YCS512矿用本安型探水仪在地面探测断层的应用实践-中国矿井物探网—

晋东南办事处孙志强技术支持中心李松

1、应用概况

2014年4月，华虹公司驻晋东南办事处对山西省煤炭地质114勘查院地环中心进行了为期半个月的矿井物探培训工作，培训内容包括YCS512矿用本安型探水仪、YDT88矿用无线电波透视仪的仪器原理、施工方法、软件处理及解析等方面，且在长治郊区野外、李坊矿、襄垣矿区地面采空区、常蒋矿等多个地点对仪器操作及注意事项等方面进行了现场指导，其中采用YCS512矿用本安型探水仪在潞城至长治市东侧二级公路一带的晋获断裂带长治段共进行了同测线的4次探测，通过电磁信号在新老地层差异的不同响应，对仪器的灵敏度、稳定性等性能进行了验证，且对矿井瞬变电磁仪在日后地面工程地质勘查中的可发挥空间提供了应用实例。
晋获大断裂走向呈北北东25°，斜贯太行山，北端和南端分别进入河北省和河南省境内，总长达350km以上。其通过地段地质构造复杂，地貌显示清楚，在周围平缓而单调的地质构造背景上显得非常突出。该断裂自黎城县南部进入本区，经潞城、长治市东侧，至长治县南王庆一带出本区，一直向西南方向延展至晋城地区。通过本区断裂带部分属晋获断裂带的中南段，可统称为晋获大断裂的长治段。经地面和深部调查资料确定，凸起两侧的直线形陡坎分别对应于两侧的长治大断层和东侧的魏家庄—北仙泉挠褶构造。中间突起部位则为老顶山复式背斜。长治大断层的西侧，隐伏在第四系松散层下的石炭一二叠系含煤地层，呈平缓的总体走向近南北向的单斜构造，倾角一般大于5°。因此，可以确定，长治大断层为断裂带的西界，东侧为其派生的狭长向斜构造，向斜槽部分为中石炭统含煤地层，向斜槽部及东翼产状平缓，如图1 中的红色实线为探测地点在地面地形地质图上的位置。

图1 地形地质图

2、仪器简介
    矿井水害的预报，一直是煤矿企业的工作难点，为了提高预测精度，进一步防止矿井水害的发生，福州华虹智能科技股份有限公司在2008年推出国内第一款矿用瞬变电磁仪YCS40(A)以及2012年二代矿用本安型瞬变电磁YCS256基础上研发出的第三代产品。YCS512矿用本安型探水仪，依据时间域全空间瞬变电磁场的基本原理，通过发射线圈向地质体发射瞬变一次场，通过接收线圈测量迅速衰减的电场在其周围的介质中感应出新的涡流场（二次场）随时间的变化特征，分析感应场所覆盖的地质体按电性特征的空间分布规律，并进行信号处理、干扰校正、算法反演、时深转换及成图处理，进而得到地质异常体的分布、规模、形态等信息。YCS512矿用本安型探水仪相对传统瞬变电磁仪具有如下特点：
    （1）极小盲区：通过改进关断方式、采用中心回线装置、采用全区视电阻率算法、信号拟合处理等关键技术，可达到5m左右的极小盲区效果；
    （2）背景噪声调查：可实时测试探测现场的背景噪声，并对电磁噪声的主频、主频峰值进行分析，进而起到可对原始信号质量的优劣进行预判的作用；
    （3）全区视电阻率算法：晚期算法在早中期与实际视电阻率相差较大，晚期基本一致；而全区算法获取的电阻率在全程更接近“真”值；
    （4）现场解析：仪器具有现场成视电阻率等值线图功能；
    （5）抗干扰能力强、分辨率高。
    根据YCS512矿用本安型探水仪的以上技术特点，其应用范畴主要包含如下几方面：
    （1）探查采区主要导水地质构造及岩溶、裂隙发育带、陷落柱的位置，并对其富水性进行评价；
    （2）探查采煤工作面顶、底板岩层或掘进巷道前方隐伏富含水体的位置；
    （3）探查老窑采空区，圈定富水异常区范围；
    （4）防治水工程质量评价等等。

图2 YCS512矿用本安型探水仪系统组成图

3 施工设计

3.1 施工布置

图3 施工地点平面示意图

野外数据采集于3月15日及4月4日两次进行，施工地点位于潞城至长治市东侧二级公路的晋获断裂带长治段（断层描述见应用概况），由东向西穿过公路布置测线（图3），更换不同参数重复探测四次，测线1长度为360m，每隔10m布置一个测点，共37个测点，测线2、3、4的长度均为270m，每隔10m布置一个测点，共28×3=84个测点，测点16即150m位置的附近为公路，也就是断层所在位置；探测方位即为垂直地表向下（图4）。

图4 施工地点剖面示意图

3.2 参数设置

为加深山西省煤田地质114勘查院地环中心技术人员对瞬变电磁技术的认识，提高其应用水平，通过改变YCS512矿用本安型探水仪的测道数及频率等参数，形成一套行之有效的探测方案，为日后开展井下与地面物探工作打好基础，本次在同一位置共进行了四次探测，每次探测采用不同的参数，具体见表1~4。

表1 测线1参数

表2 测线2参数

表3 测线3参数

表4 测线4参数

4、成果资料分析说明

4.1 结果成图
YCS512矿用本安型探水仪采集的原始数据为电压对电流的对数值。软件处理主要流程为：数据上传—格式转换—数据滤波处理—计算全程或晚期视电阻率—时深转换—结果成图（视电阻率等值线拟断面图）。
将视电阻率等值线图与地层信息图相结合，图5—图8为探测结果。其中横坐标0点位置对测线起始位置，纵坐标轴为探测方向的距离；图中不同颜色表示不同的视电阻率值，从冷色调到暖色调表示视电阻率值不断升高，即从蓝色到红色表示视电阻率不断升高。

图5 测线1探测结果地层剖面图

图6 测线2探测结果地层剖面图

图7 测线3探测结果地层剖面图

图8 测线4探测结果地层剖面图

4.2 分析说明

    在本次瞬变电磁探测区域，山西省煤田地质114勘查院曾经做过地表调查，在长治大断层的西部（断层上盘）为黄土覆盖层，厚度为200m以上，具体不详，下部岩层不在探测深度范围之内，东部（断层下盘）为灰岩露头(图1地形地质图上有显示)，地表有约为20m厚的黄土覆盖层，施工时偶尔有汽车通过，整体干扰较小，说明本次探测的信噪比较高，数据较为可靠。
    通过采用YCS512矿用本安型探水仪的探测结果显示，测线1、测线2、测线4的120m—150m（测线3的140m—180m）区间出现明显低阻与高阻的差异，此探测位置恰好为断裂面所在位置，即为断层上、下盘岩性差异所导致，且黄土层对应低阻的响应，灰岩对应高阻的响应；结合4条测线的结果综合分析，得出以下结论：
    1）在本次探测结果中，采用不同测道数（即采样时窗）对探测结果的影响不大，在满足探测目的的情况下，无须采用的较多测道数，增加探测与处理数据的效率。
    2）其他参数不变的情况下，频率越低探测深度越大。
    3）图8为25HZ频率的探测结果，在断层下盘20m左右出现高阻响应，即黄土层与灰岩的界面位置，相比2.5HZ、6.25HZ在深度上有较高的分辨率，试想YCS512矿用本安型探水仪可否在工程地质勘查中发挥作用。
    4）YCS512矿用本安型探水仪在反演模型、时深转换可根据全国不同地质条件的区域建立有针对性的计算方法。
    本次采用YCS512矿用本安型探水仪与山西省煤田地质114勘查院的野外实际应用效果较为让人满意，通过对仪器测道数、频率、滤波方法、时窗模式等常见参数进行对比，大大加深了114勘查院技术人员对瞬变电磁技术的认识与应用层次，也增加了华虹公司办事处人员的野外应用经验，同时114勘查院相关领导也对仪器的改进、更新等方面提出了很好的建议，为YCS512矿用本安型探水仪更大范围的推广应用奠定了良好的基础。
作者简介：
    孙志强，男，黑龙江科技学院资源勘查工程专业，现为福州华虹智能科技股份有限公司驻晋东南办事处主任工程师。
    李松，男，安徽理工大学地球与环境学院地质工程专业，现为福州华虹智能科技股份有限公司技术支持中心副主任。