瞬变电磁法在煤矿地质灾害勘察中的应用

姚世来

（内蒙古平西白音华煤业有限公司，内蒙古 锡林浩特 026000）

煤矿开采容易受到水害威胁，比如断层及陷落柱富水突出、老窖水突出、断层导水等等，这些问题不仅影响煤矿开采进度，而且会给施工环节带来严重的安全隐患，因此在煤矿开采前需做好专业的地质灾害勘察工作，运用瞬变电磁法提升勘察准确度，从而采取有效的防治措施。

1 研究区地质概况

本文研究的矿产地质灾害勘察区域位于太行山西翼，基岩裸露，岩层风化侵蚀情况比较严重，地层从老到新逐渐过渡，分别为奥陶系（0）、石炭系（C）、二叠系（P）、三叠系（T）、第四系（Q），而且每个时期的基岩上均不规则分布新生界地层。该区域共有8 个断层，分别命名为DF1，DF2，…，DF8；共有5 个陷落柱，分别为X1 陷落柱，X2 陷落柱，…，X5 陷落柱。工作区为中低山侵蚀区，地表水系发育比较完善，勘察区的水系属于海河流域，将含水层与隔水层一共划分为9 层，其中含水层组根据岩层性质主要分成6 组，隔水层主要有1个，岩性由粉砂岩、细粒砂岩、砂质泥岩、泥岩和铝土泥岩等组成，岩性致密、裂隙不发育[1]。工作区中地质主要含水层与勘查煤层的地质情况如图1 所示。

图1 工作区主要含水层与煤层地质分布图

根据地质资料分析可知，勘察区的煤层及岩层电性参数见表1，结合资料数据得出地层电性差异较为明显，而且煤系地层的平均电阻值高于非煤系地层的电阻值，一般达到2 个级次后，构成1 个电性层。因此煤系地层的基底奥陶系灰岩的电阻率最高，具有较好的电性标志，而充水的断层破碎带电阻率较低，电性标志同样明显，为瞬变电磁法应用提供了较好的电性基础。

表1 煤、岩层电性参数表

2 瞬变电磁法工作技术

2.1 工作仪器、参数

针对本勘察区应用输变电磁法进行地质勘测，工作地点在野外，应用仪器为GDP-32Ⅱ电法工作站，其中包含GGT-30 发射机、30 kW 科勒BF30 发电机组成的发射系统、GDP-32Ⅱ多功能接收机以及TEM-3 垂直分量接收探头。在实际操作环节工作装置设定为大定源中心回线，发射线框尺寸为960 m×960 m，发射频率为4 Hz，自动增益，关断延时360 us，叠加次数为64次。结合勘察区地质及环境情况，应分别设置不同频率进行数据反演计算，从而确定最优发射频率，提前在钻孔附近观测各项参数，从而确最佳试验参数[2]。

2.2 试验

2.2.1 试验点及发射装置选择

结合前文中的地质区域研究，勘察区内15#煤的埋层最深，其中试验钻孔（P8-4 号）布置达到了767.71 m，而且钻孔附近干扰源相对较少，因此第一次试验点选择在P8-4 号钻孔周围，标记为S1，第二次试验点选择在水文钻孔P2-5 周围，标记为S2，再对2 处地层的电阻率异常情况进行阈值设定。本试验对勘察精度要求较高，因此需选用对目标体感应最为敏锐的中心回线装置，配合大定源装置进行回线源布置（作业模式如图2 所示），并在回线中间的1/3 处进行数据采集。

图2 大定源-中心回线组合装置作业图

2.2.2 瞬变电磁法发射框发射频率试验

试验要求探测深度要大于910 m，结合P8-4 号钻孔位置，试验环节的发射频率分别设置为16、8 和4 Hz。

首先设定供电电流为14 A，在S1 处分别采用发射边框为840 m×840 m 和960 m×960 m，频率16、8 和4 Hz 进行组合试验，可以得出6 种结果：当发射边框为定值时，3 种频率数据接收曲线比较光滑，但是16 Hz 和8 Hz 的采样时间较短，因此勘察深度不足，无法取得准确数据；当发射边框为960 m×960 m 时，4 Hz 勘察深度较深，达到910 m 以上，能够满足后期解释需求。因此发射频率设置为960 m×960 m 边框长度下的4 Hz[3]。

2.2.3 输变电磁法其他参数试验

发射电流：GDP-32Ⅱ工作装置要求发射电流大于10 A，根据上一步试验得出的960 m×960 m 边框长度下的4 Hz 发射频率，将其设定为固定值，进行电流大小测试，分别设计10 A 及14 A 电流进行试验比较，可以得出14 A 的发射电流接收信号强度更好，因此选用14 A 的发射电流。

关断延时：由于试验为野外实测，为了保证数据准确性，需完全采集第2 场数据资料，实验要在同一地点采集同一参数进行对比，将关断延时分别设置3 组数值：260、360 和460 us，根据实测数据的分析可知，延时在200 us 附近时，能够彻底清除第1 场测试信号，保证采集的信号全部是第2 场的。

噪音水平：针对试验区域的环境噪音水平，能够确定出接收机的增益数值及叠加次数，根据测量结果得出试验现场的噪音值在±0.010 nT 之间，因此无干扰区的噪音水平低于0.010 nT 时，信息接收强度需要大于0.020 nT。

钻孔旁深度：根据P8-4 号钻孔深度，对比附近的P6-4 号钻孔深度，电测深度曲线的深度校正系数为0.8，P6-4 号钻孔深度分别经过了第一电性层第四系覆盖反映、第二电性层二叠纪地层、第三电性层石炭系地层、第四电性层奥陶系灰岩，其中第二电性层电阻率较低，达到第三、第四电性层后电阻率逐渐升高，在第四层达到最高，因此P8-4 号钻孔的校正深度需以奥灰标志层为参考，深度校正系数设定为0.92[4]。

2.3 数据采集

2.3.1 工程布置

首先确定瞬变电磁测线，在勘察区域内以垂直地质构造走向进行布置，这样能够增加信号接收强度。测线具体布设方向为西北-东南，每条线之间相互平行，间距设为40 m，测线共布设240 条，从南至北依次编号为D112～D352，测点共布置2 880 个，依次编号为1740～4620，每个测点间距为20 m。

2.3.2 采集技术

1）勘察区有村庄、电线、光缆等电磁干扰源，针对其中电磁频率较宽较强的干扰源，需增加数据采集的叠加次数，取得数据后绘出曲线图，采用单点曲线分层解释及尾部数据低通过滤波处理办法，实现“累加平均”取数的目的。

2）如勘察区内地质有冲沟发育特点，需准确设置发射框尺寸，应用测量仪器进行量距定向，从而规范发射圈面积，再采用直流电测深法进行跑极放线，并应用测量仪器对每一个极距进行量距定向，加强数据采集精度。

3）试验操作环节需保证瞬变供电导线绝缘电阻大于2 MΩ，同时内阻要大于6 Ω/km。

3 瞬变电磁法数据处理

3.1 资料处理

应用瞬变电磁法观测数据，主要是通过各个测点的时窗（测道）所感应到的电压进行换算，从而得到视电阻率、视深度相关参数；野外监测环节需对每个测点数据进行转换，通过计算机技术筛选优质数据，再通过滤波、消除噪声、恢复数据等环节后，运用TEMAVG 软件进行数据的关断时间校正，实现数据的时深转换，最终得出视电阻率及视深度数值；对处理后的结果进行一维数据反演，本文研究主要应用STEMINV 软件，通过反演操作进行地形校正及高程校正；依据地层等高线及相关地质资料绘制不同层位的视电阻率切片图，并应用Auto CAD 软件绘制成图，详细的瞬变电磁数据处理及解释步骤如图3 所示。

图3 瞬变电磁数据处理及解释流程图

3.2 资料分析

在进行资料一维数据反演过程中，如果不同深度视电阻率值下的二次感应电压值较高，相应地层主要表现为低电阻特性；如果二次感应电压值较低，相应地层主要表现为高电阻特性。

勘查区的7 层地质分布，从下至上依次为奥陶系中统峰峰组、石炭系中统本溪组、上统太原组、二叠系下统山西组、下石盒子组、上统上石盒子组以及新生界地层。结合资料处理结果进行解释分析可知，上部的新生界地层表现为高电阻，而且电阻从上至下逐渐呈现递减再递增趋势，其中二叠系地层电阻最低[5]。

4 瞬变电磁法资料解释

4.1 断层富含水性分析

4.1.1 解释标准

上文地质概况中阐述了勘察区断层主要有8 条，其中DF1～DF6 为正断层，DF7 和DF8 为逆断层。在资料解释中需要对各个层位的视电阻率变化及电阻率-深度剖面的异常区域进行处理。如果剖面图及岩层含水，则表示为高阻，并将其判定为不富水；如果为中低阻异常或低阻异常，则判定为富水。

4.1.2 解释内容

以断层DF1 为例，其属于正断层，北东走向，南东倾向，地处工作区的东南点，落差范围在0～6 m 之间，倾角在74°左右，断层DF1 主要在8#、15#煤层及奥灰中发育形成，其DF1 的电磁测线范围在L124～L156 线上，观察L140 线的4100~4500 号测点，其中4420～4380 号范围内的测点电阻率等值线出现扭曲、变形，而且断层反映明显，因此该处电阻率-深度剖面图位于较高的电阻率区域，该层判定为不富水。

根据断层DF1 的资料解释方法，依次进行其余断层的富含水性分析，断层DF2 在L132 线、断层DF3 在L164 线电阻率-深度剖面图位于较高的电阻率区域，断层DF2、DF3 判定为不富水；断层DF4 在L190 线电阻率-深度剖面图位于无异常变化的电阻率区域，该层判定为不富水；断层DF5 在L260 线、断层DF6 在L310 线电阻率-深度剖面图的电阻率等值线呈“V”型低电阻反映，因此富含水性较强；断层DF7 在L348线、断层DF8 在L328 线处的电阻率呈低电阻反映，而且形成了低电阻率闭合圈，因此富含水性较强。关于瞬变电磁的研究来分析断层的整体成果，可以初步判定工作区内断层整体上富含水性较强，其中DF5、DF6、DF7、DF8 存在一定的低阻异常区域，而且这些断层相邻的上下层位中，低阻异常区主要与剖面倾向方向存在联通关系，可以得出奥陶系中统石灰岩岩溶水层与石炭系上统太原组灰岩岩溶含水之间形成了一定形式的导水通道，即DF5～DF8 在含水层与溶岩含水之间形成了导水通道，断层DF1、DF2、DF3、DF4 均不富水。

4.2 陷落柱富含水性分析

4.2.1 解释标准

勘察区内共有5个陷落柱，从X1～X5，在资料解释中同样需要对各个层位的视电阻率变化及电阻率-深度剖面的异常区域进行处理，如果陷落柱的富水性较强，则垂直方向的低电阻率异常；如果陷落柱不富水，则垂直方向的高电阻率异常；陷落柱富水性较弱，则为中等电阻率。根据数据解释分析可知，勘察区的陷落柱多为中阻表现，个别为低阻表现，而且部分陷落柱具有导水能力。

4.2.2 解释内容

以X1 陷落柱为例，其处于工作区的东南点，形态表现为不规则椭圆形。该陷落柱在15#煤层的长轴长为64 m，短轴长为52 m，瞬变电磁测线范围在L152 线的4220～4580 测点上，其中4420～4460 号测点范围内的电阻率-深度剖面图没有明显的低电阻反映，而且与周围围岩的电性差异不大，可以判断该陷落柱不富水。

根据X1 陷落柱的资料解释方法，依次进行其余陷落柱的富含水性分析，X2 陷落柱在L184～L196 线上3860～4020 号测点、X5 陷落柱在L252 线上2240~2300 号测点之间视电阻率较低，而且形成了低电阻封闭圈，属于两高夹一低电性特征反映，因此该陷落柱富水；X3 陷落柱在L118～L124 线上2620～2700 号测点、X4 陷落柱在L256～L260 线上3780～3860 号测点之间无明显低电阻反映，X1、X3、X4 陷落柱均不富水。通过所有陷落柱的瞬变电磁电阻率-深度剖面研究得出：工作区内的陷落柱整体富含水性较强，其中X2、X5、X6存在低电阻异常区域，并在这3 个陷落柱相邻的上下层位中可见低阻异常区域，异常区域与剖面倾向方向存在一定的对应关系，因此可以判断奥陶系中统石灰岩岩溶含水层与石炭系上统太原组灰岩岩溶含水之间形成了导水通道，较为典型的是X5 陷落柱在含水层与溶岩含水之间形成了一定形式的导水通道。

5 结束语

近些年煤矿安全问题日益突出，在煤矿开采前，针对水害的勘察及治理成为安全工作的主要任务，文章采用瞬变电磁法对矿区构造处断层及陷落柱的富含水性及导水性进行勘察及判定，结合数据资料的分析解释，总结出技术路线及操作方针，不断试验总结，进而提升地质勘察水平。