瞬變電磁法在某鐵礦巖層富水性探測中的應用

尚繼斌，秦振超，王 蓓

(1.山東金邑礦業有限公司，山東 濰坊 261000；2.元亨工程咨詢集團有限公司，山東 煙臺 264000)

0 引言

目前國內鐵礦富礦少、貧礦多，鐵礦資源需求巨大，鐵礦石來源大多依賴于進口[1]。鐵礦石是鋼鐵工業的原料，鋼鐵工業的發展與國民經濟和社會鋼鐵材料的應用有著密切的聯系，鐵礦石的供給對鋼鐵工業的發展有著至關重要的意義[2-4]。在鐵礦山的開采推進過程中，安全因素不容忽視，危害的多樣性使得礦山的治理與開采變得困難重重，其中礦井水害就是重要災害之一。巷道頂底板地質條件較為復雜，形成一系列具有成因聯系的構造裂隙及溶孔溶洞，容易發生因頂底板富水而造成的透水事故，嚴重威脅礦山的開采進程[5-7]。 目前，對于礦井頂底板巖層富水性的探測主要是借助于地球物理手段，該手段也是現今較為高效且經濟便捷的一種方法，主要的探測方法有地質雷達和微震檢測技術[8-9]、電磁法[10]、直流電法[11]、高密度電法[12]以及由傳統電法發展而來的新一代電法數據采集方法，如三維直流并行高密度電法[13]和陣列式并行電法[14]。電磁法包括可控源音頻大地電磁法和回線源瞬變電磁法等傳統地面電磁法、廣域電磁法和短偏移距瞬變電磁法等近源電磁法、新發展起來的地空電磁法[15]。其中瞬變電磁法在近些年來發展迅速，具有較為明顯的優勢，包括探測精度高、盲區范圍小、靈敏度高、具有較強的抗干擾性等，在地球物理勘探中得到了廣泛的應用[16]。

楊柱等分別基于瞬變電磁法、TSP超前預報、鉆孔地質雷達在巷道掌子面前方準確探測出含水斷層破碎帶或裂隙[17]；任喜榮等利用等值反磁通瞬變電磁法結合三維建模技術，直觀展示了多個采空區的分布空間及埋深分布情況[18]；劉旭通過瞬變電磁技術對潛在富水異常區進行三維成像圈定[19]；李忠玉等應用礦井瞬變電磁法對頂板區域的響應數據，圈定了弱、中等、強三級富水區域[20]；李海洋等分別應用小線框瞬變電磁法和反磁通瞬變電磁法對比測試，獲得了深部采空區特征[21]；姚占偉等運用瞬變電磁法與三維地震解釋進行綜合分析，查明了煤層頂板富水區及勘探區內主要斷層的富水性[22]；郭梁通過瞬變電磁法勘測山西某礦工作面的采空區及積水的分布情況，并探測巷道中各個突水點[23]。本文主要通過瞬變電磁探測，使用礦用多通道瞬變電磁儀，查明東辛莊礦區-230 m中段巖層富水情況，利用Voxler三維可視化軟件繪制巷道頂底板及測線三維圖，對富水異常區進行三維成像并圈定，可進一步為礦區防治水工作及注漿治理方案提供依據。

1 瞬變電磁基本原理

瞬變電磁法屬時間域電磁感應方法。其探測原理：在發送回線上供一個電流脈沖方波，在方波后沿下降的瞬間，產生一個向發射回線法線方向傳播的一次磁場，在一次磁場的激勵下，地質體將產生渦流(見圖1)，其大小取決于地質體的導電程度，在一次場消失后，該渦流不會立即消失，它將有一個過渡(衰減)過程。該過渡過程又產生一個衰減的二次磁場向地質體內傳播，由接收回線接收二次磁場，該二次磁場的變化將反映地質體的電性分布情況(見圖2)。礦井瞬變電磁法為全空間瞬變響應，這種響應來自回線平面上下(或兩側)地層，這對確定異常體的位置帶來很大的困難。實際資料解釋中，必須結合具體地質和水文地質情況綜合分析。

圖1 半空間中的等效感應電流圖

圖2 瞬變電磁法原理圖解

2 數據采集

此次探測在-230 m中段98線至102線勘探線主運巷區域，實施瞬變電磁數據采集。采用某高校自主研發的礦用多通道瞬變電磁儀，每個物理點處觀測6個方向的數據(見圖3)，分別為頂板方向、頂板60°、頂板30°、順層0°、底板30°、底板60°，共設置25個物理點，點間距為10 m，共采集150個數據。在探測時，要求各類動力電源處于斷電狀態，各類風動工具處于關閉狀態。在數據采集過程中對全區瞬變電磁法所測物理點進行了質量檢查，合格率100%。

圖3 瞬變電磁側向探測示意圖

3 數據處理

瞬變電磁法數據處理和解釋軟件包MTEM是為瞬變電磁法的數據處理和解釋開發的專用軟件，適用于不接地磁源、半空間和全空間、矩形發射框移動源的中心和偶極方式下的瞬變電磁數據處理。該軟件采用了近年來的最新技術和方法，具有精度和分辨率高，使用簡單等特點。處理流程：數據室內回放—數據的預處理(轉化、拆分)—曲線剖面分析—濾波處理—視電阻率計算—一維正反演—ρ-h剖面繪制。

4 資料解釋

瞬變電磁資料的處理和解釋工作往往是同時交互進行的，它們之間存在一種從實踐到認識的提高過程。資料解釋是建立在資料處理后的視電阻率擬斷面圖的基礎上。在初步解釋成果的基礎上，進一步調整處理的窗口之后，再作反復的分析及解釋，必要時可進行反復的處理及解釋。

4.1 不同探測方向成果解釋

瞬變電磁在礦井探水，探測構造中的解釋原則：主要從電性上分析不同地層的電性分布規律。當存在巖石裂隙發育區時，如果裂隙不含水，則其導電性較差，局部電阻率值增高；如果裂隙含水，由于其導電性好，存在局部低電阻率地質體，可解釋為相對富水區。

1)頂板探測方向成果解釋。巷道頂板上方橫向距離0～30 m、100～140 m、220～230 m，縱向距離20～40 m范圍內出現電阻率30 Ω·m以下；橫向距離40 m至200 m，縱向距離80～100 m范圍出現電阻率30 Ω·m以下，其它區域都在30 Ω·m以上，推斷上述低阻區主要是由于巖石裂隙發育，含水后導電性增強，呈現低阻異常響應。其它區域電阻率正常變化，無明顯異常。瞬變電磁側向探測頂板電阻率等值線圖見圖4。

圖4 瞬變電磁側向探測頂板電阻率等值線圖

2)頂板探測60°方向成果解釋。頂板60°方向在巷道橫向方向0～20 m、100～140 m、220～230 m，縱向20～40 m區域內出現視電阻率30 Ω·m以下；橫向距離40 m至200 m，縱向距離80～100m范圍出現電阻率30 Ω·m以下，其它區域都在30 Ω·m以上，推斷上述低阻區內巖石裂隙發育，含水后導電明顯增強，呈現低阻異常響應。瞬變電磁側向探測頂板60°方向電阻率等值線圖見圖5。

圖5 瞬變電磁側向探測頂板60°方向電阻率等值線圖

3)頂板探測30°方向成果解釋。頂板30°方向0～20 m、100～140 m、220～230 m，縱向20～40 m區域內出現視電阻率30 Ω·m以下；橫向距離40 m至200 m，縱向距離80～100m范圍出現電阻率30 Ω·m以下，其它區域都在30 Ω·m以上。推斷上述低阻區內巖石裂隙發育，含水后導電明顯增強，呈現低阻異常響應。瞬變電磁側向探測頂板30°方向電阻率等值線圖見圖6。

圖6 瞬變電磁側向探測頂板30°方向電阻率等值線圖

4)順巖層探測成果解釋。橫向方向0～40 m、80～110 m、140～190 m、220～240 m，縱向20～40 m區域內出現視電阻率30 Ω·m以下；橫向距離40 m至200 m，縱向距離80～100m范圍出現電阻率30Ω·m以下，其它區域都在30Ω·m以上，推斷上述低阻區內巖石裂隙發育，含水后導電明顯增強，呈現低阻異常響應。瞬變電磁側向探測順層方向電阻率等值線圖見圖7。

圖7 瞬變電磁側向探測順層方向電阻率等值線圖

5)底板探測30°方向成果解釋。在巷道底板方向30°方向橫向方向0～40 m、80～190 m、210～230 m，深度-20 m至-40 m區域內出現視電阻率30 Ω·m以下；橫向距離40 m至200 m，深度-80 m至-100 m范圍出現電阻率30 Ω·m以下，其它區域都在30 Ω·m以上，推斷上述低阻區內巖石裂隙發育，含水后導電明顯增強，呈現低阻異常響應。瞬變電磁側向探測底板30°方向電阻率等值線圖見圖8。

圖8 瞬變電磁側向探測底板30°方向電阻率等值線圖

6)底板探測60°方向成果解釋。在巷道底板方向60°方向橫向方向0～40 m、80～160 m、210～230 m，深度-20 m至-40 m區域內出現視電阻率30 Ω·m以下；橫向距離40 m至200 m，深度-80 m至-100 m范圍出現電阻率30 Ω·m以下，其它區域都在30 Ω·m以上，推斷上述低阻區內巖石裂隙發育，含水后導電明顯增強，呈現低阻異常響應。瞬變電磁側向探測底板60°方向電阻率等值線圖見圖9。

圖9 瞬變電磁側向探測底板60°方向電阻率等值線圖

4.2 三維地質解釋

將巷道不同的探測方向數據制作成一個文件，利用Voxler三維可視化軟件繪制巷道頂底板及測線三維圖(見圖10～11)。三維圖低阻異常區主要有兩處，主要分布在橫向距離0～40 m、80～110 m、140～190 m，縱向距離20～40 m范圍的低阻異常區以及頂板方向橫向距離40 m至200 m，縱向距離80～100 m范圍的低阻異常區。推斷以上低阻異常區由于巖石裂隙發育，含水性增強，呈現低阻異常響應。

圖10 瞬變電磁側向探測三維低阻異常區

圖11 瞬變電磁側向探測三維低阻異常區(透視圖)

5 結語

1)此次-230 m水平瞬變電磁探測工作圈定異常區兩處，主要分布在橫向距離0～40 m、80～110 m、140～190 m，縱向距離20～40 m范圍的低阻異常區以及頂板方向橫向距離40 m至200 m，縱向距離80～100m范圍的低阻異常區。對于探測結果所圈定的富水異常區，結合礦區鉆探實驗進一步驗證其準確程度，證明結果可靠。

2)瞬變電磁探測屬于地球物理范疇，探測結果存在多解性，因此探測結果與實際可能有一定的偏差。瞬變電磁探測結果具有體積效應，受周圍圍巖電阻率影響大，富水區域是根據巖體在探測中反映的視電阻率值圈定的，具有相對性。