煤礦.該礦區(qū)處在平煤集團七礦井田一水平戊十采區(qū)范圍內，批準開采戊8、戊9－10 煤層.從安全生產出發(fā)，防患于未然，需查明礦區(qū)內指定地段的富水情況.

1.1 地質特征

井田內含煤地層為石炭系和二疊系，沉積在寒武系崮山組厚層的白云質灰?guī)r之上，石炭系太原組與寒武系崮山組地層呈平行不整合接觸. 石炭系太原組主要由細—中粒砂巖、砂泥巖、泥巖、灰?guī)r和煤層組成，以灰?guī)r為主，含庚組煤層，底部為鮞狀鋁土泥巖，該組地層一般厚度為65 m. 二疊系山西組整合沉積在石炭系太原組地層之上，以深灰色泥巖沉積為主，其次為灰白—棕灰色中粒砂巖，含己組煤層，該組地層一般厚度70 m. 下石盒子組連續(xù)整合沉積在山西組地層之上，灰及深灰色泥巖、砂質泥巖為主，淺灰色及灰白色細—粗粒砂巖次之，夾紫斑泥巖及菱鐵質鮞粒，含戊、丁組煤層，該組地層在井田內一般厚250 m. 煤系地層之上為薄層的第三系灰白色泥灰?guī)r和第四系角度不整合沉積所覆蓋. 第四系沉積主要為褐色黏土夾鈣質結核及礫石，厚度一般為20 ～40 m.

井田北臨礦區(qū)內大型正斷層——鍋底山正斷層，并處在該斷層的上盤及七礦郝堂向斜軸的西端.井田內總體構造為西部仰起向東傾伏的次級向斜構造，軸向北西西的煤層傾角平緩，由于受鍋底山大型正斷層的影響，井田內構造復雜，褶曲及斷層異常發(fā)育，煤層起伏，并受斷層切割破碎，斷層基本上發(fā)育為三簇，落差小于10 m 的極多，主要斷層走向與地層走向基本一致，呈北西西向，正斷層居多，傾向不一.由于構造復雜，礦井的設計和生產都較困難.

1.2 地球物理特性

區(qū)內各地層之間均有較明顯的電性差異.第四系為砂質黏土，上部夾鈣質結核，下部夾礫石，厚度5 ～60 m，巖性較復雜，視電阻率變化較大，平均為30 Ω·m;二疊系總厚350 m，各層電阻率基本穩(wěn)定，且變化較小，為10 ～80 Ω·m;石炭系厚度50 m 左右，視電阻率變化較大，為30 ～600 Ω·m;寒武系厚度大于100 m，其電阻率一般大于100 Ω·m. 橫向上區(qū)內地層沉積較穩(wěn)定，同一地層空間電性差異較小.完整灰?guī)r的電阻率較高，但當其因破碎或溶洞裂隙發(fā)育充水時其導電性會顯著增強，視電阻率明顯降低，在電性資料中表現(xiàn)為相對低阻異常［5］. 因此，通過尋找測區(qū)內目標層層位上相對低阻異常分布區(qū)，再結合地質資料，就能間接確定含水層的富水區(qū)分布及相互關系.

2 EH4 電磁法的應用

2.1 EH4 電磁法的基本原理

EH4 電磁成像系統(tǒng)主要通過視電阻率的變化分辨地下異常源，其原理是將大地看作水平介質，大地電磁場是垂直投射到地下的平面電磁波，則在地面上觀察到正交的電磁場分量(Ex，Ey，Hx，Hy)時間序數，然后通過傅里葉變換將時間域電磁信號變成頻譜信號，計算得到卡尼亞電阻率，公式如下:

式中:ρ 為視電阻率，Ω·m;f 為頻率，Hz;E 為電場強度分量，mV/km;H 為磁場強度分量，nT.

電磁波的能量隨著傳播深度的增加而逐漸被吸收，通常把波振幅衰減到原來的1/e 的傳播深度定義為趨膚深度［6］，其計算公式如下:

式中:δ 為趨膚深度，m;ρ 為視電阻率，Ω·m;f 為頻率，Hz.

采用EH4 電磁法測量電磁場的分量，應用式(1)計算出卡尼亞電阻率，經反演計算，分析確定地下異常體和地質構造.

2.2 EH4 工作方法及技術要求

根據工作目的、工作區(qū)地質、構造、地球物理條件及施工條件，工區(qū)物探測線共布設5 條，測線布置如圖1所示.

圖1 測線平面布置圖

野外測線敷設和定點工作采用手持GPS 領航、定位.到達工區(qū)后，根據已知控制點坐標對所有參與此項工作的GPS 進行輸入校正系數，使其測量結果為北京54 坐標值.GPS 讀取的坐標誤差均在《電阻率測深技術規(guī)程》(DZ/T 0072—93)規(guī)定的誤差范圍之內，滿足此次工作精度要求.

測量過程保持發(fā)射和接收同步，盡量避免人工電場的影響(如高壓電網、大功率變壓器接地網等).無法避免這些近場電磁干擾時，則適當減少信號的增益，避免信號溢出，同時適當延長測量時間和增加疊加次數;其次，當風動影響較大時，將接收裝置的電纜、探頭等用土埋壓，以保證信號不受干擾;再次，每一個測點要保證各個電極良好接地.當出現(xiàn)隨機的干擾信息時，個別頻點將發(fā)生跳躍，如果不將其剔除，將會影響最終反演解釋結果.

EH4 電磁法測量共32 個點，按系統(tǒng)的質量檢查量為總工作量的5%計算，檢查點為2 個，其系統(tǒng)檢查結果由檢查點上各觀測道總的平均均方相對誤差來衡量.其公式如下:

式中:Vj(ti)為第j 點第i 測道原始觀測數據;V'j(ti)為第j 點第i 測道系統(tǒng)檢查觀測數據;(ti)為Vj(ti)與V'j(ti)的算術平均值;n 為參加統(tǒng)計計算的測道數.

經計算，檢查點平均均方相對誤差M =±4.53%，小于《電阻率測深技術規(guī)程》(DZ/T 0072—93)規(guī)定的±10%的要求，確認資料可靠.

2.3 資料整理及解釋

對照原始野外記錄，對觀測數據逐點檢查、編錄.對應單個點視電阻率多次測量數據，剔除異常測量數據［7］，選擇最佳測量數據放入剖面曲線形成電阻率剖面圖(色譜圖單位為Ω·m).

2.3.1 1 線與2 線的EH4 電磁測深斷面圖分析

1 線測量剖面如圖2左側剖面所示，表層電阻率等值線起伏變化，局部下凹，大體反映了第四系的分布形態(tài)，說明第四系覆蓋層較厚;中部阻值較高，說明存在采空區(qū)或巷道;深部高阻等值線平行、密集分布，為寒武系正常地層反映. 在0 ～50 m 范圍內，埋深－275 m，有一開口向左、緩傾斜似層狀低阻體，推測為弱富水區(qū).整個剖面在埋深－375 m，存在一似層狀低阻層;特別是在50 ～150 m 阻值很低，推測為富水區(qū)［7］.

2 線測量剖面如圖2右側剖面所示，整個剖面呈現(xiàn)出采空塌陷區(qū)特征.125 ～200 m，埋深－125 m，阻值很低，推測為富水區(qū).0 ～200 m，埋深－150 ～－300 m，似層狀低阻層向右傾斜、阻值很低，推測為富水區(qū).0 ～100 m，埋深－400 ～－500 m，似層狀低阻層向右傾斜，推測為弱富水區(qū).

圖2 1 線與2 線的EH4 電磁測深斷面圖

2.3.2 3 線EH4 電磁測深斷面圖分析

3 線測量剖面如圖3所示.

圖3 3 線EH4 電磁測深斷面圖

表層電阻率等值線起伏變化并在200 ～300 m局部下凹，大體反映了第四系的分布形態(tài)，說明第四系覆蓋層較厚;測線100 m，埋深－125 ～－275 m，為橢圓狀高阻體，結合地質情況推測為采煤巷道;深部高阻等值線平行、密集、向右傾斜，為寒武系正常地層反映. 測線150 ～250 m，埋深－125 m，似層狀低阻層向右緩傾斜，推測為弱富水區(qū). 測線150 ～300 m，埋深－300 m，似層狀低阻層、阻值很低，推測為富水區(qū).測線0 ～50 m，埋深－475 m，似層狀低阻層開口向外，推測為弱富水區(qū).

2.3.3 4 線與5 線的EH4 電磁測深斷面圖分析

4 線測量剖面如圖4左側剖面所示. 在50 ～75 m為中、低阻值區(qū)，推測為富水區(qū).測線200 m，埋深－225 ～－300 m，有橢圓狀低阻體上下脈狀分布、阻值很低，推測為富水區(qū).

5 線測量剖面如圖4右側剖面所示. 在125 ～150 m 中淺部存在明顯電性接觸界面，推測為塌陷裂隙反映.其中，在125 ～150 m、埋深－140 m 處與150 ～200 m、埋深－250 m 處，存在似層狀低阻體，推測為局部弱富水區(qū).在100 ～150 m、埋深－525 m處，橢圓狀低阻體總體呈似層狀分布、阻值很低，推測為局部富水區(qū).

圖4 4 線與5 線的EH4 電磁測深斷面圖

3 結 語

1)根據地層的物理特征和ρ 等值線斷面圖的分布特征和形態(tài)，結合地質資料，對EH4 電磁測深數據進行分析和解釋，工作區(qū)段內發(fā)現(xiàn)并圈定了6 個弱富水區(qū)和6 個富水區(qū)在地面的投影位置，并確定了其不同埋深，為礦區(qū)安全生產提供了可靠的依據.

2)應用EH4 電磁法對煤礦采空區(qū)及富水區(qū)進行探測，取得了較好成效，為尋找舊礦區(qū)富水情況提供了更加方便、準確的物探測量方法.

3)為確保礦業(yè)安全生產，對點狀富水區(qū)、弱富水區(qū)和富水區(qū)應采取一定的防范措施. 因研究區(qū)存在塌陷、地裂縫等地質災害，特別是雨季更應注意采取防范措施.建議進行全面探查工作，進一步追索含水異常.

［1］劉國興.電法勘探原理與方法［M］.北京:地質出版社，2005.

［2］張金明.EH4 電磁法在溫州市溫泉構造帶勘查中的應用［J］.地質與勘探，2005，41(增刊):55－57.

［3］楊外名，劉紅云，楊亞飛. EH4 電磁法在河北太行山地區(qū)找水中的應用［C］//寒區(qū)冰情與凍土水文效應——第4 屆“寒區(qū)水資源及其可持續(xù)利用”學術研討會論文集，2011.

［4］樊戰(zhàn)軍，卿敏，于愛軍，等.EH4 電磁成像系統(tǒng)在金礦勘查中的應用［J］.物探與化探，2007，31(增刊):72－76.

［5］陳慶凱，席振銖.EH4 電磁成像系統(tǒng)的數據處理過程研究［J］.有色冶金，2005(5):5－8.

［6］樸華榮.電磁測深原理［M］.北京:地質出版社，1991.

［7］劉慧鵬.EH4 高頻大地電磁系統(tǒng)數據處理研究［D］.昆明:昆明理工大學，2009.