摘要：为进一步查明山西某矿3号煤层老空积水区分布情况确保煤矿安全生产。本文采用地面瞬变电磁法对划定区域进行勘探工作，共采集59条测线的瞬变电磁数据，经数据处理并结合已有地质资料，基本查明了勘探区3号煤层采空区的积水分布情况，共划分出4处积水异常区，编号JS1～JS4，积水区面积共250595.78㎡。其中：JS1积水异常区面积17388.72㎡，可靠程度较高；JS2积水异常区面积15147.78㎡，可靠程度中等；JS3积水异常区面积30252.59㎡，可靠程度较高；JS4积水异常区面积187806.69㎡，可靠程度高。本次探测工作验证了地面瞬变电磁法在煤矿采空积水区勘查中的有效性，能够为工作面合理布置和采空积水区治理等提供可靠的地质信息。
关键词：地面瞬变电磁法；煤矿；采空积水区；3号煤层
引言
上世纪30年代前苏联科学家最早提出瞬变电磁法，采用远区工作模式；1933年美国科学家L.W.Blau最先提出利用电流脉冲激发供电偶极形成时域电磁场,利用不同电导率地层界面电磁波的反射与地震反射波信号的相似性，进行了大量的实验和比较；上世纪50-60年代，前苏联科学家成功完成了瞬变电磁法的一维正、反演，建立了瞬变电磁法的解释理论和野外工作方法；在此之后，瞬变电磁法开始进入实用阶段。
上世纪60年代以后，当意识到时间域电磁测深法可以利用远小于期望探测深度的收发距时，该方法有了一个快速发展。随后，“短偏移”、“晚期”、“近区”等技术研究迅速发展起来。美国等西方国家在上世纪70-80年代之间，对短偏移法进行了大量的研究和试验阶段，未被广泛运用，而长偏移法已得到了应用，特别是在地热调查和地壳结构的调查中。随后一些专家对瞬变电磁法的一维正反演及方法技术进行了大量研究。
我国于70年代初开始研究瞬变电磁法,主要采用近区方式的中心回线法和重迭回线法进行工作，取得了一批有价值的研究成果及大量成功的实际应用实例，代表作有朴化荣的《电磁测深法原理》，牛之链的《脉冲瞬变电磁法原理》及方文藻的《瞬变电磁测深法原理》。在近几年的瞬变电磁法应用实践中，还出现了蒋邦远编著的《实用近区磁源瞬变电磁法勘探》，李貅的《瞬变电磁测深的理论与应用》[1-7]，瞬变电磁法在地质、物探领域内逐渐得到广泛利用[6-11]。
1 勘探区地质概况及地球物理特征
勘探区多为第四系中、上更新统松散层覆盖，地层由老至新分别为奥陶系中统峰峰组(O2f)、石炭系中统本溪组(C2b)、石炭系上统太原组(C3t)、二叠系下统山西组(P1s)和石盒子组(P1x)、二叠系上统上石盒子组(P2s)、第四系中上更新统(Q2+3)。其中，太原组为海陆交互相含煤地层，含可采煤层1-2层(11、15号)，山西组为陆相含煤地层，含可采煤层1层(3号)。3、15号煤层为主要稳定可采煤层，11号煤层为局部可采煤层，其余煤层均为不可采煤层。
据矿方提供资料，勘探区内存在一条背斜，轴向北东向，两翼地层产状基本对称，两翼倾角4°左右，在井田内延伸长度为1050m。暂未发现断层、陷落柱等构造发育，但不排除有未探明断层等构造存在的可能(图1-1)。
图1-1 勘探区地质构造纲要图 根据含水层岩性、储水空间和水力性质，勘探区内含水层由新到老可分为第四系松散堆积物孔隙潜水含水层、二叠系碎屑岩类裂隙含水层、石炭系太原组(C3t)砂岩夹薄层石灰岩岩溶裂隙含水层和奥陶系中统(O2)石灰岩岩溶裂隙含水层。其中，第四系松散层堆积物孔隙潜水含水层在雨季时会影响到3号煤层，其存在地面流水沿导水裂隙和岩移裂缝渗入矿井、造成水害的可能；石炭系石灰岩裂隙含水层组和二叠系碎屑岩裂隙含水层组受厚度不等的泥岩阻隔，各含水层间水力联系微弱，主要以相互平行的层间径流为主。太原组中、上部K2、K3、K4、K5等石灰岩裂隙含水层富水性相对较好。据钻探资料，以上石灰岩裂隙较发育，充填物较少，钻探揭露时多发生漏水或冲洗液消耗量大、孔内水位下降等现象，富水性一般较弱，但局部富水性强，开采11号、15号煤层时不排除局部出现一定规模矿井涌水的可能；区内奥灰水位标高为617.5m～629m，而3号煤层和K2灰岩底板最低标高分别为760m、677m，底板标高均高于奥灰水水位标高，目的层均不带压。
勘探区内隔水层主要为二叠系砂岩含水层层间隔水层和太原组底部及本溪组泥岩、铝土质泥岩隔水层。
据矿方资料，目前勘探区内3号煤层共存在采空积水区5处，积水面积共101731㎡，积水总量164109m³(图1-2)，但未受到相邻矿井老空积水区影响。
图1-2 勘探区内3号煤层已知采空积水区分布图 2 探测原理
瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Method，简称TEM)是利用不接地回线或电极向地下发送脉冲式一次电磁场，用线圈或接地电极观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场的空间和时间分布，来解决有关地质问题的时间域电磁法。本文以均匀大地的瞬变电磁响应为例，来讨论回线形式磁偶源激发的瞬变电磁场，从而阐述瞬变电磁法测深的基本理论。
在导电率为σ、导磁率为μ的均匀各向同性大地表面敷设面积为S的矩形发射回线在回线中供以阶跃脉冲电流。
 (式2-1) 图2-1 矩形框磁力线 在t=0时刻，将电流突然断开，由该电流产生的磁场也立即消失。一次磁场的剧烈变化通过空气和地下导电介质传至回线周围的大地中，并在大地中激发出感应电流以维持发射电流断开之前存在的磁场。由于介质的欧姆损耗，这一感应电流将迅速衰减，由它产生的磁场也随之迅速衰减，这种迅速衰减的磁场又在其周围的地下介质中感应出新的强度更弱的涡流，直至大地的欧姆损耗将磁场能量消耗完毕为止。
综上所述，早期瞬变电磁场是由近地表的感应电流产生的，反映浅部电性分布；晚期瞬变电磁场主要是由深部的感应电流产生的，反映深部电性分布。
3 设备简介
高质量的仪器是地质任务完成的基本保障，结合本次瞬变电磁法勘探的地质任务，工作中使用加拿大凤凰公司生产的V8电法工作站。主机(V8-Reciever)可以对辅助接收机和发射控制器进行操作；利用GPS卫星时间达到时钟同步，选择不同的滤波参数以达到抗干扰的功能(图3-1)。
图3-1 加拿大V8多功能电法仪 4 数据采集与处理
4.1 工作布置
依据勘探目的，瞬变电磁施工网度按照20m×10m，即线距为20m，点距为10m进行布置。勘探区地层走向北东向，因此，测线、测点以“由南向北、由东向西”的顺序统一布置，共计布置测线59条，生产物理点7330个。测点号从东到西由小到大编设，测线号从南到北由小到大编设(图4-1)。
图4-1 瞬变电磁法工程布置图 4.2 工作装置
本次瞬变电磁勘探采用定源回线内测装置进行施工，线框边长选择420m，在其中心约1/9面积利用探头接收感应二次场。在物理点测量完毕后，420m×420m的正方形回线沿测线平移150m进行下一个发射线框测量(图4-2)。
图4-2 瞬变电磁定源回线装置观测装置示意图(420m×420m) 4.3 数据处理
数据处理之前先要对原始数据进行逐点检查，验证其有效性并统计误差，之后进行滤波处理，后把野外观测到的dB/dt值按远区的晚期计算公式、视深度的计算公式经过反演转换为ρτ(t)和Hτ(t)等参数(图4-3)。
在此基础上绘制出各测线多测道电压曲线图、各测线视电阻率拟断面图和3号煤层、K5灰岩含水层、K2灰岩含水层顺层视电阻率等值线平面图。
图4-3 瞬变电磁数据处理流程
5 结果分析
5.1 典型测线的分析
本文以TEM-26、TEM-31、TEM-43为典型测线，分别对其多测道电压曲线图和视电阻率拟断面图进行分析。
(1)TEM-26
在多测道电压曲线图上(图5-1-1)，中、晚期测道曲线在23～40#、102～113#、125～141#测点处出现高电压值异常，异常幅度较大，其它地方中、晚期测道曲线变化相对较小，无明显的高值异常，同样，在视电阻率拟断面图上(图5-1-2)，3号煤层底板等高线处，220～390m、1000～1120m、1270～1410m处等值线的阻值在横向上相对较低，与多测道电压曲线图的高电压异常基本相符，结合调查的地质资料综合分析认为：23～40#、102～113#、125～141#测点处的高电压、低电阻率异常为采空区积水的反映。
(2)TEM-31
在多测道电压曲线图上(图5-1-3)，中、晚期测道曲线在27～42#测点处出现高电压值异常，异常幅度较大，其它地方中、晚期测道曲线变化相对较小，无明显的高值异常，同样，在视电阻率拟断面图上(图5-1-4)，3号煤层底板等高线处，280～430m处等值线的阻值在横向上相对较低，与多测道电压曲线图的高电压异常基本相符，结合调查的地质资料综合分析认为：27～42#测点处的高电压、低电阻率异常为采空区积水的反映。
(3)TEM-43
在多测道电压曲线图上(图5-1-5)，中、晚期测道曲线在1～67#测点处出现高电压值异常，异常幅度较大，其它地方中、晚期测道曲线变化相对较小，无明显的高值异常，同样，在视电阻率拟断面图上(图5-1-6)，3号煤层底板等高线处，0～650m处等值线的阻值在横向上相对较低，与多测道电压曲线图的高电压异常基本相符，结合调查的地质资料综合分析认为：1～67#测点处的高电压、低电阻率异常为采空区积水反映。
 图5-1-1 TEM-26多测道电压曲线图  图5-1-2 TEM-26视电阻率拟断面图  图5-1-3 TEM-31多测道电压曲线图  图5-1-4 TEM-31视电阻率拟断面图  图5-1-5 TEM-43多测道电压曲线图  图5-1-6 TEM-43视电阻率拟断面图
视电阻率平面图是通过某一深度视电阻率值的变化规律来反映全勘查区地质变化规律。通过对上述平面图的分析，可确定勘探区的采空区积水情况与含水层富水情况。
图5-2-1为3号煤层顺层视电阻率平面图，图中蓝绿色冷色调区域为相对低阻区，红黄色暖色调区域为相对高阻区，从图上可以看出，等值线数值整体上差异较大，变化范围在40-105Ω•m之间，在图中出现4处相对低阻异常区，阻值在60Ω•m以下。
据矿方已知资料，勘探区3号煤层存在小窑采空区，且3号煤层4处相对低阻异常区位于采空区范围，结合矿方探放水信息，分析认为3号煤层的4处相对低阻异常区均为采空区积水的响应。
 图5-2-1 3号煤层顺层视电阻率平面图
通过对瞬变电磁法资料进行综合分析解释，并结合勘查区地质情况，在勘探区3号煤层划分了4处采空积水区，K5、K2灰岩未全划分富水区，并根据积水效应的强弱按可靠程度高、较高、中等、一般四个等级对解释结果进行了评价：
(1)JS1积水区：位于TEM-22至TEM-33#测线的23-43#测点，范围较小，瞬变电磁多测道剖面曲线和图上反映明显，表现为电压值较高，异常幅度较大，视电阻率平面图上反映明显，结合已知地质资料与勘探成果，综合分析认为，该区为采空积水区，可靠程度较高。
(2)JS2积水区：位于TEM-24至TEM-30测线的98-114#测点，范围较小，瞬变电磁多测道剖面曲线图上反映明显，表现为电压值较高，异常幅度较大，视电阻率平面图上反映明显，结合已知地质资料与勘探成果，综合分析认为，该区为采空积水区。由于该区域位于高压线影响区域，探测成果受到高压线影响，可靠程度中等。
(3)JS3积水区：位于TEM-22至TEM-29测线的125-142#测点，范围较小，瞬变电磁多测道剖面曲线图上反映明显，表现为电压值较高，异常幅度较大，视电阻率平面图上反映明显，结合已知地质资料与勘探成果，综合分析认为，该区为采空积水区，可靠程度较高。
(4)JS4积水区：位于TEM-36至TEM-56测线的2-67#测点，范围较大，瞬变电磁多测道剖面曲线图上反映明显，表现为电压值较高，异常幅度较大，视电阻率平面图上反映明显，结合已知地质资料与勘探成果，综合分析认为，该区为采空积水区。由于该区域位于高压线影响区域，探测成果受到高压线影响，可靠程度较高。
6 结论
本次采用瞬变电磁法勘探基本查明了勘探区3号煤层采空区的积水分布情况与K2、K5灰岩富水情况，具体如下：
(1)基本查明勘探区内3号煤层老空积水区分布情况，3号煤层共划分4处积水异常区，编号JS1～JS4，积水区面积共250595.78㎡。其中：JS1积水异常区面积17388.72㎡，可靠程度较高；JS2积水异常区面积15147.78㎡，可靠程度中等；JS3积水异常区面积30252.59㎡，可靠程度较高；JS4积水异常区区面积187806.69㎡，可靠程度高；
本次探测工作验证了地面瞬变电磁法在煤矿采空积水区勘查中的有效性，能够为工作面合理布置和采空积水区治理等提供可靠的地质信息。
参考文献
[1]朴化荣,电磁测深法原理.1990:电磁测深法原理.
[2]何继善,电法勘探的发展和展望.地球物理学报,1997.40(S1):第308-316页.
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