王宗林，牟鐵超，陶永文，梁 冰，蘭 波

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧阜新 123000;2.大同煤礦集團(tuán)朔州煤電公司，山西 懷仁 038300;3.東北煤田地質(zhì)局一0七勘探隊(duì)，遼寧阜新 123000)

0 引言

瞬變電磁法是一種時(shí)間域的電磁勘探方法，這種方法最早由20世紀(jì)30年代的蘇聯(lián)科學(xué)家提出，我國(guó)直到70年代才開始開展瞬變電磁的研究工作，近些年來(lái)，瞬變電磁法以其施工方便，節(jié)約成本，勘探速度快等特點(diǎn)迅速在煤礦地面和井下勘探采空積水領(lǐng)域中得到應(yīng)用。新裕煤礦為資源整合礦井，其南部資源即將采完，為保證生產(chǎn)的正常接續(xù)，決定向北部開拓。由于北部周圍分布著資源整合時(shí)關(guān)閉的小窯，地質(zhì)情況不明，可能含有采空積水，因此采用瞬變電磁法對(duì)該地區(qū)進(jìn)行勘測(cè)，查明采空積水分布情況。

1 瞬變電磁法工作概述

1.1 瞬變電磁法基本原理

瞬變電磁法亦稱時(shí)間域電磁感應(yīng)法，是利用不接地回線(磁偶源)或接地電極(電偶源)向地下發(fā)送一次脈沖場(chǎng)，在一次場(chǎng)間歇期間，利用另一回線或?qū)Ｓ锰筋^測(cè)量由地下介質(zhì)產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)，即二次場(chǎng)。該二次場(chǎng)是由地下的不同導(dǎo)電介質(zhì)受一次場(chǎng)激勵(lì)引起的渦流產(chǎn)生的非穩(wěn)定電磁場(chǎng)，與地下介質(zhì)有關(guān)。根據(jù)觀測(cè)到的二次場(chǎng)，通過(guò)觀察其衰減特征和資料處理，可以判斷地下地質(zhì)體與介質(zhì)分布特征、電性、規(guī)模和產(chǎn)狀等［1-3］。

由于介質(zhì)的歐姆損耗，這一感應(yīng)電流將迅速衰減，由它產(chǎn)生的磁場(chǎng)也隨之迅速衰減，這種迅速衰減的磁場(chǎng)又在其周圍的地下介質(zhì)中感應(yīng)出新的強(qiáng)度更弱的渦流［4，6-9］。渦流場(chǎng)在大地中以擴(kuò)散形式傳播，在這一過(guò)程中由于趨膚效應(yīng)，高頻部分主要集中在地表附近，且其分布范圍是源下面的局部，較低頻部分傳播到深處，且分布范圍逐漸擴(kuò)大［5-11］。其傳播速度和深度為:

瞬變電磁法所觀測(cè)的二次場(chǎng)包含地下地質(zhì)體豐富的地點(diǎn)信息，因此對(duì)視電阻率和瞬變電磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化規(guī)律的研究，可得出地下地質(zhì)體的分布情況，但瞬變電磁法野外勘探采集的數(shù)據(jù)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，須將感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)化為視電阻率，其轉(zhuǎn)換公式為:

式中:

ρτ——視電阻率(Ω·m);

u0=4π ×10-7亨/m;

ST——發(fā)送回線面積(m2);

SR——接收線圈面積(m2);

t——測(cè)道時(shí)間(s);

V(t)/I——?dú)w一化感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬變值(mV)。

1.2 瞬變電磁法地形校正分析

雖然瞬變電磁法與其他電法勘探相比受地形影響較小，但是研究地區(qū)往往地形復(fù)雜，地勢(shì)起伏較大，這將影響瞬變電磁法勘探結(jié)果的解釋。

瞬變電磁法接收的是純二次場(chǎng)，當(dāng)接收線圈敷設(shè)在傾斜大地上，線圈中心點(diǎn)接收的地下地質(zhì)信息是中心點(diǎn)垂直于地面的法線方向的信息，而在資料解釋中則誤認(rèn)為該信息為中心點(diǎn)地面垂線方向，如果接收線圈敷設(shè)在水平大地上，則中心點(diǎn)垂直于地面的法線與中心點(diǎn)垂線重合，接收的地質(zhì)信息能準(zhǔn)確反映該點(diǎn)的地質(zhì)體分布［10-11］(圖1)。

圖1 地形校正原理圖Fig.1 The principle diagram of the terrain correction

地形校正是將每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)在法線方向上的不同視深度的點(diǎn)電阻率投影到垂線方向上。根據(jù)圖2所示，推導(dǎo)出地形校正計(jì)算公式:

式中:ρs——校正后的視電阻率。

2 新裕煤礦地質(zhì)情況

2.1 地層

新裕煤礦位于大同煤田的中部東緣地段，大同向斜的中東翼邊緣。該煤田出露的地層由老到新有:太古界集寧群，古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二迭系，中生界侏羅系、白堊系、新生界第三系、第四系。井田內(nèi)部分被第四系黃土所覆蓋，部分范圍內(nèi)有基巖零星出露。

新裕煤礦井田內(nèi)主要含煤地層為石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)、石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)和二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)。

2.2 地球物理基礎(chǔ)

由新裕煤礦已掌握的資料上看，煤層的視電阻率在90Ω·m左右，而圍巖(泥巖、砂巖等)的電阻率約為70Ω·m左右。詳細(xì)的巖層的電性特征見(jiàn)表1。

表1 主要巖層的電性特征Table 1 Main electrical characteristics of the rock

從表1中可以看出不同巖層的電性有較為明顯的差異，特別是在煤層與砂巖裂隙帶之間，這是本次瞬變電磁勘探的地球物理基礎(chǔ)。

3 新裕礦瞬變電磁探水工程概況

3.1 工程布置

本次瞬變電磁探水工作采用的是中心回線裝置，工作區(qū)域網(wǎng)度40m×20m，共布置了21條測(cè)線，測(cè)線由南向北編號(hào)依次為21～41號(hào)。該工作區(qū)域內(nèi)，無(wú)大型變電站和高壓電線，建筑物較少，僅有一條公路在本區(qū)域穿過(guò)。

3.2 數(shù)據(jù)處理

本次瞬變電磁勘探數(shù)據(jù)處理采用是中國(guó)礦業(yè)大學(xué)自主研發(fā)的RUSSIA1.1版瞬變電磁數(shù)據(jù)處理軟件。并對(duì)采集的數(shù)據(jù)逐點(diǎn)檢查、編輯、統(tǒng)計(jì)并進(jìn)行適當(dāng)?shù)膱A滑和濾波處理，在一定程度上壓制和剔除干擾，突出有用信號(hào)(圖2、3)。將所得有用數(shù)據(jù)利用SURFER軟件繪制視電阻率剖面圖和順層切片圖。

圖2 原始數(shù)據(jù)的二次場(chǎng)衰減曲線Fig.2 The secondary field diminishing curve of original data

圖3 圓滑濾波處理后的二次衰減曲線Fig.3 The secondary field diminishing curve of smooth filtering processing

3.3 TEM剖面圖分析

圖4為21線的TEM斷面圖，據(jù)該測(cè)線66號(hào)測(cè)點(diǎn)附近的鉆孔ZK-3的資料顯示，表層第四系覆蓋層埋深下存在一層風(fēng)化煤，埋深6.45m，其下為煌斑巖。結(jié)合其他鉆孔資料，分析此煤層亦為天然焦遭受風(fēng)化所致，測(cè)井曲線此段無(wú)電阻率測(cè)量記錄，根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)和一般規(guī)律，風(fēng)化煤的電阻率和天然焦類似，電阻率很低甚至接近0Ω·m。距地面35.7m處出現(xiàn)采空區(qū)，厚度約為1.4m。該圖右側(cè)顯示有一低阻異常，視電阻率普遍低于20Ω·m，局部甚至接近0Ω·m，為強(qiáng)富水區(qū)，異常范圍從59號(hào)點(diǎn)直至剖面邊界75號(hào)點(diǎn)，其中59～63號(hào)點(diǎn)的低阻異?？v向延伸較深，達(dá)8#煤層，形成由淺至深的縱向低阻異常帶。推斷此處淺部的低阻異常系由風(fēng)化煤和采空區(qū)積水共同影響形成，而縱深方向的低阻異常帶為一斷層構(gòu)造所形成的破碎帶含水以及8#煤層采空區(qū)積水所致。

由21號(hào)線開始，向北的22～25號(hào)測(cè)線的斷面圖中的異常區(qū)和21號(hào)測(cè)線基本一致。再向北部的26、27號(hào)測(cè)線的斷面圖低阻異常已不明顯，深部也僅局部有低阻異常分布。說(shuō)明此處為富水區(qū)的邊緣。

在27線的中部偏西，即42～50號(hào)點(diǎn)間，出現(xiàn)了一U型低阻異常帶，其視電阻率值低于100Ω·m，該異常帶從27～30測(cè)線連續(xù)存在，且向北逐漸降低，至30線已降至40Ω·m即由中等富水區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)富水區(qū)。對(duì)25線44和45號(hào)測(cè)點(diǎn)間的鉆孔(ZK-2)資料分析，此處的5#煤已采空，而此U型區(qū)地勢(shì)相對(duì)較低，推測(cè)該U型異常帶為采空區(qū)積水所致，積水量由南向北逐漸增大(圖5)。

3.4 TEM順層切片圖分析

根據(jù)鉆探資料提供的5#和8#煤層底板等高線，在對(duì)各測(cè)線數(shù)據(jù)進(jìn)行地形校正后，分別繪制5#煤層和8#煤層的視電阻率順層切片圖，對(duì)兩個(gè)煤層的順層切片圖進(jìn)一步分析，可得出異常范圍沿煤層的分布狀況。

圖4 新裕煤礦21號(hào)線TEM斷面圖Fig.4 The 21 line profile of Xinyu coal mine

圖5 新裕煤礦27號(hào)線TEM斷面圖Fig.5 The 27 line profile of Xinyu coal mine

圖6中東南部的低阻異常影響深度大且異常幅值低，最低值不足8Ω·m，與圍巖的差異顯著，為顯著強(qiáng)富水區(qū)。此區(qū)域內(nèi)的3號(hào)鉆孔(ZK3)和附近的5號(hào)鉆孔(ZK5)資料顯示，4#煤已風(fēng)化，為低阻反映;5#煤層采空，也為低阻反映。推測(cè)此低阻異常區(qū)為采空區(qū)積水與低阻風(fēng)化煤共同影響所致，同時(shí)根據(jù)礦區(qū)防治水工作的要求，將5#煤層層劃分為強(qiáng)富水區(qū)、中富水區(qū)、弱富水區(qū)和非富水區(qū)。其中東南部存在低于40Ω·m的強(qiáng)富水區(qū)，富水面積約為41926 m2;西北部存在兩處低于62Ω·m的中等富水區(qū)域，富水面積約為12706 m2，62～100Ω·m的弱富水區(qū)面積約為87317 m2，無(wú)水采空區(qū)面積約為133823 m2。

圖7 新裕煤礦8號(hào)線TEM順層切片圖Fig.7 The 8#line TEM bedding section graph of Xinyu coal mine

圖7中僅在東南部出現(xiàn)一個(gè)低阻異常區(qū)，位置與5#層的低阻異常區(qū)一致，只是在范圍上有所縮小，但是其視電阻率仍小于8Ω·m，推斷該區(qū)域?yàn)閺?qiáng)富水區(qū)，面積約為32494m2。根據(jù)地質(zhì)資料，此區(qū)域?yàn)樵瓧顦錇车V區(qū)，該區(qū)域的8#煤層已局部開采，因此推斷此區(qū)域?yàn)椴煽諈^(qū)積水所致。

4 結(jié)論

綜合分析TEM剖面圖和順層切片圖，結(jié)合鉆孔資料，推測(cè)東南部低阻異常區(qū)域可能存在含水?dāng)鄬樱妥璁惓５淖呦蚣礊榇藬鄬拥淖呦?，大致為北東向，斷層面的傾向?yàn)楸蔽飨?。后?jīng)礦方在掘進(jìn)打鉆驗(yàn)證，5#層和8#層?xùn)|南部低阻異常區(qū)存在采空積水，說(shuō)明瞬變電磁法勘測(cè)采空積水是一種經(jīng)濟(jì)有效的勘探方法。

瞬變電磁法在復(fù)雜地形中實(shí)施時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意地形起伏對(duì)勘探數(shù)據(jù)的影響，在坡度較大的地形中勘探時(shí)，應(yīng)對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行地形校正，從而給出準(zhǔn)確的資料解釋。

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