瞬变电磁法在煤矿富水区探测中的应用

杜文龙

（山东省煤田地质局第三勘探队，山东 泰安 271000）

探测区位于毛乌素沙漠与黄土高原接壤地带，沟壑纵横，基岩裂隙发育[1]。3#煤上部直罗组砂岩含水层、延安组砂岩含水层可通过基岩裂隙与地表水、裂隙水相连通，形成富水区，对底部煤层开采产生安全隐患。采用瞬变电磁法探测确定了富水区的空间分布，为防治水工作提供了技术保障。

1.1 概况

朱家峁煤矿位于陕西省横山区东北方约20 km处，行政区划隶属横山县波罗镇、殿市镇所辖，交通条件便利。矿井设计生产能力150 万t/a，采用斜井单水平开拓方式，开采侏罗系延安组3#煤层。

1.2 地质概况

探测区地表第四系松散沉积物覆盖广泛，仅在较大沟谷有局部基岩出露，地层由老至新依次为：三叠系上统瓦窑堡组（T3w）、侏罗系下统富县组（J1f）、侏罗系中统延安组（J2y）、侏罗系中统直罗组（J2z）及第四系（Q）[1-2]。井田地质构造简单，为向西缓倾的单斜构造，倾向277°，倾角0.6°左右，无岩浆活动痕迹。

1.3 地球物理特征

区内地形起伏较大，地势东高西低，沟壑纵横，陡坎较多，造成浅层电性不均匀。受新生代的风化作用，岩层中若存在充水裂隙等，会使该煤层与周围岩层产生较明显的电性差异，含水层富水时，在横向上，其视电阻率值明显低于围岩。不同区域的电性特征，是寻找含水层及其富水性的基础。

根据本区地质条件和邻区工作经验，采用大定源瞬变电磁法，网度40 m×20 m，边框360 m×360 m，频率25 Hz，电流12 A，积分时间15 s。

瞬变电磁法观测数据是各测点各个时窗（测 道）的瞬变感应电压，需换算成视电阻率、视深度等参数，才能对资料进行下一步解释[4]。对观测数据中明显不合理的观察值给予剔除，对测区高压线、道路车辆、村庄等的干扰，结合原始记录进行平滑滤波处理，确保采集的原始资料符合地质规律[5]。修正处理的窗口范围，反复进行处理和再次解释。本次瞬变电磁法采用白登海教授研发的软件BETEM对数据进行处理，通过一维建模、二维反演，再利用voxler 软件进行三维成像[3]，可直观地了解探测区电性空间分布特征。

3.1 一维建模

对整理后数据进行一维建模。由钻孔资料及观测曲线可知（图1），探测有效范围为34～520 m，从上到下分多个电性层。由于关断时间影响，浅部地层信息会被屏蔽掉，因此34 m 以浅高阻区为盲区反映，34～42 m 相对高阻为第四系电性反映，42～56 m 相对低阻为基岩接触带，该位置裂隙较发育，相对富水，56～110 m 电阻率相对较高，为直罗组砂岩引起的电性反映，110 m 以下为延安组砂岩、泥岩、煤层等引起的电性反映。

图1 一维建模及钻孔柱状图

3.2 二维断面反演

根据一维曲线所建立的地质模型，进行二维反演，得到各测线瞬变电磁视电阻率断面图。

断面上视电阻率分布如图2，横向为测点号，纵向为高程，视电阻率值高低变化由灰度值的变化表示。该断面纵向上整体随深度增加视电阻率降低，在横向上视电阻率基本呈水平层状，符合煤系地层的沉积规律和电性特征。

图2 视电阻率等值线断面图

标高1000～1115 m，视电阻率在55～75 Ω·m 之间，呈现横向展布的层状相对低阻异常，推断该处为第四系与直罗组接触带位置，由于地层接触带弱富水引起的异常反映。标高935～970 m 位置，电阻率在35～45 Ω·m 之间，为煤系地层的电性反映，视电阻率等值线变化平稳。点号1300～1620 m 区域，标高940～950 m，视电阻率等值线扭曲，呈现相对低阻反映，3 煤之上覆盖层较薄，沟谷内有基岩出露，易于大气降水及地表水的渗透和汇集，故分析此异常为砂岩相对富水所致。点号1400～1420 m 区域，视电阻率扭曲，呈现高低阻突变，地表测量记录该区域有燃气管道经过，推测该区域为燃气管道影响区域。

3.3 三维成像解释

采用voxler 软件，对反演后各剖面的数据体进行处理，通过散点数据体显示、三维数据体成像、切片成像、截面剥离等多种方式，通过不同角度对数据体进行解译，可以直观地观察各电性层的空间展布情况。

由图3、图4 可知，测区电阻率整体呈水平层状展布，浅部电阻率分布不均，是由于地表起伏较大，随着深度增加，电阻率先增加后减小。

图3 测区视电阻率散点图

图4 测区视电阻率顺层切片叠合图

标高约1030～1100 m，存在一高阻中相对低阻层，该层为侏罗系碎屑岩类风化带裂隙含水层；
标高约900～1070 m，该层位电阻率相对平稳，根据电性特征及钻孔资料，该层位为3 煤上部延安组碎屑岩类裂隙承压水含水层。

两含水层位东北部、东南部及西南部存在三个低阻异常区，平面位置基本重合，推测以上三处低阻异常，横向上延伸范围较小，纵向上存在潜在导水通道。

通过瞬变电磁法勘探，对探测区内的地层、含水层及其富水性进行了解译。探测结果表明：区内地层较平缓，东北部、东南部、西南部存在三处相对富水区，富水性弱。根据钻孔、地质资料，地层划分与钻孔揭露基本一致，解译富水区位置位于测区东北部巷道淋水区域。根据实际测算，淋水点淋水量0.5 m³/h，说明本次探测效果较为准确，为防治水奠定了基础。

（1）瞬变电磁法探测，通过一维建模、二维反演、三维成像，可较直观地反映不同电性层的空间分布规律及相互联系，可通过多角度分析，增加成果解译的可靠性，提高了效率。本次划分地层、富水区范围，与已知地质资料相吻合，验证了探测结果解译的可靠性。

（2）三维显示是对二维显示成果的延扩，其精确度是建立在大量可靠有效的探测数据的基础上[4-5]，因此须严格把控数据治理，对数据进行反复分析，剔除干扰因素。