瞬变电磁法在煤矿浅部含富水构造探测中的应用

瞬变电磁法在煤矿浅部含富水构造探测中的应用摘要:在我国煤矿开采中，裂隙突水是煤矿采掘或巷道掘进过程中常见的地质灾害，因此，煤矿开采前需通过多种手段查明是否存在破碎带、断层等对开采工作带来不良影响的地质构造。含导水构造中的孔隙水会使构造体电阻率降低，与其他电探方法相比，瞬变电磁法对低阻体的反映灵敏，利用瞬变电磁法进行地下水勘查具有明显优势。本文从瞬变电磁探测实例入手，探讨了瞬变电磁法探测浅部含富水构造的可行性。关键词:断层;瞬变电磁法;低阻异常矿井涌水是煤矿的致命灾害，在我国煤矿开采中，导致突水事故的原因主要有三种:一是灰岩岩溶水，二是砂岩裂隙水，三是老空水或老窑水［1］。这三种原因形成的突水问题对煤矿的安全生产造成极大威胁，个别情况下还会造成人员伤亡和经济损失。因此，通过多种有效手段查明煤矿的水文地质情况和地质构造，防患于未然，保证煤矿的安全生产，目前已成为水文条件复杂、极复杂矿区需要解决的首要问题［2］。瞬变电磁法近30年在煤矿地质、水文地质勘查领域发展迅速，其不仅在实际勘探的过程中具有施工简单便捷、探测准确率高、探测深度大等特点，而且受旁侧地质体的影响小，横向分辨能力强。同时，对地表的一些水体、大型铁器等干扰因素无静态效应，成为解决煤矿构造问题的首选方法［3］。1瞬变电磁法简介瞬变电磁法简称TEM，是通过不接地回线向地下发送脉冲式一次电磁场，利用线圈观测该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场的空间和时间分布，从而解决有关地质问题的时间域电磁法。根据法拉第电磁感应定律，利用不接地的磁偶极子向地下发射脉冲电磁波形成激发场源(一次场)，一次场结束后探测目标体(含水地质体)在激发场的作用下，内部会产生感应的涡流，这种感应涡流同时具有空间和时间特性。虽然直接测量出这种涡流的大小难度较大，但在实际探测过程中可以利用仪器观测涡流产生电磁场(二次场)的强弱、空间分布特性、和时间特性［4］。二次场信号的表现形式为:式中:q—接收线圈等效面积;M—发送线圈磁矩;ρ—地层电阻率;μ0—磁导率;t—时间。从式(1)中可以看出，二次场信号与ρ3/2、t5/4成反比关系。“二次场”的本质特征是由目标体的赋存状态和物理性质决定的，在其时间特性中，早期、晚期信号分别反映浅部、深部地层信息，时间的早晚直接对应了探测深度的深浅［5］。在进行TEM探测的过程中，探测目标体的埋深越浅、导电性越好、规模越大则二次场的信号越强。通过观测和研究“二次场”的空间分布特性，可以推测解译含导水构造的物性特征［6］。相比较于其他的地质勘探方法，TEM有许多优势和特点:①由于TEM具有施工效率高、形态简单、异常响应强、分辨能力强、对低阻体敏感的特性，使其在煤田水文地质探测中一般作为首选方法;②具有穿透高阻覆盖层的能力，优于传导类电法探测，在含导水构造、低阻采空区的探测中具有很大优势;③可采用中心回线、重叠回线等方式进行观测，与探测的地质异常体有最佳耦合。本次TEM探测使用的是凤凰公司生产的V8多功能电磁法探测仪，V8发射电压最高可达140V，满足大电流、大深度的探测要求。利用GPS卫星对发射和接收进行同步;能够有效地削弱人为电磁干扰，自动智能化调整叠加次数;V8窗口实时显示视电阻率曲线和电压衰减曲线，并具有数据预处理能力，在探测过程中能够进行大容量数据存储，不受探测数量的限制，是目前国际最先进的电磁法探测系统。2施工布置根据本次探测的目的任务，在本次瞬变电磁施工过程中，瞬变电磁施工测点沿垂向断层走向方向布置，布置为100m×40m，即线距100m，点距40m。详细施工布置图如图1所示。本次工作采用中心回线装置，发射边长为120m×120m，接收回线边长1m×1m，100匝，发射、接收线框水平放置。发射波形为1∶1的双极性方波，最大电流15A。为了获得比较好的信号，叠加次数为500次。选用25Hz发射基频进行探测工作，探测深度为20～400m。基本网度为100m×20m。施工过程中严格执行中国有色金属工业总公司《地面瞬变电磁法技术规定》。3矿区地质地球物理特征测区地层由浅到深大体上呈低阻—高阻—低阻的变化特征。对于浅地表，以第四系马兰黄土、残坡积砂土、亚砂土及冲洪积物、砾石为主，视电阻率值在30Ω·m上下，其下是侏罗系中下统延安组细砂岩、中粒砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩及5、6煤组，其视电阻率值较高，在50Ω·m左右，再往下，三叠系上统延长组粗、中粒长石石英砂岩以及含砾砂岩，其视电阻率值相对较低，在10～30Ω·m之间。沿测线方向，视电阻率等值线变化平缓，较好地反映了近水平状测区地层情况。4探测成果在ρs拟断面图上，若煤系地层完整，地层的视电阻率值变化会相对稳定，在视电阻率断面图中视电阻率等值线近似呈层状形态分布;当有含水地质构造时，视电阻率断面图上等值线会发生扭曲变形。在ρs彩色拟断面图上可分辨出断层或者其他含导水地质的构造。在ρs拟断面图上，对探测发现的低阻、高阻异常区统一进行编号，以便在资料解释过程中对断面图、平面图进行对照分析。各条测线的ρs拟断面图采用相同色标标出，不含水采空区用深红色表示。瞬变电磁B1线视电阻率拟断面图如图2所示。在断面图中存在一处视电阻率高阻异常区，把29～32号测点间存在的高阻异常编号为1号异常，在1号异常部位，视电阻率由40Ω·m增加到了52Ω·m，在井下巷道分布图中，在B1线29号点附近有多条巷道穿过，结合已知资料分析该断面图高阻部分，推断为巷道在瞬变电磁视电阻率断面图中的反映。通过对图3瞬变电磁法B1、B2、B3线综合分析，可以得出在本测区范围内F11断层的走向情况，由于在F11断层走向位置有大量低阻异常区的存在，而且在多条断面上都有连续显示，因此综合多条测线瞬变电磁探测结果分析认为，该断层具有一定的富水性，建议针对该异常区采取有效手段进行探查辨明异常真伪，在煤矿井下开采工作接近该区域时应结合水文地质情况综合分析，确保煤矿的安全生产。5结论5．1通过搜集矿方的相关地质资料，结合本次TEM探测成果分析，认为本次探测与钻孔资料和井下掘进收集到的资料吻合性较好。通过瞬变电磁法在煤矿进行含导水构造探测有技术优势，是煤矿水文地质调查的有效手段之一，对煤矿开采的设计及前期地质普查具有重要意义。5．2建议水文地质条件复杂的矿井选用有效的方法查明矿区的水文地质情况，在煤矿开采过程中针对物探异常区利用各种手段及时采取防治措施，避免因疏漏造成的经济损失。参考文献:［1］曹冰河．瞬变电磁法成果资料快捷解释方法［J］．物探与化探，2004(02):136－138．［2］李貅，郭文波，李毓茂．瞬变电磁法在煤田矿井涌水通道勘察中的应用［J］．地球科学与环境学报，2000(03):35－38．［3］牛之琏．时间域电磁法原理［M］．长沙:中南工业大学出版社，1992．［4］何先富，刘金涛，王柱．瞬变电磁法在内蒙古门克庆井田富水性探测中的应用研究［J