地面瞬變電磁技術(shù)在探測(cè)煤層頂?shù)装甯凰畢^(qū)分布中的應(yīng)用

李 剛

(山西潞安礦業(yè)集團(tuán)慈林山煤業(yè)有限公司李村煤礦，山西省長(zhǎng)治市，046600)

煤層頂?shù)装甯浇凰畢^(qū)的存在會(huì)對(duì)煤礦生產(chǎn)影響較大，威脅煤礦生產(chǎn)安全，從而造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。因此，提前提供區(qū)域內(nèi)詳細(xì)的富水區(qū)分布情況，可為煤礦的安全高效開(kāi)采和智慧礦山建設(shè)提供有力的保障。瞬變電磁法(TEM)屬時(shí)間域電磁測(cè)深法，又稱(chēng)“純異常場(chǎng)法”，它是利用階躍波形電磁脈沖激發(fā)，利用不接地回線(xiàn)向地下發(fā)射一次場(chǎng)，在一次場(chǎng)的間歇期間，測(cè)量由地下介質(zhì)產(chǎn)生的感應(yīng)二次場(chǎng)隨時(shí)間的變化來(lái)達(dá)到尋找各種地質(zhì)目標(biāo)體的一種地球物理勘探方法[3]。當(dāng)前，瞬變電磁法因其具有施工靈活、抗干擾強(qiáng)、施工效率高等特點(diǎn)，在煤礦生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用[4-8]。筆者以李村煤礦二采區(qū)為例，分析了瞬變電磁法在煤礦水文地質(zhì)勘查中的應(yīng)用。

1 研究區(qū)概況

1.1 地質(zhì)概況

研究區(qū)位于李村煤礦二采區(qū)，該區(qū)地層屬華北地層區(qū)山西地層分區(qū)晉東南小區(qū)，為華北型石炭-二疊系含煤構(gòu)造，地層自下而上分別為奧陶系中統(tǒng)、石炭系本溪組、太原組、二疊系上統(tǒng)、下統(tǒng)、第四系。井田內(nèi)大部分被第四系黃土所覆蓋，中部出露二疊系上統(tǒng)石千峰組下段地層。采區(qū)內(nèi)3號(hào)煤層為主采煤層，位于山西組下部，上距K8砂巖23.30～60.83 m，煤厚4.3～5.8 m，平均厚度4.94 m，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，含0～1層泥巖、炭質(zhì)泥巖夾矸，是全區(qū)主要可采煤層。

1.2 主要含水層水文地質(zhì)特征

3號(hào)煤層為帶壓開(kāi)采區(qū)，影響3號(hào)煤層開(kāi)采的含水層主要是第四系及基巖風(fēng)化帶、K10、K8及K7含水層；其中K8和K7含水層為3號(hào)煤層頂、底板直接含水層。

(1)K8及山西組砂巖裂隙含水層組。K8砂巖為山西組與下石盒子組分界，該含水層為碎屑巖裂隙含水層組，井田內(nèi)無(wú)出露，包括K8、K7砂巖及3號(hào)煤層頂板砂巖裂隙含水層，構(gòu)成主采3號(hào)煤層的充水水源。巖性以中、細(xì)粒砂巖為主，平均厚度13.26 m，井田內(nèi)該含水層組屬富水性弱-中等的砂巖裂隙含水層組。

(2)上、下石盒子組砂巖裂隙含水層組(K10)。該含水層組為碎屑巖裂隙含水層組，井田內(nèi)局部出露。主要由中、粗粒砂巖組成，一般裂隙較發(fā)育，局部充填。該含水層富水性與裂隙發(fā)育程度及其充填情況有關(guān)。

(3)基巖風(fēng)化帶裂隙含水層。該含水層的巖性因地而異，風(fēng)化裂隙發(fā)育因巖性、構(gòu)造及地形控制而不同，一般發(fā)育深度在50 m左右，該含水層一般富水性差異較大。

(4)松散層孔隙含水層組。該含水層組主要由具孔隙的亞粘土、砂、礫石等組成，區(qū)內(nèi)大面積出露，水位埋藏一般較淺，主要接受大氣降水補(bǔ)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。

2 地面瞬變電磁法探測(cè)

2.1 儀器選擇

結(jié)合本次探測(cè)任務(wù)與實(shí)際地質(zhì)情況，本次探測(cè)采用美國(guó)ZONGE公司生產(chǎn)的GDP-32II型多功能電法儀。該儀器具有動(dòng)態(tài)范圍較大、調(diào)節(jié)靈活及靈敏度較高等特點(diǎn)，可滿(mǎn)足對(duì)本研究區(qū)深部地質(zhì)探測(cè)需求。

2.2 測(cè)線(xiàn)布置

研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造走向多為南北方向，根據(jù)瞬變電磁勘探方法測(cè)線(xiàn)布置原則，本研究將測(cè)線(xiàn)方向布置為東西向，其編號(hào)由南至北排序?yàn)長(zhǎng)100～L2660，共計(jì)65條，各測(cè)線(xiàn)間線(xiàn)距為40 m。同時(shí)在測(cè)線(xiàn)上布設(shè)探測(cè)坐標(biāo)點(diǎn)，其編號(hào)由西至東排序?yàn)?00～5100，坐標(biāo)點(diǎn)共計(jì)8364個(gè)。本次探測(cè)控制面積約為7.13 km2。同時(shí)在測(cè)區(qū)中部、北部及西南部選擇了3條試驗(yàn)段作為測(cè)試試驗(yàn)地點(diǎn)，其中試驗(yàn)段1位于L860線(xiàn)700～980點(diǎn)，試驗(yàn)段2位于L1300線(xiàn)2420～2700點(diǎn)，試驗(yàn)段3位于L2060線(xiàn)4820～5100點(diǎn)，試驗(yàn)點(diǎn)總計(jì)24個(gè)。研究區(qū)內(nèi)測(cè)點(diǎn)、測(cè)線(xiàn)布置及試驗(yàn)段位置如圖1所示。

圖1 測(cè)線(xiàn)布置示意

2.3 施工參數(shù)選擇

瞬變電磁數(shù)據(jù)采集的參數(shù)設(shè)置事關(guān)數(shù)據(jù)信號(hào)的最終質(zhì)量以及野外勘探的工作效率。因此，為了保證瞬變電磁法對(duì)富水區(qū)探測(cè)成果的有效性，應(yīng)在正式探測(cè)前進(jìn)行多次施工參數(shù)選擇試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比分析不同探測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，從中挑選出針對(duì)該處研究區(qū)地質(zhì)條件的最佳參數(shù)。本研究中，選擇了研究區(qū)內(nèi)3條試驗(yàn)段(試驗(yàn)段1、2、3)作為測(cè)試試驗(yàn)地點(diǎn)，經(jīng)測(cè)試確定了較合理的施工參數(shù)。

(1)發(fā)射線(xiàn)框。3號(hào)煤層埋深約為500 m，同時(shí)考慮到研究區(qū)地形及野外施工效率，通過(guò)對(duì)比觀(guān)察各邊框的邊框衰減曲線(xiàn)及邊框反演深度，本研究選擇規(guī)格為840 m×840 m線(xiàn)框。此外在對(duì)線(xiàn)框進(jìn)行布設(shè)施工時(shí)，應(yīng)確保其長(zhǎng)度誤差小于5%、方向誤差小于1°，同時(shí)應(yīng)將線(xiàn)框的余線(xiàn)呈“S”形鋪于地面，且應(yīng)確保供電導(dǎo)線(xiàn)對(duì)地絕緣電阻至少為2 MΩ，導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)電阻小于6 Ω/km。

(2)發(fā)射頻率。4 Hz的衰減曲線(xiàn)比較圓滑，外部道強(qiáng)烈干擾而尾部道干擾較小，證明有效信號(hào)的總體衰減趨勢(shì)特征已經(jīng)被完整采集。

(3)發(fā)射電流。發(fā)射電流選取為26 A時(shí)，衰減曲線(xiàn)尾部相對(duì)較為平滑，能夠有效地壓制背景干擾噪聲，提高探測(cè)分辨率。

(4)其他參數(shù)。增益為1，疊加次數(shù)為8，其他參數(shù)隨頻率變化由儀器內(nèi)部設(shè)置自動(dòng)調(diào)節(jié)變化。

3 數(shù)據(jù)處理與解釋

3.1 資料處理

對(duì)于野外采集原始瞬變電磁數(shù)據(jù)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行逐條驗(yàn)收，并做好室內(nèi)評(píng)級(jí)工作。若驗(yàn)收過(guò)程中發(fā)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)存在異?；蚧?，則應(yīng)及時(shí)通知現(xiàn)場(chǎng)工作人員對(duì)數(shù)據(jù)存在異常區(qū)域進(jìn)行重新布線(xiàn)檢測(cè)；若原始數(shù)據(jù)驗(yàn)收合格，則應(yīng)根據(jù)野外采集環(huán)境對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、一維反演等相應(yīng)處理，獲得合適的解釋數(shù)據(jù)，并將其換算為視電阻率、視深度等含水性解釋所用的參數(shù)。其數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程圖

3.2 資料解釋

瞬變電磁數(shù)據(jù)的解釋工作主要建立在原始數(shù)據(jù)經(jīng)相應(yīng)處理后換算得到的視電阻率斷面圖、視電阻率平面等值線(xiàn)圖和視電阻率順層切片圖的基礎(chǔ)上。因此，為提高探測(cè)數(shù)據(jù)解釋的客觀(guān)及準(zhǔn)確性，在初步解釋之后調(diào)整處理中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行反復(fù)處理，直到滿(mǎn)足解釋要求。

(1)定性解釋依據(jù)。沉積巖層若沉積均勻在垂向上一般呈層狀分布，其橫向上變化較小，因而電性響應(yīng)特征在視電阻率剖面圖上表現(xiàn)為：在縱向上視電阻率等值線(xiàn)均勻連續(xù)變化，在橫向上視電阻率等值線(xiàn)平緩，無(wú)較大的褶曲躍變。但沉積的均勻完整性若遭到破壞，如地應(yīng)力作用產(chǎn)生的裂隙充水，煤層開(kāi)采后形成的冒落帶、裂隙帶充水等，其電性響應(yīng)特征在視電阻率剖面圖上將表現(xiàn)為低阻異常，使得視電阻率等值線(xiàn)出現(xiàn)不同程度的褶曲與躍變，形成封閉圈。因而針對(duì)巖層富水性的解釋?zhuān)梢罁?jù)剖面圖或平面圖上視電阻率的橫向變化特征。其中在平面圖上，富水區(qū)的解釋主要通過(guò)判別平面上的低電阻值封閉圈，極小值封閉圈為強(qiáng)富水區(qū)，次一級(jí)的極小值封閉圈為弱富水區(qū)。同時(shí)也應(yīng)注意對(duì)富水異常區(qū)的劃分,應(yīng)結(jié)合電性特征與地質(zhì)情況綜合分析，不能脫離具體的地電環(huán)境分析。

圖3 視電阻率剖面與測(cè)井曲線(xiàn) (視電阻率-深度)對(duì)比圖

(2)定量解釋依據(jù)。電法勘探作為一種間接勘探方法，在原理上無(wú)法準(zhǔn)確地測(cè)定探測(cè)目標(biāo)體的絕對(duì)物理電阻率，但可利用相應(yīng)的儀器設(shè)備對(duì)目標(biāo)體的相關(guān)電性變化信息進(jìn)行采集，尤其是均勻地層中發(fā)育存在的裂隙、地下水等異常目標(biāo)體時(shí)。通過(guò)對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，可獲得地下視電阻率結(jié)果，并據(jù)此分析其數(shù)據(jù)高低變化及形態(tài)分布特征，如圖3所示，結(jié)合已知鉆孔資料，推斷出有關(guān)地質(zhì)體的相對(duì)定量解釋標(biāo)準(zhǔn)。

4 富水異常區(qū)探測(cè)結(jié)果與分析

4.1 視電阻率斷面圖分析

對(duì)瞬變電磁探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理解釋?zhuān)@得視電阻率結(jié)果，并沿測(cè)線(xiàn)方向切取剖面。同時(shí)結(jié)合已知鉆孔資料及鉆孔附近的地質(zhì)層位與實(shí)際獲得的視電阻率剖面進(jìn)行比較，求出相應(yīng)的計(jì)算系數(shù)對(duì)視電阻率結(jié)果進(jìn)行深度校正，并對(duì)其進(jìn)行定量解釋。

4.1.1 L2580線(xiàn)斷面圖分析

L2580線(xiàn)視電阻率斷面圖見(jiàn)圖4。從縱向上看，該圖在剖面線(xiàn)的4420～4540號(hào)點(diǎn)均表現(xiàn)為低阻異常(圖中紅色虛線(xiàn)指示區(qū)域)，根據(jù)其標(biāo)高推測(cè)為K8含水層富水異常區(qū)。同時(shí)F1斷層在剖面上均無(wú)電性異常反映，推斷為不富水?dāng)鄬印?/p>

圖4 L2580線(xiàn)視電阻率斷面圖

4.1.2 L340線(xiàn)斷面圖分析

L340線(xiàn)視電阻率斷面圖見(jiàn)圖5。從縱向上看，該圖視電阻率值從高阻急劇下降到低阻再隨深度的變化逐漸變大，符合地質(zhì)的巖性變化規(guī)律；從橫向上看，該圖剖面線(xiàn)的4340～4500號(hào)點(diǎn)表現(xiàn)為低阻異常(圖中紅色虛線(xiàn)指示區(qū)域)，根據(jù)其標(biāo)高位置推測(cè)為K7、K2含水層富水異常區(qū)。同理，在該圖剖面線(xiàn)的4660～5100號(hào)點(diǎn)表現(xiàn)為低阻異常(圖中紅色虛線(xiàn)指示區(qū)域)，DF9斷層位于該低阻異常區(qū)內(nèi)，推測(cè)為DF9斷層為富水?dāng)鄬樱饕獮槊合档貙又g的富水。

圖5 L340線(xiàn)視電阻率斷面圖

4.1.3研究區(qū)視電阻率值電性特征及低阻異常區(qū)劃分原則

通過(guò)分析各視電阻率斷面圖可知，縱向上從淺到深其視電阻率值基本呈現(xiàn)由中、低、中、高的電性特征。從總體分析，圖中上部(+850 m高程以上)為中阻表現(xiàn)，其值為20～70 Ω·m，從上到下呈逐漸減小的趨勢(shì)，反映了新生界電性變化；中上部地層(+850～+400 m高程)為由低阻到中阻的表現(xiàn)，其值為20～40 Ω·m，反映了二疊系地層電性變化；中下部(高程+400～+150 m之間)為中高阻表現(xiàn)，其值為40～60 Ω·m，反映了石炭灰?guī)r地層電性變化；下部(高程+150 m以下)為高阻表現(xiàn)，電阻率值一般都高于60 Ω·m，呈逐漸升高趨勢(shì)，反映了奧陶系地層電性變化。

結(jié)合研究區(qū)的地球物理特征及鉆井資料，經(jīng)過(guò)分析對(duì)比后，最終確定了低阻異常區(qū)的劃分原則：第四系及基巖風(fēng)化帶含水層視電阻率≤30 Ω·m為富水區(qū)；K10含水層視電阻率≤30 Ω·m為富水區(qū)；K8含水層視電阻率≤34 Ω·m為富水區(qū)；K7含水層視電阻率≤38 Ω·m為富水區(qū)。

4.2 目標(biāo)層富水異常區(qū)圈定

在獲得各測(cè)線(xiàn)視電阻率剖面圖，即沿每條測(cè)線(xiàn)電性隨深度的變化情況后，求解各目的層深度，然后通過(guò)插值方法，求得目的層相應(yīng)深度對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)處的參數(shù)值，最后利用同一個(gè)目的層的插值結(jié)果繪制各煤層頂板對(duì)應(yīng)的電性異常分布平面圖，從而獲取第四系及基巖風(fēng)化帶、K10、K8及K7含水層的視電阻率反演數(shù)據(jù)順層切片。同時(shí)根據(jù)電阻率等值線(xiàn)的梯度變化、范圍、各測(cè)線(xiàn)的低阻異常的分布、在平面上的連通情況，并結(jié)合該研究區(qū)內(nèi)低阻異常區(qū)劃分原則，對(duì)上述含水層內(nèi)的富水區(qū)的位置、范圍和形態(tài)進(jìn)行解釋與圈定，從而獲取3號(hào)煤層頂?shù)装甯髦饕畬痈凰惓^(qū)圈定結(jié)果。富水區(qū)異常區(qū)圈定成果圖中，色標(biāo)由藍(lán)-白-紅表示視電阻率由低到高，其中圖中藍(lán)色區(qū)域的視電阻率值小于30 Ω·m，紅色區(qū)域的視電阻率值大于80 Ω·m。

(1)第四系及基巖風(fēng)化帶富水異常區(qū)。第四系及基巖風(fēng)化帶富水異常區(qū)圈定成果如圖6所示。由于新生界底部砂及砂礫石含水層與基巖風(fēng)化帶距離小，相互之間沒(méi)有明顯的電性差異，因此只能將其作為一個(gè)含水層來(lái)進(jìn)行富水性的評(píng)價(jià)。已知水文資料顯示該含水層屬于弱富水層，含水層的補(bǔ)給主要來(lái)源于地表水，受季節(jié)性雨水的影響較大。本測(cè)區(qū)第四系厚度變化較大，測(cè)區(qū)的西部基巖出露，風(fēng)化比較嚴(yán)重，東部第四系厚度達(dá)到180 m。通過(guò)觀(guān)察圖中視電阻率反演數(shù)據(jù)順層切片可知，圖中無(wú)紅色區(qū)域，即視電阻率均小于80 Ω·m。基于研究區(qū)視電阻率值電性特征及低阻異常區(qū)劃分原則，本研究在測(cè)區(qū)東部圈出4個(gè)異常區(qū)域，編號(hào)分別為Q1、Q2、Q3和Q4，推斷解釋為富水區(qū)。但第四系、基巖風(fēng)化帶下部的隔水層主要由具塑性的泥巖、砂質(zhì)泥巖等組成，呈層狀分布于各砂巖含水層之間，阻隔各砂巖含水層之間的垂向水力聯(lián)系，相對(duì)獨(dú)立。分析認(rèn)為富水區(qū)與煤層相距較大，構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，垂向發(fā)育不明顯，富水區(qū)與煤系地層含水層無(wú)明顯導(dǎo)通關(guān)系，但隨著礦井的開(kāi)采或受到特殊因素影響，地層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化后，有可能會(huì)與下部地層形成導(dǎo)通關(guān)系。

圖6 第四系及基巖風(fēng)化帶富水異常區(qū)圈定成果圖

(2)K10含水層富水異常區(qū)。K10含水層富水異常區(qū)圈定成果如圖7所示。K10含水層是3號(hào)煤層頂板之上的間接含水層，平均距離為110 m，已知水文資料顯示該層屬于弱富水性含水層。通過(guò)觀(guān)察圖中視電阻率反演數(shù)據(jù)順層切片可知，圖中無(wú)紅色區(qū)域，即視電阻率均小于80 Ω·m?；谘芯繀^(qū)視電阻率值電性特征及低阻異常區(qū)劃分原則，本研究在測(cè)區(qū)內(nèi)共圈定了10個(gè)富水異常區(qū)，編號(hào)自西向東分別標(biāo)注為K10-1至K10-10。其中K10-1、K10-2、K10-3和K10-5富水異常區(qū)控制程度較可靠；其他富水異常區(qū)均受高壓線(xiàn)干擾，數(shù)據(jù)質(zhì)量受到一定影響。

圖7 K10含水層富水異常區(qū)圈定成果圖

(3)K8含水層富水異常區(qū)。K8含水層富水異常區(qū)圈定成果如圖8所示。K8含水層是3號(hào)煤層頂板之上的直接含水層，平均距離為41.89 m，已知水文資料顯示該層屬于弱富水性含水層。通過(guò)觀(guān)察圖中視電阻率反演數(shù)據(jù)順層切片可知，圖中無(wú)紅色區(qū)域，即視電阻率均小于80 Ω·m。基于研究區(qū)視電阻率值電性特征及低阻異常區(qū)劃分原則，本研究在測(cè)區(qū)內(nèi)共圈定了13個(gè)富水異常區(qū)，編號(hào)自西向東分別標(biāo)注為K8-1至K8-13。其中K8-1、K8-2和K8-6富水異常區(qū)控制程度較可靠，其他富水異常區(qū)均受高壓線(xiàn)干擾，數(shù)據(jù)質(zhì)量受到一定影響。

圖8 K8含水層富水異常區(qū)圈定成果圖

(4)K7含水層富水異常區(qū)。K7含水層富水異常區(qū)圈定成果如圖9所示。K7含水層是3號(hào)煤層底板直接含水層，平均距離為15 m，已知水文資料顯示該層屬于弱富水性含水層。通過(guò)觀(guān)察圖中視電阻率反演數(shù)據(jù)順層切片可知，圖中無(wú)紅色區(qū)域，即視電阻率均小于80 Ω·m。基于研究區(qū)視電阻率值電性特征及低阻異常區(qū)劃分原則，本研究在測(cè)區(qū)內(nèi)共圈定了10個(gè)富水區(qū)，編號(hào)自西向東分別標(biāo)注為K7-1至K7-10。其中K7-1和K7-2富水異常區(qū)控制程度較可靠；其他富水異常區(qū)均受高壓線(xiàn)干擾，數(shù)據(jù)質(zhì)量受到一定影響。

圖9 K7含水層富水異常區(qū)圈定成果圖

5 結(jié)語(yǔ)

瞬變電磁技術(shù)對(duì)低阻目標(biāo)物反應(yīng)敏感，在煤礦水文地質(zhì)勘察中優(yōu)勢(shì)明顯。在本研究中通過(guò)對(duì)所采集瞬變電磁資料的計(jì)算、處理，基于經(jīng)分析研究得到的研究區(qū)視電阻率值電性特征及低阻異常區(qū)劃分原則，并結(jié)合已知水文地質(zhì)資料進(jìn)行定性、定量分析和綜合解釋?zhuān)静槊髁擞绊懣辈閰^(qū)內(nèi)3號(hào)煤層開(kāi)采的頂?shù)装搴畬拥谒南导盎鶐r風(fēng)化帶、K10、K8及K7的富水性，通過(guò)本次勘查工作，建議礦方在工作面布設(shè)過(guò)程中進(jìn)行合理規(guī)劃，并在煤層開(kāi)采過(guò)程中對(duì)圈定的富水異常區(qū)地段進(jìn)行井下電法探測(cè)及井下鉆探工作，進(jìn)行近距離的精確探測(cè)，從而確保煤礦的安全生產(chǎn)。