瞬變電磁法在四川省鹽源縣某煤礦區(qū)三井田主平硐工程地質(zhì)勘察中的應用

（四川煤田地質(zhì)工程勘察設計研究院，四川 成都 610072）

某煤礦區(qū)三井田主平硐K0+820 m處發(fā)生規(guī)模較大的坍方和涌水突泥，導致主平硐K0+820～K0+700 m段被涌出物完全堵塞，并造成該段風水管道、電纜設施損毀。為查明工作區(qū)巖體破碎帶、裂隙發(fā)育情況及富水性及坍方區(qū)域破碎帶發(fā)育情況，在主平硐K0+700～K2+300 m段兩側(cè)各140 m區(qū)域開展了瞬變電磁法勘察工作。通過工程地質(zhì)鉆探驗證工作，查明主平硐通過區(qū)域的水文工程地質(zhì)條件及斷層的導水性等。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

1.1 區(qū)域構造

井田所在區(qū)域主體構造為一不對稱的干塘溝向斜（S1），該向斜軸線走向N50～60°E，長約17 km，向斜兩端揚起，軸線南段呈南西向弧形突出，北段向北東方向弧形突出展布，總體略似一反“S”型。礦區(qū)位于該向斜南西端，向斜在區(qū)內(nèi)走向長約4 km，北西翼陡，巖層傾角45～75°，南東翼較緩，層傾角10～30°，向斜核部為東瓜嶺組第八段，兩翼為東瓜嶺組七～一段。主平硐穿越主要構造有干塘溝向斜、F6斷層、F9斷層等。

1.2 含水層、隔水層特征

區(qū)內(nèi)出露地層主要為三疊系上統(tǒng)東瓜嶺組（T3d）和第四系殘坡積及沖洪積層（Q4），含隔水特征自上至下敘述如下。

1.2.1 第四系殘、坡積層及沖、洪積層（Q4）孔隙含水層

殘、坡積層主要分布在基巖表面和斜坡的下部，厚0～15 m，以粉質(zhì)黏土為主，夾少量碎塊狀砂巖、泥巖；沖、洪積層主要分布在干塘溝河谷一帶，厚0～10 m，以卵石、礫石、中細砂為主，結(jié)構松散，透水性強，富水性中等。

1.2.2 三疊系上統(tǒng)東瓜嶺組（T3d）裂隙含水層

該組地層大面積出露于向斜軸部及兩翼，總厚589.73 m，按巖性組合特征及富水性特征，可將其劃分為上下兩個含水巖組，其中本次工作區(qū)內(nèi)主平硐將穿越上含水巖組（T3d5～8）。

上含水巖組（T3d5～8）巖性以灰～淺灰色砂巖為主，各層段間夾有薄層泥巖、砂質(zhì)泥巖和煤線，泥巖厚度小于3 m，不具隔水作用，因此，將東瓜嶺組五～八段地層劃為一個含水巖組。該含水巖組主要出露于向斜軸部及兩翼，出露面積約6.2 km2，本含水層組平均厚327.37 m，其中，砂巖平均厚311.66 m，占該層組總厚的95.2%；泥質(zhì)巖平均厚14.40 m，占4.4%；煤層總平均厚1.31 m，占該層0.4%。

據(jù)地面調(diào)查，在該含水巖組共有泉點33個，多分布在順向坡溝谷中及向斜軸部槽谷地帶，標高一般在2 800～3 000 m，流量0.010 1～0.183 3 L/s，多為季節(jié)性泉水，旱季干枯，少量為長年性泉水，據(jù)長期觀測資料，動態(tài)變化都不大，雨后泉水流量有所增大，但流量均小于1 L/s。

上含水巖組以裂隙含水為主，在向斜北西翼，巖石較完整，裂隙不發(fā)育，富水性較弱；在向斜南東翼，裂隙相對較發(fā)育，含水層富水性弱～中等，屬裂隙弱～中等含水層組。為HCO3·CO·Ca型水，水質(zhì)中HCO3-、Ca2+含量偏大，顯示地下水為淺層地表循環(huán)水。

1.2.3 斷層富水性及導水性

F6逆斷層：位于干塘溝向斜東段核部附近，斷層延伸方向NE～SW，傾向SE，傾角70°，斷距90 m，最大落差80 m，走向長度約1.85 km，切割了整個T3d地層，斷層破碎帶寬達30 m，破碎帶為泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)程度中等，地表未見泉水出露，僅見少量滲水。雖然干塘溝溝水在流經(jīng)斷層時未發(fā)現(xiàn)漏失現(xiàn)象，但不排除采礦影響斷層帶充填情況，溝水順斷層進入礦井的可能性。

F9逆斷層：位于干塘溝向斜北西翼東段8～9號勘查線一帶，延伸方向NW～SW，傾向SW～SE，傾角75°，落差大于100 m，走向長度約1.8 km，切割了T3d5～T3d4+3等含、隔水層，破碎帶寬約8 m，多為泥質(zhì)膠結(jié)，地表未見泉水出露，該斷層富水性和導水性弱～中等，不均一。

2 瞬變電磁法原理

瞬變電磁法（簡稱TEM）是一種重要的電法勘探方法，其原理是利用發(fā)射的一次脈沖電磁場激勵地質(zhì)體產(chǎn)生二次渦流場，通過只研究純二次渦流場隨時間的變化規(guī)律來探測地下介質(zhì)的電性。瞬變電磁法測深原理可由M.N.Nabighian（1979）采用的“煙圈理論”形象化地描述：感應二次渦流場瞬變響應以等效電流環(huán)隨著時間的推移向外、向下擴散，形如發(fā)射回線吹出的“煙圈”，早期接收的瞬變電磁場反映淺部地質(zhì)體電性，晚期接收的瞬變電磁場反應深部地質(zhì)體電性[1-3]。在均勻介質(zhì)半空間條件下，中心回線瞬變響應的解析式為：

根據(jù)不同延時瞬變響應的電阻率特性中心回線解釋，可推斷出破碎斷裂帶、低阻富水巖體、巖溶空腔等地質(zhì)體的發(fā)育位置。

3 應用效果

3.1 視電阻率斷面圖分析

圖1是1018線視電阻率剖面圖，圖中橫坐標為測點距離測線起點的水平距離，縱坐標為標高。剖面顏色從藍色～綠色～黃色～橙色～紅色的漸變，代表了視電阻率由低～較高～高的漸變過程。當巖層富水性強時，視電阻率參數(shù)曲線的相應段均有局部低電阻體反映，在視電阻率剖面圖上，視電阻率值相對較低，部分表現(xiàn)為低阻封閉圈。

圖1 1018線視電阻率剖面圖

從剖面圖上看，樁號300～1200視電阻率等值線較均勻平緩，構造不發(fā)育。樁號200～300之間存在低阻異常，同時視電阻率等值線發(fā)生密集條帶狀畸變，結(jié)合現(xiàn)場情況分析，為正在施工的風井的反應；樁號1200～1700段出現(xiàn)視電阻率等值線扭曲現(xiàn)象，推斷存在破碎帶。剖面淺部存在的高阻條帶為盲區(qū)假異常，剖面小樁號深部存在的中高阻條帶為冬瓜嶺組第八段（T3d8）的地層反應。

3.2 視電阻率水平切片圖分析

2 500 m水平標高視電阻率等值線切片圖如圖2所示。

在圖中可見地層巖性均一穩(wěn)定無破碎帶區(qū)域，視電阻率值分布較穩(wěn)定，等值線形態(tài)平緩、均勻，無明顯差異顯示；反之，若斷裂構造區(qū)域或者富水低阻區(qū)域，電性分布不均勻，等值線劇烈變化，形態(tài)呈條帶狀密集圈閉。

圖2 2500m水平標高視電阻率等值線切片圖

切片中大部分區(qū)域視電阻率變化平緩，樁號100～300出現(xiàn)的低阻條帶為風井引起的異常，在樁號1200～1400間存在低阻條帶異常，推測為巖體較破碎，樁號1400～1700間存在等值線劇烈變化的區(qū)域，該區(qū)域推斷有一條斷裂構造通過，引起附近地層電性發(fā)生不均勻變化。

3.3 過井斷面分析

ZK2號鉆孔位于測區(qū)中部，在瞬變電磁法區(qū)域中位于1020線樁號1 000處，鉆探揭露井深190 m附近出現(xiàn)斷層角礫巖，相應的位置出現(xiàn)低阻條帶異常，與鉆探揭露情況吻合。結(jié)合平切圖分析，ZK2號鉆孔揭露的斷層走向基本與測線方向小角度相交，方位約66°，傾向156°，傾角約27°。

4 結(jié)語

（1）相比于接地電法，瞬變電磁法可以不接地測量，適用于接地條件較差的工區(qū)。

（2）采用瞬變電磁法勘察煤礦水害，有效地反映了巷道穿越地段基巖裂隙破碎帶發(fā)育情況，發(fā)現(xiàn)了破碎帶1處，經(jīng)鉆孔驗證有較高的吻合性，較好地解決了地質(zhì)問題。

（3）瞬變電磁法具有淺部盲區(qū)，如果探測深度較淺，則不宜采用該法。

（4）瞬變電磁法理論復雜，國內(nèi)的主要資料處理反演解釋軟件仍值得改進。