１Ｏ６ 西部探矿工程 ２０１３年第６期 煤矿边界断层导水性的瞬变电磁法勘察实例 尹金柱 ，吴有信 （安徽省煤田地质局物探测量队，安徽宿州２３４０００） 摘要：煤田导水性构造是引起煤田水害问题的主要因素之一，对煤矿边界断层的导水性勘查与评估 是煤田水文地质研究中的重要课题，也是煤矿采区布置与安全开采必须解决的重要问题。瞬变电磁 法是近年来被广泛应用于煤矿水文地质勘查的勘探技术，越来越多地应用于煤矿水害及导水构造勘 查。结合工程实例论述和研究了煤矿边界断层勘探的瞬变电磁法工作方法、数据处理与分析，同时对 边界断层的富（导）水性进行了解释。 关键词：边界断层；瞬变电磁；导水性 中图分类号：Ｐ６３１．２文献标识码：Ｂ文章编号：１００４－－５７１６（２０１３）Ｏ６一Ｏ１０６—０５ Ｉ概述 输入阶跃电流，当回线中电流突然断开时，在下半空间 在煤矿建设和开采的过程中，煤矿的安全问题变得 尤为突出，由于我国煤矿水文地质条件较为复杂，了解 就要激励起感应涡流以维持断开电流前已存在的磁场， 并且此涡流场随时间以等效涡流环的形式向下传播、向 外扩展，利用不接地线圈、接地电极或地面中心探头观 测此二次涡流磁场或电场的变化情况，可用以研究浅层 至中深层的地电结构，由于是在没有一次场背景的情形 下观测纯二次场异常，因而异常更直接、探测效果更明 矿区复杂地质构造的水文地质情况，查明采区含水层的 富水性分布、涌水通道及异常体的富水区等，为煤矿开 采采取防治措施，防患于未然，确保安全采煤，已成为大 水矿区急待解决的重要问题。 由于地层岩石孔隙水的存在，使得岩层获得更 好导电性，呈现较低的电阻率值，为瞬变电磁法勘 探提供了物性前提。理论和实践证明，瞬变电磁法 是能够查明采区地质构造富含水情况，并确定其导 水性和富水状况的重要方法。同时瞬变电磁法施 显、原始数据的保真度更高。 由于这些变化的二次场是脉冲源所感生的涡流场 在地下扩散过程中地电介质的电磁散射场，因此包含了 丰富的地电信息，通过对这些信息的提取和解释，从而 达到探测地下电性介质的目的。 由于瞬变电磁测深法是在一次场断电后测量纯二 工效率高、成本低，对低电阻岩层反应灵敏，纵向分 辨率高等特点，有很多其他物探方法所不能比拟的 优点，如近区观测、体积效应小、方向性强、分辨率 高、对低阻区敏感、施工快速等优点，近年来瞬变电 磁法已成为煤矿水害问题勘探的重要方法而得到 越来越广泛的应用。 次场，不存在一次场源的干扰，此外，由付里叶变换可 知，一个阶跃脉冲实际上是由各种高频和低频谐波叠加 而成的，产生的场是一种宽频带电磁波，因此与频域电 磁法相比，瞬变电磁法具有以下方面的优点：由于观测 纯二次场，可以进行近区观测，减少旁侧影响，增强分辨 本文通过对煤矿边界断层的面积性勘探、数据采集 与处理，在数据反演的基础上，利用电性切片技术、电性 数据体技术和解释性处理技术等，依据不同富水情况的 电性差异性，对边界断层的整体富水特征和局部富水性 进行分析和研究。 ２瞬变电磁法勘探基本原理 ２．Ｉ基本原理 能力；可用加大功率的方法增强二次场信号，提高信噪 比，从而增加勘探深度。 ２．２大回线定源装置 大回线定源装置是采区瞬变电磁法常用的一种装 置，由于一次性布置发射框，可在框内进行多个测点的 数据采集，因而效率较高。在框内一定区域内磁场垂直 分量可以近似认为是均匀的，大回线定源装置在回线中 心的Ｉ／３面积内，无需做场源校正。但现在也有在框内 瞬变电磁法是在地表敷设不接地线框或接地电极， ＊收稿日期：２０１２一ｉ０—２２修回日期：２０１２—１２一Ｏ３ 第一作者简介：尹金柱（１９８１一），男（汉族），安徽巢湖人，工程师，现从事工程与资源地球物理勘探工作。 ２０１３年第６期 西部探矿工程 １Ｏ７ 更大的区域内进行观测，通过一定的校正方法达到更高 的观测效率。 ／ ／ ｒ＝ ’ 接收线圈观测的感应磁场 ，—一 ．＼ ： —／ 一———、、——／、 ＞ —～ 图１瞬变电磁法原理示意图 ３煤矿边界断层的瞬变电磁法勘察实例 阻层。构造发育区，或者是出现层位错动，或者是裂隙 ３．１ 区域概况与电性特征 发育，局部会出现明显的含水构造，由于裂隙水体的导 济源鹤济克井某煤矿地处克井盆地东南侧，系冲、 电性良好，使得纵向和横向都打破了原有电性的固有变 洪积扇地带，地势北高南低，相对高差１６０ｍ，区内发育 化规律，并呈现出局部电性异常体的变化特征。断层的 有南北向小型冲沟，雨季地表降雨多顺冲沟流走。区域 电阻率不取决于断层本身的大小，主要取决于断层的破 上位于天台山背斜以东岩溶裂隙含水系统康平向斜的 碎程度及其含水的饱和度。一般来说，含水断层和岩层 东翼的补给、径流区。 的电阻率远小于不含水围岩的电阻率，含水断层的电阻 ＬＣ断层位于矿区北部边界外，仅在钻孔中揭露。 率比周围围岩的电阻率低，奥陶系灰岩的电阻率高于其 为一南盘下降，北盘上升的正断层，走向近东西，倾向南 上覆地层的电阻率，煤系地层的各岩层电阻率变化不明 西，倾角７０。，落差约６Ｏ～１２０ｍ。其南盘的二 煤层与 显。这也是应用瞬变电磁法评价断层和含水层赋水性 对盘的太原组、本溪组或奥陶系接触。在自然条件下， 的物性依据。同时，瞬变电磁法观测纯二次场，对含、导 该断层破碎带在垂向上的导水性可能不好，但由于南盘 水构造等低阻体反应敏感，体积效应小，分辨率高。 的二 煤层标高约一２２Ｏｍ，其煤层底板承受其下有岩溶 ３．２数据采集工作 裂隙水的水压较大；如在开采条件下，由于开采，被开采 数据采集工作使用加拿大凤凰公司生产的Ｖ８电 煤层的底板板受到扰动破坏，而断层破碎带为一软弱结 法工作站。试验工作遵循由已知到未知的物探施工原 构面，其力学强度比围岩低得多，在开采煤层对底板破 则，试验点选择在测区的地形相对较好的地段上进行， 坏因素的诱导下，岩溶裂隙水可沿断层破碎带进入矿 除确定野外工作参数外，还可为以后的资料对比解释提 井，对矿井构成较大的威胁。因此，查明断层的位置和 供依据。工作网度２０ｍ×２０ｍ，采用大定源内回线装 导含水情况，留足防水煤柱，防止岩溶裂隙水进入矿井， 置观测。ＴＸ为供电线框，ＲＸ为接收线圈。 对于矿井安全生产至关重要。瞬变电磁勘探断层的富 根据试验方案的试验结果对比分析，确定瞬变电磁 导水特性，主要是通过富含水目标体与围岩的电差异为 法生产参数为：发射极距边长：４８０ｍ×４８０ｍ；发送基 基础，通过数据的采集、处理，进行分析和判断。当这些 频：５Ｈｚ；发射增益：Ｇｘ４；发送电流：１０Ａ。 构造所在地层与构造本身含水时，由于地下水的移动及 ３．３资料的处理与分析 电离作用，电阻率呈现良导体低阻特征。分析对比电性 内业人员针对每个生产物理点进行内业二次评级， 参数，区分物性差异，可以寻找异常区可以划分含水范 并将评级结果及时反馈给野外技术人员；同时内业人员 围。 进行原始数据的整理、转换、归类，并建立相应的原始数 区内不同岩性地层的物性差异分析，变化规律为从 据库，方便资料后续反演、计算使用；如图３为线性坐标 泥岩、粉砂岩、细砂岩、中砂岩、粗砂岩、砾岩到煤层，电 下的ＴＥＭ多测道感应电压剖面，在绘制图形时，可根 阻率值逐渐增高，即煤层相对其顶、底板呈现为相对高 据不同的显示重点改变坐标轴的属性，将剖面曲线的纵 １１Ｏ 西部探矿工程 ２０１３年第６期 下盘的岩性和断层带附近的破碎、充水等情况的差异， 差异参数背景凌乱，反映了岩性的变化和不均一特征， 表明该区域的富水性变化和断层两盘的水力联系，推断 现电性差异明显的变化，与竖井及工业广场等因素有 关；测区中部原相对低阻区内电性差异很小，推测该区 域含水变化程度不大。 ３．４林场断层的富导水性成果分析 与断层破碎导水有关；测区南部靠近勘探边界附近，出 ３０００ ３２００ ３４００ ３６００ ３８００ ４０００ ４２００ ４４００ ●： ■ 一 ‘ ・ 。一 一●。，● ．一・刊 璧 ＋ ＿＿ 二一 二‘ Ｉ－ ’一 中 ● — 一－・＿ 聋 Ｉ．－ ．＿・ 一一 ． ６０一ｌ ２０ｍ ・・●● Ｉ ‘ ．一 一７ Ｆ林 ２Ｉ ● ．ｌ １ ｌ Ｉ ／ — Ｉ ● ｒ－。’ ● Ｉ Ｉ’ ：Ｉ● ●・一 －●＿＿＿Ｃ●Ｘ ．邀 ４井‘ ，——。 ——／ ．／‘ ．．一：Ｊ 图７ ＬＣ断层含（导）水性综合成果图 依据多种电性参数资料，推断的林场断层位置相对 于原矿方提供的位置南移，走向ＮＥＥ向，倾向ＳＥ，由于 电法勘探局限性，初步判断，断层断距为６Ｏ～１２０ｍ之 间，倾角７５。左右；在断层周边破碎带或导富水区域较 在探测煤矿边界断层的富导水性特征进行了尝试，地质 成果的后期验证表明该方法水文地质效果明显。 需要注意的是，对煤田导水性构造的探测具有复杂 性，影响因素较多。对煤矿采区的断层、富水区、陷落柱 零散，两盘呈相互联系或导通状态，富导水区主要分布 在断层北部，断层南部区域较少；认为这与断层南部地 区为煤系地层，北部为灰岩地层相吻合，在断层破碎带 或构造发育部位以及断层下盘灰岩地层中，地层完整性 较差，另又受到水的侵蚀、破坏，产生富导水异常区及电 以及整个煤系地层的含水性评估需用多种方法综合评 价，单一的方法具多解性。同时，由于视电阻率值变化 受多种因素影响和制约，带来低阻区不一定就是水文地 质上的富水区，故需进一步探讨视电阻率与岩性、富含 水性特征等之间的关系。 参考文献： 性不均一现象，与实际地层岩性、断层特征对应关系较 好。综合推断解释断层周边富导水异常区３２处（图７ 中填充区域）。 ４结论 ＿１］王志康．瞬变电磁与电阻率测深法在断裂勘查中的应用 ＥＪ］．山西科技，２ｏｉ１，２６（２）：８８—８９． ［２］翟培合．瞬变电磁在深测含（导）水性断层中的应用［Ｊ］．中 国煤田地质，１９９９，ｎ（３）：６２—６３． 煤矿安全越来越多地受到社会各界的重视和关注， 煤矿水害的治理和勘查成为煤矿安全工作的重点问题。 因此，对导水性构造的精细勘查有着重要的意义和市场 需求。 ３ 郁万彩．瞬变电磁法在断层含水性评价中的应用 Ｊ］．山东 地质。２００１，１７（１）：５２—６０． ［４ 朱金华．冒我冬．白锦琳．李华ＣＳＡＭＴ法在断层含水性评 价中的应用［Ｊ］．物探与化探，２０１１，３５（４）：５６９—５７２． 本文结合煤矿工作的实际情况，对瞬变电磁勘探法
