典型地質(zhì)異常體電磁法響應特征研究

牟 義

(1.煤炭科學技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京 100013；3.山西晉煤集團技術(shù)研究院有限責任公司 物探工程分公司，山西 晉城 048006)

地質(zhì)與勘測

典型地質(zhì)異常體電磁法響應特征研究

牟 義1,2,3

(1.煤炭科學技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京 100013；3.山西晉煤集團技術(shù)研究院有限責任公司 物探工程分公司，山西 晉城 048006)

為了精確預測煤礦構(gòu)造、采空區(qū)及含水體等地質(zhì)異常體，采用礦井瞬變電磁法在晉城礦區(qū)井下進行了大量試驗研究，通過收集構(gòu)造、采空區(qū)等典型地質(zhì)異常體驗證案例，分析電磁場響應多參數(shù)曲線，識別不同地質(zhì)異常體的電磁場響應特性，形成各類便于分辨的可視化圖件，來解釋礦井構(gòu)造、采空區(qū)及含水體等地質(zhì)異常體分布范圍及特性，達到精細化探測目的。結(jié)果表明：整體電位值相對較低，視電阻率值相對較高，且電位和視電阻率曲線出現(xiàn)跳躍起伏，這是識別不含水構(gòu)造或采空區(qū)的典型電性特征；整體電位值相對較高，視電阻率值相對較低，電位和視電阻率曲線較為圓滑衰減，反演深度較正常巖層深度要淺，則是含水構(gòu)造或采空區(qū)積水的典型電性特征。

瞬變電磁法；電位曲線；視電阻率曲線；采空區(qū)；斷層；陷落柱

礦井瞬變電磁法將地面半空間瞬變電磁法引入到地下，形成全空間瞬變電磁法，地面大功率發(fā)電機改進為井下小型鋰電池，地面大型大定源回線或中心回線改為井下小型多匝偶極裝置或重疊回線，相較于地面，礦井瞬變電磁法具有設備輕便靈活、施工效率高、距離目標探測區(qū)域更近、探測視角更廣、方向性更強等優(yōu)點，逐步成為礦井探測水害的主要手段[1]。全空間礦井瞬變電磁法由于受鐵器、電力、水力等井下復雜干擾條件影響，容易造成視電阻率顯現(xiàn)異常，形成“假地質(zhì)異?！?，而不同的斷層(含水、不含水)、陷落柱(含水、不含水)、采空區(qū)(含水、不含水)都有獨特的電場響應特征，通過對比識別相應的地質(zhì)異常特征，剔除“假地質(zhì)異?！?，從而提高探測精度。本文通過對瞬變電磁法的電場特征的分析，結(jié)合探測實例，總結(jié)不同地質(zhì)異常體探測應用效果，為今后礦井瞬變電磁法精細探測提供借鑒。

1 礦井瞬變電磁法方法與技術(shù)

礦井瞬變電磁法又稱為時間域瞬變電磁法，根據(jù)各類礦井探測區(qū)域的物性參數(shù)(電阻率、電導率)等的不同，采用礦井瞬變電磁儀向地下巖體發(fā)射脈沖電磁場，并觀測其感應形成的二次場的變化特征及規(guī)律，達到查明地下隱蔽災害的一種全空間電法勘探手段，從而保證礦井的安全生產(chǎn)[2]。

礦井瞬變電磁法由于巷道空間的局限，不能像地面瞬變電磁法一樣按照直角坐標系布置測線，均按照極坐標系布置環(huán)形測線。超前探測一般設計縱向和橫向半圓型測線剖面，實現(xiàn)全空間立體探測，每條測線剖面設計不同的測點極坐標角度，一般為15°或30°，通過順著巷道空間或垂直巷道空間布置不同的測線剖面，達到巷道掘進工作面前方頂?shù)装?、左右?guī)腿采w探測。瞬變電磁法探測方向及角度示意，如圖1所示。

圖1 瞬變電磁法探測方向及角度示意

2 構(gòu)造電性響應特征研究

斷層、陷落柱、溶洞、破碎帶等構(gòu)造顯現(xiàn)的電場規(guī)律取決于構(gòu)造的發(fā)育規(guī)模、尺寸及富水性等。當構(gòu)造發(fā)育規(guī)模越大或電阻率與兩側(cè)巖層電阻率差異明顯時，表現(xiàn)為高阻體或低阻體，破碎帶越寬，越破碎，電阻率相對正常巖層差別越大；當構(gòu)造體中存在含水體，富水性越強，電阻率越低，如果存在巖脈的話，形成良好的隔水層，且?guī)r脈比正常煤巖層阻值要高，所以一般呈現(xiàn)高電阻率值。

2.1 不含水構(gòu)造

以晉煤集團某礦15煤典型超前探測不含水構(gòu)造結(jié)果為例，圖2為多電場參數(shù)響應曲線，分別選取了3個典型數(shù)據(jù)點(虛線角度為180°，圈狀線角度為75°，直線角度為45°)進行多電場參數(shù)響應特征分析。

圖2 典型不含水構(gòu)造電場響應曲線

從圖2中可以看出，在2ms之前，圖2(a)和圖2(b)曲線3個數(shù)據(jù)點幾乎重合，說明該段位于探測的一次場響應曲線，不能反映地層電場特征。在2～40ms之間，圖2(a)和圖2(b)曲線出現(xiàn)了明顯的偏離，3條線近于平行，其中虛線電位值明顯相對偏大，視電阻率值相對偏低，且衰減較為圓滑；直線相對居中，衰減較為圓滑；圈狀線電位值相對偏低，視電阻率值相對偏高，且衰減過程中出現(xiàn)兩處較大起伏。將該時間段測點進行時深轉(zhuǎn)化形成視電阻率-深度曲線(圖2(c))，轉(zhuǎn)換后深度為20～120m左右，反映更明顯，圈狀線最大視電阻率值達到1000Ω·m以上，且有2處起伏，為高電阻率異常；直線視電阻率值位于100～1000Ω·m之間，為正常巖層阻值；虛線視電阻率值最低，整體位于100Ω·m以下，為低電阻率異常，該段區(qū)域真實反映出明顯地層或構(gòu)造電性信息差異。在40ms之后，圖2(a)和圖2(b)曲線發(fā)生劇烈變化，發(fā)生明顯交叉跳躍變化，無明顯規(guī)律可循，說明該段受其他電磁場干擾影響，不能真實反映地層的地電信息。

將2～40ms之間該方向的所有角度數(shù)據(jù)進行時深轉(zhuǎn)換成圖，可以更直觀地看出不同角度電場特性差異。在圖3視電阻率斷面圖中，發(fā)現(xiàn)在深色的高阻異常1附近出現(xiàn)了明顯閉合雙圈狀高阻異常區(qū)域，且整體阻值較兩側(cè)區(qū)域偏高，推斷此處存在至少2處不含水構(gòu)造；淺色的低電阻率異常出現(xiàn)2處，低阻異常1和低阻異常2，整體相對阻值偏低，且靠近巷道兩幫，對稱分布，考慮到現(xiàn)場兩幫為錨網(wǎng)，推斷2處低電阻率異常為錨網(wǎng)干擾影響；而正常巖層在圖中表現(xiàn)為介于深淺色中間色區(qū)域。在圖4視電阻率線框圖中也可以立體直觀地看到中間高阻隆起部分，與兩側(cè)低阻區(qū)域形成鮮明電性差異對比。經(jīng)過礦方掘進驗證，圖3高阻異常1前方閉合圈揭露不含水陷落柱，后方閉合圈揭露為不含水斷層。

圖4 視電阻率線框

2.2 含水構(gòu)造

以晉煤集團某礦3煤典型超前探測含水構(gòu)造為例，圖5為典型測點視電阻率-深度曲線(虛線角度為90°，實線角度為105°)，進行電場響應特征分析，從圖中可以看出，在15～120m區(qū)段為真實巖層反映的視電阻率衰減情況，2條曲線近于平行，且距離較遠，實線視電阻率值相對正常，平均視電阻率值在60Ω·m左右，深度可達120m；虛線視電阻率值相對偏低，曲線衰減較為圓滑，平均視電阻率值位于30Ω·m左右，且探測深度較小，僅為70m左右，為低電阻率異常。

圖5 典型測點視電阻率-深度曲線

在圖6所有測點反演形成的視電阻率斷面圖中，淺色的低電阻率異常分布范圍較大，位于整個探測區(qū)域的右側(cè)，形成閉合圈狀低電阻率異常，整體視電阻率值相對偏低，左右不對稱，且現(xiàn)場沒有明顯鐵器等干擾體，結(jié)合地質(zhì)資料及現(xiàn)場情況分析，推測低阻異常1為構(gòu)造裂隙水，而深淺色中間色代表正常巖層，在圖中位于左側(cè)，視電阻率等值線均勻衰減。在圖7視電阻率線框圖中也可以立體直觀地看到右側(cè)低阻凹陷部分，與左側(cè)正常煤巖體形成鮮明電性差異對比。通過礦方進行打鉆驗證，在異常區(qū)位置打鉆出水，水壓最高達1.5MPa，最高水量8.2m3/h，后經(jīng)過水質(zhì)化驗和鉆孔透視分析，含水體主要為砂巖含水體通過陷落柱形成的構(gòu)造水(圖8)。

圖7 視電阻率曲面

圖8 順層視電阻率疊加

3 采空區(qū)電性響應特征研究

晉城礦區(qū)大部分礦井不帶壓開采，受承壓水作用影響較小，因此對巖體電性特征影響較小，主要受上覆裂隙帶水體影響，晉城礦區(qū)第四系、K8砂巖層、K6灰?guī)r層、K3灰?guī)r層是富水性比較強的幾個巖層，在開采3，9，15煤層過程中，一旦“上三帶”發(fā)育，特別是導水裂縫帶波及這些含水層，采空區(qū)導通富水甚至充滿水，其視電阻率急劇下降，表現(xiàn)為低電阻率異常特征，而部分小煤窯采空區(qū)頂板未破壞或未波及含水層，形成密閉空間，呈現(xiàn)比正常煤巖層急劇升高的視電阻率值，表現(xiàn)為高電阻率異常。

3.1 含水采空區(qū)

以山西晉煤集團某煤礦3煤已掘巷道外側(cè)幫探測采空區(qū)及積水情況為例，設計礦井瞬變電磁法探測測線3條，測線長310m，點距為10m，每條測線布置測點32個，探測方向分別為頂板45°方向、順層0°方向、底板45°方向(如圖9所示)。圖10為順層測線的電位-時間曲線，在2～100ms之間，為測得的二次場電位衰減曲線，曲線衰減較為圓滑，尾支沒有明顯跳點，說明現(xiàn)場沒有明顯鐵器等干擾源，且所有曲線近于平行，但出現(xiàn)了明顯偏離，形成了兩束分離明顯的線束：1-15號點實線線束和16-32號點虛線線束，虛線束相對電位值明顯偏大，整體位于實線束上方，將該測線所有測點進行時深轉(zhuǎn)化形成視電阻率-深度曲線(圖11)，轉(zhuǎn)換后深度為20～130m左右，差異反映更明顯，虛線束和實線束之間沒有交叉重合，虛線束視電阻率值相對較低，整體平均位于4.5Ω·m左右，為明顯相對低電阻率異常，實線束視電阻率值整體平均位于10Ω·m左右，為相對正常煤巖體視電阻率值。

圖9 巷道測線布置

圖10 順層電位-時間曲線

圖11 順層視電阻率-深度曲線

在圖12順層測線視電阻率斷面圖中，淺色的低電阻率異常分布范圍較大，位于16-32號測點之間(距離為150～320m)，形成成片的低電阻率異常，整體視電阻率值相對偏低，左右不對稱，與深淺色中間色的1-15號測點(距離為0～150m)之間區(qū)域視電阻率值差異較大，且現(xiàn)場沒有明顯鐵器等干擾體，根據(jù)礦方提供的資料，推斷低阻異常1為3煤采空區(qū)及上覆裂縫帶水，為強富水區(qū)。在圖13視電阻率曲面圖中，也可以立體直觀地看到右側(cè)淺色低阻凹陷部分，與左側(cè)深淺色中間色正常煤巖體形成鮮明電性差異對比。后經(jīng)礦方打鉆，驗證為原小煤窯3煤采空區(qū)，且打鉆出水量較大，共計放水8×105m3。

圖12 順層0°方向視電阻率探測結(jié)果

圖13 2305巷順層0°方向視電阻率曲面

3.2 復雜采空區(qū)

以晉煤集團某礦3煤典型超前探測復雜采空區(qū)為例，圖14為多電場參數(shù)響應曲線，分別選取了3個典型數(shù)據(jù)點(虛線角度為45°，圈狀線角度為135°，實線角度為120°)進行多電場參數(shù)響應特征分析。從圖14中可以看出，和圖2的多電場參數(shù)曲線相類似，前期為一次場表現(xiàn)，晚期場受其他電磁場干擾明顯，感應的有效二次場主要集中于1～35ms之間。在該段區(qū)域，圖14(a)和圖14(b)曲線也出現(xiàn)了明顯的偏離，3條線沒有交叉，虛線電位值明顯相對較大，視電阻率值相對較低，且衰減較為圓滑；實線相對居中，衰減較為圓滑；圈狀線電位值相對偏低，視電阻率值相對偏高，但不如圖2明顯，且衰減過程中起伏較大。將該時間段測點進行時深轉(zhuǎn)化形成視電阻率深度曲線(圖2(c))，反演后深度為10～100m左右，圈狀線整體位于實線上方，視電阻率略高，特別是深度50～90m處，較為明顯，為高電阻率異常；實線視電阻率值大部分位于10～100Ω·m之間，為正常巖層阻值；虛線視電阻率值最低，整體位于10Ω·m以下，為低阻異常。該段區(qū)域真實反映出明顯地層或采空區(qū)電性信息差異。

圖14 順層0°方向典型測點曲線

將該方向的所有角度1～35ms之間數(shù)據(jù)進行時深轉(zhuǎn)換成圖，可以更直觀地看出電場特性差異，在圖15視電阻率斷面圖中，發(fā)現(xiàn)在深色的高阻異常1附近出現(xiàn)了明顯閉合圈狀高電阻率異常區(qū)域，且整體阻值較兩側(cè)區(qū)域偏高，推斷此處存在原小煤窯不含水采空區(qū)。淺色的低電阻率異常出現(xiàn)2處：低阻異常1和低阻異常2，整體相對阻值偏低，且不對稱分布，現(xiàn)場也無錨網(wǎng)干擾影響，推斷兩處低電阻率異常為原小煤窯采空積水區(qū)。而正常巖層在圖中表現(xiàn)為深淺色中間色區(qū)域。經(jīng)過礦方打鉆驗證，前方50m之外見空，通過鉆孔透視發(fā)現(xiàn)，為小煤窯空巷，無積水，后退30m，向右側(cè)幫打鉆，打到深度35m遇空，出水，水量較大。

圖15 順層探測視電阻率斷面

圖16 順層方向探測成果疊加

4 結(jié)論與建議

通過采用礦井瞬變電磁法在晉城礦區(qū)井下進行大量試驗研究，收集整理了大量構(gòu)造、采空區(qū)等典型地質(zhì)異常體驗證案例，分析其電磁場響應多參數(shù)曲線，對比不同地質(zhì)異常體的電磁場響應特性，來區(qū)分并解釋礦井構(gòu)造、采空區(qū)及含水體等地質(zhì)異常體分布范圍及特性，并形成各類便于分辨的可視化圖件，立體直觀區(qū)分異常體特征，達到精細化探測目的。通過以上分析，得出結(jié)論如下：

(1)對于不含水構(gòu)造，整體電位值相對較低，視電阻率值相對較高，且電位和視電阻率曲線對不含水構(gòu)造反映明顯，曲線出現(xiàn)劇烈跳躍起伏，這是識別不含水構(gòu)造的典型電性特征。

(2)對于含水構(gòu)造，整體電位值相對較高，視電阻率值相對較低，電位和視電阻率曲線較為圓滑衰減，反演深度較正常巖層深度要淺，其電性響應特征與錨網(wǎng)等鐵器干擾的電性響應特征相類似，如能排除現(xiàn)場鐵器干擾，則較易識別含水構(gòu)造。

(3)對于含水采空區(qū)，整體電位值相對偏高，視電阻率值相對偏低，且隨著含水采空區(qū)面積分布范圍的擴大，典型響應曲線特征點大幅增加，呈束裝分布，這是識別含水采空區(qū)的典型特征。

(4)對于不含水采空區(qū)，整體電位值相對偏低，視電阻率值相對偏高，局部曲線出現(xiàn)劇烈跳躍起伏，且隨著不含水采空區(qū)面積分布范圍的擴大，劇烈跳躍點增多，亦呈束狀分布，易于識別。

各類地質(zhì)異常體電性響應特征分析均未考慮現(xiàn)場鐵器、電力、水力等干擾條件和干擾體對響應曲線的影響，亦未考慮儀器及軟件不同參數(shù)選取對響應曲線的特征影響，因此，以后的試驗工作中需加大這方面的研究工作，以期更符合實際條件。

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[責任編輯：李 青]

Study of Electromagnetic Response Characteristics of Typical Geological Anomalous Body

MU Yi1,2,3

(1.Safety Institute，Coal Science and Technology Research Institute Co.，Ltd，Beijing 100013，China； 2.Coal Resource High Efficient Mining & Clean Utilization State Key Laboratory(China Coal Research Institute)，Beijing 100013，China； 3.Geophysical Exploration Engineering Branch，Shanxi Jinmei Group Technology Research Institute Co.，Ltd，Jincheng 048006，China)

In order to precisely prediction geological anomalous bodies ，such as coal mine tectonics，goaf and water body，a large amount of experiments studying with transient electromagnetic method was done in Jincheng coal mine district，some typical geological anomalous body cases were collected，which include tectonics，goaf and so on，many electromagnetic filed parameters response curve was analyzed，the electromagnetic response characters of different geological anomalous body were identified，then some easily distinguished visual pictures were formed，the distribution scope and characters of some geological anomalous bodies of mine structures，goaf and water body could be explained，the precisely prediction could be reached.The results showed that the integral potential was low relatively，apparent resistivity was high relatively,fluctuation change appeared in potential and apparent resistivity curves，it’s a typical character of structures without water and goaf，integral potential was high relatively，apparent resistivity was low relatively，smoothing attenuation appeared in potential and apparent resistivity curves，the inversion depth was more deeper than normal rock strata was typical character of structure with body and goaf water.

transient electromagnetic method；potential curve；apparent resistivity curve；goaf；fault；collapse pillar

2017-03-20

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.04.002

國家科技重大專項資助項目(2016ZX05045001-004)；國家自然科學基金(51404139)

牟 義(1983-)，男，山東日照人，碩士，副研究員，從事地球物理方法技術(shù)研究與應用工作。

牟 義.典型地質(zhì)異常體電磁法響應特征研究[J].煤礦開采，2017，22(4)：4-9.

TD175

A

1006-6225(2017)04-0004-06