瞬變電磁法在煤礦富水區探測中的應用

杜文龍

（山東省煤田地質局第三勘探隊，山東 泰安 271000）

探測區位于毛烏素沙漠與黃土高原接壤地帶，溝壑縱橫，基巖裂隙發育[1]。3#煤上部直羅組砂巖含水層、延安組砂巖含水層可通過基巖裂隙與地表水、裂隙水相連通，形成富水區，對底部煤層開采產生安全隱患。采用瞬變電磁法探測確定了富水區的空間分布，為防治水工作提供了技術保障。

1 工程概況

1.1 概況

朱家峁煤礦位于陜西省橫山區東北方約20 km處，行政區劃隸屬橫山縣波羅鎮、殿市鎮所轄，交通條件便利。礦井設計生產能力150 萬t/a，采用斜井單水平開拓方式，開采侏羅系延安組3#煤層。

1.2 地質概況

探測區地表第四系松散沉積物覆蓋廣泛，僅在較大溝谷有局部基巖出露，地層由老至新依次為：三疊系上統瓦窯堡組（T3w）、侏羅系下統富縣組（J1f）、侏羅系中統延安組（J2y）、侏羅系中統直羅組（J2z）及第四系（Q）[1-2]。井田地質構造簡單，為向西緩傾的單斜構造，傾向277°，傾角0.6°左右，無巖漿活動痕跡。

1.3 地球物理特征

區內地形起伏較大，地勢東高西低，溝壑縱橫，陡坎較多，造成淺層電性不均勻。受新生代的風化作用，巖層中若存在充水裂隙等，會使該煤層與周圍巖層產生較明顯的電性差異，含水層富水時，在橫向上，其視電阻率值明顯低于圍巖。不同區域的電性特征，是尋找含水層及其富水性的基礎。

2 工作方法

根據本區地質條件和鄰區工作經驗，采用大定源瞬變電磁法，網度40 m×20 m，邊框360 m×360 m，頻率25 Hz，電流12 A，積分時間15 s。

3 數據處理

瞬變電磁法觀測數據是各測點各個時窗（測 道）的瞬變感應電壓，需換算成視電阻率、視深度等參數，才能對資料進行下一步解釋[4]。對觀測數據中明顯不合理的觀察值給予剔除，對測區高壓線、道路車輛、村莊等的干擾，結合原始記錄進行平滑濾波處理，確保采集的原始資料符合地質規律[5]。修正處理的窗口范圍，反復進行處理和再次解釋。本次瞬變電磁法采用白登海教授研發的軟件BETEM對數據進行處理，通過一維建模、二維反演，再利用voxler 軟件進行三維成像[3]，可直觀地了解探測區電性空間分布特征。

3.1 一維建模

對整理后數據進行一維建模。由鉆孔資料及觀測曲線可知（圖1），探測有效范圍為34～520 m，從上到下分多個電性層。由于關斷時間影響，淺部地層信息會被屏蔽掉，因此34 m 以淺高阻區為盲區反映，34～42 m 相對高阻為第四系電性反映，42～56 m 相對低阻為基巖接觸帶，該位置裂隙較發育，相對富水，56～110 m 電阻率相對較高，為直羅組砂巖引起的電性反映，110 m 以下為延安組砂巖、泥巖、煤層等引起的電性反映。

圖1 一維建模及鉆孔柱狀圖

3.2 二維斷面反演

根據一維曲線所建立的地質模型，進行二維反演，得到各測線瞬變電磁視電阻率斷面圖。

斷面上視電阻率分布如圖2，橫向為測點號，縱向為高程，視電阻率值高低變化由灰度值的變化表示。該斷面縱向上整體隨深度增加視電阻率降低，在橫向上視電阻率基本呈水平層狀，符合煤系地層的沉積規律和電性特征。

圖2 視電阻率等值線斷面圖

標高1000～1115 m，視電阻率在55～75 Ω·m 之間，呈現橫向展布的層狀相對低阻異常，推斷該處為第四系與直羅組接觸帶位置，由于地層接觸帶弱富水引起的異常反映。標高935～970 m 位置，電阻率在35～45 Ω·m 之間，為煤系地層的電性反映，視電阻率等值線變化平穩。點號1300～1620 m 區域，標高940～950 m，視電阻率等值線扭曲，呈現相對低阻反映，3 煤之上覆蓋層較薄，溝谷內有基巖出露，易于大氣降水及地表水的滲透和匯集，故分析此異常為砂巖相對富水所致。點號1400～1420 m 區域，視電阻率扭曲，呈現高低阻突變，地表測量記錄該區域有燃氣管道經過，推測該區域為燃氣管道影響區域。

3.3 三維成像解釋

采用voxler 軟件，對反演后各剖面的數據體進行處理，通過散點數據體顯示、三維數據體成像、切片成像、截面剝離等多種方式，通過不同角度對數據體進行解譯，可以直觀地觀察各電性層的空間展布情況。

由圖3、圖4 可知，測區電阻率整體呈水平層狀展布，淺部電阻率分布不均，是由于地表起伏較大，隨著深度增加，電阻率先增加后減小。

圖3 測區視電阻率散點圖

圖4 測區視電阻率順層切片疊合圖

標高約1030～1100 m，存在一高阻中相對低阻層，該層為侏羅系碎屑巖類風化帶裂隙含水層；標高約900～1070 m，該層位電阻率相對平穩，根據電性特征及鉆孔資料，該層位為3 煤上部延安組碎屑巖類裂隙承壓水含水層。

兩含水層位東北部、東南部及西南部存在三個低阻異常區，平面位置基本重合，推測以上三處低阻異常，橫向上延伸范圍較小，縱向上存在潛在導水通道。

4 應用效果分析

通過瞬變電磁法勘探，對探測區內的地層、含水層及其富水性進行了解譯。探測結果表明：區內地層較平緩，東北部、東南部、西南部存在三處相對富水區，富水性弱。根據鉆孔、地質資料，地層劃分與鉆孔揭露基本一致，解譯富水區位置位于測區東北部巷道淋水區域。根據實際測算，淋水點淋水量0.5 m3/h，說明本次探測效果較為準確，為防治水奠定了基礎。

5 結論

（1）瞬變電磁法探測，通過一維建模、二維反演、三維成像，可較直觀地反映不同電性層的空間分布規律及相互聯系，可通過多角度分析，增加成果解譯的可靠性，提高了效率。本次劃分地層、富水區范圍，與已知地質資料相吻合，驗證了探測結果解譯的可靠性。

（2）三維顯示是對二維顯示成果的延擴，其精確度是建立在大量可靠有效的探測數據的基礎上[4-5]，因此須嚴格把控數據治理，對數據進行反復分析，剔除干擾因素。