瞬变电磁测深技术在构造含水体探测中的应用.pdf

文章编号 1 0 0 6 4 8 7 7 2 0 0 7 0 9 0 0 7 9 0 3 黧 粤 圜团圆 矗 嚣 熬 誊 芎 薹 嚣 瓣 ■ 誓 ■ ● ■ ■ ■ ■ ■ ■ 一 瞬变 电磁测深技术 在构造含水体探测中的应用 渠继 明 ， 周德存 z 1 ， 水利部 山西水利水电勘测设计研 究院，山西太原0 3 0 0 2 4 ；2 ． 广西壮族 自治区交通规划勘察设计研究院， 广西南宁5 3 0 0 1 1 摘要 构造 含水体的超前探 测是确保煤矿安 全开采 的主要 因素之一。介绍了瞬变电磁法的基本原理及其方法，探讨 了 瞬变电磁测深技术在构造含水体探 测 中的应 用实践 ．通过 对 瞬变电磁 法探测含水体能力进 行理论研 究 。得 出用瞬变电磁 法探测含水体的可行性结论。 关键词 瞬变电磁法 ； 含水体 ； 超前探测 中图分类号 T D 7 4 5 文献标志码 A 水害是煤矿建设与生产过程 中的主要 灾害之 一 ，水源 、水量、导水通道是煤矿水害产生的三大 因素。依据矿床体的相互位置关系及其充水特点 ， 矿坑充水水源可分为间接式充水水源 、直接式充水 水源和 自身充水水源。直接充水水源是指含水层与 开采煤层直接接触 ，或煤矿生产与建设工程直接揭 露含水层 而导致含水层水进入矿井 的充水含水层 。 常见的直接充水水源含水层有煤层体直接顶板含水 层 、直接底板含水层及露天矿井剥离第 四纪含水 层 。间接充水水源是指充水含水层主要分布于开采 煤层 的周 围，但和煤层并未直接接触 的充水水源 ， 常见的问接充水水源含水层有间接顶板含水层、间 接底板含水层、间接侧邦含水层或它们之间的某种 组合。自 身充水水源是指煤层本身含水层。一旦对 煤层进行开发 ，赋存于其中的地下水或通过某种形 式补给煤层的水就会涌水矿坑形成充水。因此 ，构 造含水体的超前探测是确保煤矿安全开采的主要因 素之一。本文就瞬变电磁测深技术在构造含水体探 测中的应用实践进行探讨 。 1 瞬变电磁法基本原理与实施方法 1 ． 1 基本原理 瞬变电磁法是利用不接地 回线或接地线源向地 下发送一次电磁场，在一次脉冲场间歇期 间，使用 不接地线 圈或接地 电极观测二次涡流场的方法。其 收稿 日期 2 0 0 7 0 7 1 9 ； 修 回日期 2 0 0 7 0 7 2 9 作者简介 渠继明 1 9 6 9 一 ， 男， 山西祁县人。1 9 9 3年 7月毕 业于长春地质学院， 助理工程师。 7 9 物理基础为电磁感应原理，即导电介质在阶跃变化 的激励磁场的激发下产生涡流场的问题。 一 次脉冲信号。二次场信号表示为 5 ’ ， 20 耵、 ／ 号 ．￡ 号 式 中 为磁导率 ；M 为发送线圈磁矩 ；q为接收 线圈等效面积；J 9 为地层 电阻率；t 为时间 。 从上式中可以看出，二次场信号与J9 ，t 成 反比，当探测地下良导电地质体时。在往地面敷设 的发送 回线 中通 以一定的脉冲电流 。使 回线 中问及 周 围一定区域内便会产生稳定的磁场 称一次场或 激励场 ，如果一次 电流突然中断 ，则一次磁场随 之消失 ，使处于该激励场 中的良导电地质体内部 由 于 磁通量 的变 化而产 生 感应 电动 势 ￡ 一 d q b ／ d t 据法拉第电磁感应定律 ，感应电动势在 良导 电地 质体中产生二次涡流 ，二次涡流又由于焦耳热消耗 而不断衰减 ，其二次磁场也随之衰减 见图 1 。由 于感应二次场的衰变规律与地下地质体的导电性有 关 ，导 电性越好 ，二次场衰减越慢 ；导电性越差 ， 二次场衰减越快。因此 ，通过研究二次场的衰减规 律便可达到探测地下地质异常体的目的。 | ／ ＼ _ ／ ／ 、 ， ， ／ ／ ／ -射 框 ／ ／ ＼ 、 ／ j ／ ／ ／ ／ ，地质异 常体 毳 ／ ＼ 、 ， 图 1 T E M法工作原理 示意 图 1 ． 2 地球物理前提 从不 同岩性地层 的物性差异分析 。一般变化规 律为从 泥岩 、粉砂岩 、细砂岩 、中砂岩 、粗砂岩 、 维普资讯 ～曼 曼 曼 、 ， 娶曼 一 菅鑫 ； 嚣 熊 翥露 襄露 瓣 砾岩到煤层 ，电阻率值逐 渐增 高 ，即煤层相对其 顶 、底板呈现为相对高阻层。 构造发育区，或者是 出现层位错动 ，或者是裂 隙发育 ，局部会出现明显的含水构造 ，由于矿井裂 隙水体的导电性 良好 ，使得纵向和横向都打破了原 有 电性的固有变化规律 ，并呈现出局部 电性异常体 的变化特征 。上述物性变化的存在为 电性差异瞬变 电磁勘探方法的实施提供了良好的地球物理前提条 件。另外，瞬变电磁法观测纯二次场 ，对含 、导水 构造等低阻体反应敏感 ，体积效应小 ，分辨率高。 1 ． 3 数据采集及处理 数据采集使用湖南长沙智通电磁仪器开发公司 生产的 s 1 G型瞬变电磁仪 ，由 s D 一 1 G型瞬变 电磁仪野外观测的是垂直磁场的归一化感应电动势 A V t ／ I ，其单位 为 I x V ／ A；记 录的参数是时 间、 工作 区号 、线 点号 、归一化感 应二次场 、装置参 数 、电流及转换的磁感应强度值。把 1 d连续观测 的各点数据存储在仪器 内置 固体存储器 R A M 中， 再把测量数据通过 R S 2 3 2接口传输到计算机 中，然 后在计算机上通过专 用软件 进行资料的处理和分 析。 在对资料进行分析时，首先对资料逐点进行预 处理 ，即检查数据质 量 ，剔除离差大 的不合格数 据 ，划分出低于最小可分辨电平的边界值 ，再对数 据进行滤波 ，以滤除或压制干扰信号 ，恢复信号的 变化规律，找出信号总体趋向性，然后根据探测任 务，利用专用程序转换得到P 视电阻率 ，S 视 纵 向电导 ，h 视深度等参数，根据这些参数绘 制出断面等值线图和平面等值线 图，这些图件 即成 为资料定性与定量解释的基础材料。 水平切面图可 以显示同一深度水平方 向上的富 水区位置及分布范围。正常情况下 ，若层位稳定 ， 不受富水区域和含导水构造的控制 ，则其 电性变化 平稳 ，视电阻率值将不会有明显的异常 ，反映在图 上 ，视电阻率等值线分布均匀 ，平缓 ；反之 ，若地 层存在富水 区域和含 、导水构造 ，电性均匀分布规 律被打破 ，就会 出现视 电阻率值减小 ，等值线 扭 曲、变形圈闭或密集条带状等特点的异常区 ，在彩 色切面图上呈现出较深颜色 ，比较直观。 垂直断面图可以显示沿测线方向不同深度上富 水区的赋存状态及连通关系 正常情况下 ，电性变 化有一定的规律性 ，等值线呈似层状分布，变化平 缓 相反 ，当地层中存在富水区域及含导水构造 时，等值线会发生畸变，出现扭 曲、变形或呈密集 8 0 条带状 等特 征 ，在彩色断面 图上 ，反映为较深颜 色 ，可直观地确定出富水区域的赋存深度及位置。 2 应 用 实例 山东某煤矿是一座现代化特大型矿井 ，一采区 位于井 田的南翼 ，开采煤层 系二叠系山西组第 3 3 下 层煤 ，埋藏深度为 3 8 0 ～ 6 4 5 m，其顶 、底板岩性 一 般为中砂岩 、细砂岩或粉细砂岩互层 ，是矿井主 要 的直接充水含水层 煤 系地层上部 的侏罗系砂岩 底界距 3 煤顶板距离为 4 0 ～ 1 1 0 m，也是矿井主要 的直接充水含水层。侏 罗系砂岩 和 3 煤顶 、底板 砂岩含水层均为孔隙 、裂隙承压含水层 ，富水不均 一 。如果岩层局部裂隙构造发育或含水构造处在导 水裂隙发育高度范围内 ，往往对工作面大量充水 ， 对安全开采构成威胁 ，甚至造成水害事故。由于该 采区水文地质条件勘探程度不够，各含水层的富水 规律与相互关系及对矿井生产的影响程度等资料掌 握不充分 。为对该采区矿井 防治水工程的实施提供 科学依据 ，确保矿井生产安全 ，因此应用瞬变电磁 法对该采区的水文地质条件进行了物探勘探工作。 根据此次瞬变电磁法探测结果 ，该矿一采区局 部富水区主要分布在测区东北部的异常群 1 和西部 的异常群 2 ，见图 2 、图 3 。异常群 1 无论从广度还 图 2 山东某煤矿一采区3号煤顶 板以上 8 Om含水性分析图 图 3 山东某煤矿一采区3号煤底 板以下 2 0m含水性分析图 维普资讯 是深度都 比异常群 2大的多 ，而且异常群 l又基本 上都位于两个褶 曲的轴部及其两翼 ，因此 ，一采区 局部 富水 区与构造 、岩层 裂隙发育有较密切 的关 系。异常群 l 、异常群 2是一采 区在 回采过程 中的 防范重点区域。异常群 3范围很小 ，但在回采 中也 应予重视 。从 图 2 、图 3中可以看 出 ，异常群 l 、 异常群 2 、异常群 3在不 同深度上总体形态基本一 致 ，可见 ，3个富水异常区均具有较好 的垂直导通 关系。 3 质量评述 野外观测时 ，施工方法严格按照瞬变 电磁法 的 要求进行 。对每条测线的观测点均按一定 比例进行 了重复检测 ，质量检查点共 7 1 个 ，占实 际坐标点 数的 l 1 ． 8 ％，符合规范中重复检查工作量不少于 5 ％的要求。 资料质量以总的平均均方误差来衡量，其计算 公式为 ＼ ／ 茎 [ ] ／ 2 m 0 ％ ， 登 蟹蔓 登 ⋯ ～ 鲢 叁 ～ 鸯 | 躲 毳辩 黪 | 一芎蠹繇 争 蓬 胜 1y／ 菩 [ ] ／ 2 m ⋯ ％ ， 式中 t ， ，’ t 分别表示第 点第 i 道的原 始观测和检查观测值 ，m为检查点数，n 为参加计 算的道数，M t 为第 道平均均方相对误差， 为总的平均均方相对误差。 按 2 5个检查点 ，l ～ 3 0道进行计算 ，检测总的 平均均方相对误差为 8 ．6 3 ％，符合技术规范中不超 过 l 5 ％的要求 ，可见 ，野外 观测数据准 确可靠 ， 质量较高。 4 结束语 在煤矿建设与生产中，瞬变电磁法是探测含水 体的一种有效 的方法 ，也是 目前水文地质勘查中最 有效的地面物探手段之一 。但是 ，物探工作一般应 遵循从已知到未知 的工作方式 ，在测区没有已知条 件做试验进行对 比的情况下 ，对异常的划分依据具 有数学统计意义 ，表述地层含水性的相对强弱。 责任 编辑赵娟 Ap p l y i n g Tr a n s i e n t El e c t r o ma g n e t i c T e c h n o l o g y t o t h e Co n s t r u c t i n g W a t e r Qu J i mi n g ， Z h o u D e c u n Ab s t r a c t Th e d e t e c t i o n o f a q u i f e r s t r u c t r e e n s u r e d t h e e x p l o i t a t i o n o f c o a l mi n e s a f e t y ． T h e p r i n c i p l e a n d me t h o d o f t r a n s i e n t e l e c tr o ma g n e t i s m T E M w e r e i n tr o d u c e d ， t h e p r a c t i c e o f i t s w a s e x p l o r e d i n c o n s t r u c t i n g w a t e r ，t h e f e a s i b i l i ty c o n c l u s i o n s o f i t s we r e f o u n d b y u s ing t h e the o r e t i c a l s t u d y Ke y wo r d s T EM a q u i f e r ；a d v an c e d d e t e c t i o n 上 接 第 7 8页 时，应考虑各种油品主要性能，特别要关注油品的 的油料，使一种油品适合多种机械 ， 使油品便于购 低凝 I生、黏温 I生，从而提高机械设备的使用率和完 买 、贮存 ，使油料管理简单化 ，从而提高工程机械 好度，保证各种环境下的施工任务顺利完成 。 工作效率 ，延长机械 的使用寿命 。 对于机械生产厂家所推荐 的几种 品牌油 和级 责任编辑张 璇 别，视具体情况综合选择。尽可能地使用同一厂牌 Cho i c e f o r Eng i n e e r i ng Equ i pme n t a n d Oi l i n Spe c i a l Env i r o n m e n t a l Co ns t r uc t i o n Ch e n g Yo ng hu Ab s t r a c t I n t h e h i g h wa y c o n s t r u c t i o n ， b e c a u s e o f we a the r an d c o n s t r u c t i o n c o n d i t i o n s ， t h e s tar t d i ffi c u l t i e s a n d p o we r s h o r t a g e o f e q u i p me n t we r e a p p e a r e d ， i t s c a u s e s h a d g r e a t r e l a t i o n s wi th the s e l e c t i o n o f me c h a n i c a l e q u i p me n t a n d t h e u s e o f o i l ． Ho w t o c h o o s e t h e t y p e o f ma c h i n e a n d o i l we r e a ma j o r p r o b l e m o f t h e c o n s t r u c t i o n t e a ms a n d e q u i p me n t a s s e t ma na g e me n t ． Ke y wo r d s me c h a n i c a l e q u i p me n t ；o i l ；s p e c i a l e n v i r o n me n t ；c l i ma t e 8l 维普资讯