瞬變電磁法在興盛煤礦地下水勘查中的應用

畢可仁

(黑龍江煤礦安全監察局安全技術中心，黑龍江 哈爾濱 150000)

我國是煤礦水害多發的國家，突水造成的直接經濟損失一直排在各類煤礦災害之首，煤礦水害給國家和人民帶來的經濟損失和人身傷亡極為慘重。按照《黑龍江省煤礦老空水害防治工作規定》(黑煤生產聯規〔2017〕122號)第三十六條“礦井在未查明水文地質條件或未探明老空區的情況下不得組織生產”有關規定，興盛煤礦結合實際，為防止水害事故的發生，采用地面瞬變電磁法對本礦掘進工作面前方及未采區域進行地下水勘探，為該礦安全高效生產提供重要技術支撐。

1 瞬變電磁法基本理論

瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Method，簡稱TEM)是利用不接地回線或電極向地下發送脈沖式一次電磁場，用線圈或接地電極觀測由該脈沖電磁場感應的地下渦流產生的二次電磁場的空間和時間分布，來解決有關地質問題的時間域電磁法。本文以均勻大地的瞬變電磁響應為例，來討論回線形式磁偶源激發的瞬變電磁場，從而闡述瞬變電磁法測深的基本理論。

在導電率為σ、導磁率為μ的均勻各向同性大地表面敷設面積為S的矩形發射回線，在回線中供以的階躍脈沖電流為I，I滿足以下條件：

(1)

在電流斷開之前(t<0)時，發射電流在回線周圍的大地和空間中建立起一個穩定的磁場，如圖1。

在t=0時刻，將電流突然斷開，由該電流產生的磁場也立即消失。一次磁場的這一劇烈變化通過空氣和地下導電介質傳至回線周圍的大地中，并在大地中激發出感應電流以維持發射電流斷開之前存在的磁場，使空間的磁場不會即刻消失。由于介質的歐姆損耗，這一感應電流將迅速衰減，由它產生的磁場也隨之迅速衰減，這種迅速衰減的磁場又在其周圍的地下介質中感應出新的強度更弱的渦流。這一過程繼續下去，直至大地的歐姆損耗將磁場能量消耗完畢為止。這便是大地中的瞬變電磁過程，伴隨這一過程存在的電磁場便是大地的瞬變電磁場。

圖1 矩形框磁力線

2 瞬變電磁勘探技術方案

2.1 礦井概況

東寧縣興盛煤礦井田境界據2015年在黑龍江省國土資源廳辦理的《煤炭采礦許可證》，證號C2300002010071120069799，采礦權人為東寧縣興盛煤礦，生產規模4萬噸/年，井田面積為0.700 8 km2，開采深度為210～130m標高，礦井開拓方式為片盤斜井，礦井現保有儲量為20.68萬噸，礦井服務年限為5年。

2.2 勘探范圍確定

勘探儀器選用俄羅斯生產的FASTSNAP TEM型瞬變電磁儀，采用中心回線法。坐標系統為1980年西安坐標系，高程系統為1956年黃海高程系。此次探查區域南北長約130 m，東西寬約360 m。其物探范圍坐標由5個拐點組成。

3 現場探測及數據解析

3.1 視電阻率剖面圖分析

本次勘探含水區劃分原則有以下幾個：

(1)從勘探剖面圖分析未采區與采空區具明顯電性差異，采空區剖面圖上對應深度視電阻率數值較低，表現為低阻異常，未采空區視電阻率數值相對大。

(2)瞬變電磁勘探數據計算為相對電阻率，并非是介質真電阻率。物探資料解釋時以電阻率走勢為基礎進行推斷，綜合分析各剖面電阻率值分布范圍，地層視電阻率值基本在30～130 Ω·m之間變化，確定本次視電阻率值小于40 Ω·m時為煤層底板含水層。現以下面一條測線為例說明瞬變電磁法探測各測線視電阻率剖面圖的分析解釋過程。

圖2為視電阻率剖面圖。由圖2(a)可知，小號點為低阻特征，大號點為高阻；淺部地層橫向視電阻率數值變

圖2 視電阻率剖面圖

化較大，深部電阻率變化較小，該剖面淺部地層連續性差，深部具有一定成層性。由此推斷淺部電阻率變化可能受采空區影響所致，因此推斷103～107號點存在含水異常，范圍為60 m，深度為-20～-40 m，如緋紅色矩形框所標范圍。由圖2(b)可以看出，210～211號點存在含水異常，范圍為20 m，深度為-30 m位置。由圖2(c)可以看出，311～312號點存在含水異常，范圍為20 m，深度為-60～-100 m位置。

3.2 順煤層視電阻率切片圖分析

根據鉆孔資料揭露，該區域距離地面深度約40 m，提取對應各測點的各煤層深度電阻率數值，進行插值計算后形成勘探區域40 m的視電阻率切片圖，見圖3。

圖3 順煤層底板20 m處視電阻率切片圖

圖中淺黃～綠色～淺藍～藍的過渡表示視電阻率由高到低的變化過程。從圖中整體視電阻率值來看，在探測區范圍內，視電阻率值變化不大，變化范圍為30～50 Ω·m。從視電阻率分布形態看，勘探區東北角和西南角電阻率較低，電性分布比較均一，且數值大小變化不大，成片狀分布。

瞬變電磁法資料處理之后得出的成果是視電阻率，巖性的劃分主要以相對視電阻率為主，具體推斷同時參考鉆探資料或以往煤礦采掘資料。電阻率數值變化界限不等同于采空區邊界，且插值算法也會給采空區邊界的界定帶來一定的誤差，所以采空區范圍劃定時一方面結合物探資料、采掘資料和水文等地質資料，另一方面根據瞬變電磁法勘探的工作經驗對含水區做出合理推斷。

4 結論

根據地面瞬變電磁現場探測，由L1號測線視電阻率剖面圖可知，103～107號點存在含水異常，范圍為60 m，深度為-20～-40 m；由L2號測線視電阻率剖面圖可知，210～211號點存在含水異常，范圍為20 m，深度為-30 m位置；由L3號測線視電阻率剖面圖可知，311～312號點存在含水異常，范圍為20 m，深度為-60～-100 m位置。

礦井瞬變電磁儀實測過程中受到各種因素的影響，其勘探結果只能給出“低阻異常區”，該異常區具體性質并不清楚，因此，應緊密結合現場實際情況，采取鉆探等手段對異常區進行驗證分析，以進一步查清礦井水文地質條件。