瞬变电磁法在长榆河煤业8号煤层富水性勘查的应用研究_李志锋.pdf

瞬变电磁法在长榆河煤业 8 号煤层富水性勘查的应用研究 李 志 锋 （山西潞阳煤炭投资经营管理有限公司 ，山西 寿阳045400 ） 摘要 为了给采掘工作提供详细的地质资料与煤层富水区分布情况，山西寿阳潞阳长榆河煤业有 限公司定采用加拿大产 PROTEM67D 瞬变电磁勘探系统， 对需勘查地区进行勘查工作。在瞬变电磁 法勘探工作中, 运用高分辨反射系数法处理瞬变电磁勘探的资料, 利用反射系数法参数进行资料处理 和解释 , 提高瞬变电磁勘探的纵向分辨率, 还可以一定程度上消除由于地形的变化对实测数据的影 响。勘查数据推断出了区内 8 号煤层顶板及采空区富水区域位置、 范围和形态, 并对采空区含水性进 行了评价， 为煤矿安全生产提供可靠的水文物探资料。 关键词 富水区 ； 瞬变电磁法 ； 采空区 中图分类号 TD745文献标志码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 01- 0077- 03 Application Research of Transient Electromagnetic in Water-rich Exploration of No. 8 Coal Seam in Changyuhe Coal Industry LI Zhifeng （Shanxi FuyangCoal Investment Management Co., Ltd., Shouyang 045400 , China ） Abstract In order to provide detailed Geological data and distribution of water- rich coal seam areas, Shanxi Shouyang Luyang Changyuhe Coal IndustryCo. Ltd. has adopted the Canadian PROTEM67Dtransient electromagnetic exploration systemtocarryout exploration ofthe ar- eas to be surveyed. In the exploration work of the transient electromagnetic , the data of the transient electromagnetic exploration are processed by the of high resolution reflection coefficient, and the data processing and interpretation are used by the parameters of the reflection coefficient to improve the longitudinal resolution of the transient electromagnetic exploration. It is also possible to eliminate the influence on the measured data due to changes in terrain. The survey data deduced the location, scope and morphology of the water- rich area of coal seam roof No. 8 and the goaf area in the area, and uated the water content of the goaf area to provide reliable data for the safe production ofcoal mines. Key words Water rich areas ; Transient electromagnetic ; goaf 1工程概况 为了探查山西寿阳潞阳长榆河煤业有限公司主 要含水层富水区的分布范围和勘查区内断层的含、 导 水性以及老窑采空积水区和地质构造的导水性， 为采 掘工作提供地质资料， 拟采用瞬变电磁法在地面进行 地下水勘查工作。该井田位于寿阳县城北东约 10 方向、 直线距离 15km 处， 寿阳－盂县公路在井田北 部经过， 距太旧高速公路约 17km。 井田位于太行山北 端与晋中盆地之间的低山丘陵区， 地表部份被黄土覆 盖， 地形较为平缓， 土梁与冲沟发育。地形总体东高、 西低， 最高点位于矿区东南角， 标高为 1454m， 最低点 位于西北部沟谷中， 为 1210m， 最大相对高差 244m。 井田形态为一近东西向的刀把形（见图 1 ） ，东西长 10000m， 南北宽 550- 2150m， 面积 6.5624km2。井田主 采 8 号煤，位于太原组顶部，上距 6 号煤层底板 6.70～29.40m，平均 15.86m。上距 K7 砂岩底 0－ 3.83m，平均 1.94m。煤层厚度 1.00～2.60m，平均 1.80m。结构简单， 一般不含夹石。顶、 底板为砂质泥 岩、 泥岩、 粗砂岩。该煤层在井田西北部被剥蚀， 属稳 定大部可采煤层。煤层底板标高 1270～1110m。 图 1勘查区范围地形图 2施工准备 2.1施工方法选择与原理 根据此次地质情况与实际要求， 经决定采用瞬 变电磁法方法。瞬变电磁法[1], 简称 TEM,是一种时 间域电磁感应法， 其工作原理主要是通过不接地回 线或接地线源来向所勘查地区内发送一次脉冲场， 在一次脉冲场间歇期间再利用回线来接收感应二 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 77 ChaoXing 次场， 该二次场是由于地下良导体岩石受电磁波会 产生一种不稳定电磁场， 通过对接受的二次场随时 间变化而产生的信号规律分析， 来确定地下岩层导 电性不均匀分布情况， 对其进行分析可以得到地下 低电阻异常区域的情况， 以达到对所需地域探测的 目的。瞬变电磁法对比别的方法有很多优点， 比较 突出的优点有以下方面 1） 瞬变电磁法对于导电围岩和导电覆盖层的分 辨能力优于别的方法， 并且施工效率高， 更适合勘 探工作的需要。 2） 在高阻围岩条件下， 没有地形引起的假异常。 3） 所得到异常的幅度大、 形态简单及受旁侧影 响小， 提高了对地质体的横向分辨能力。 有限导电地质体瞬变电磁响应可以用一个具 有电阻和电感的回线上的响应相等效， 回线中的感 应电压 V2 （t ） 正比于二次磁场的时间导数。 V2（t ） ∝ e-t/τ τ 式中 τ 为衰减的时间常数。 2.2仪器的选择 结合本次勘查任务与实际地质情况， 决定采用 加拿大产 PROTEM67D 瞬变电磁勘探系统[2]。该电 磁系统的可以在外部条件复杂与噪音干扰下， 依然 能完美的接受到地磁信号，且仪器动态范围较大， 可以根据所勘查区域内的建筑及村庄来进行灵活 的调节， 以满足不同地质情况， 由于本次所勘查区 域范围大， 勘测深度较深， 该仪器灵敏度较高， 发射 机电流较大，可以有效的接收地质深部的电磁信 号， 完成本次勘查任务。 3勘查结果与分析 3.1 顺层拟等视电阻率切面图分析 图 28 号煤层底板上 15m 顺层拟等视电阻率切面图 图 2 是 8 号煤层底板上 15m 顺层拟等视电阻 率切面图， 其空间位置对应于二叠系下统山西组砂 岩裂隙含水层 （K7） 的位置， 图中是沿 8 号煤层底板 上 15m 地层的视电阻率的变化分布， 视电阻率由高 到到低变化 （图中蓝色到红色变化） ， 反映了砂岩裂 隙发育冲水状况， 图中电阻率高低只是在所勘查区 域相对的高低， 在裂隙发育带的划分上应该在其基 础上。裂隙发育带在顺层拟等视电阻率切面图上表 现为视电阻率低的异常特征，即围岩裂隙越大， 含 水量越多所测电阻率就会越小， 因此上图中可以分 析得 勘查区中北部和西北部一带存在范围较大的 低阻异常区， 其他范围内存在有小范围的不连续的 低阻异常区， 结合地质资料及钻探资料推断为二叠 系下统山西组砂岩裂隙含水层 （K7） 裂隙发育富水 的反映。 图 38 号煤层顺层拟等视电阻率切面图 图 3 是 8 号煤层顺层拟等视电阻率切面图， 其 空间位置对应于 8 号煤层的位置， 图中是沿 8 号煤 层的视电阻率的分布情况， 蓝色到红色表示视电阻 率从低到高的变化情况， 反映了 8 号煤层采空充水 的特征。采空充水带在顺层拟等视电阻率切面图上 表现为视电阻率低的异常特征， 即采空充水性越强的 地段电阻率值越小。 从图中可以看出 勘查区北部和 东部有一些范围较大的低阻异常区， 勘查区其他范 围内也存在有小范围的不连续的低阻异常区。结合 地质资料及钻探资料推断其为采空充水的反映。 3.2勘查区富水异常划分及评价 从 8 号煤层底板上 15m 顺层拟等视电阻率切 面图来看， 主要低阻异常区位于勘查区中北部和西 北部， 通过对勘查区顺层 8 号煤层底板上 15m 视电 阻率统计，发现其视电阻率背景值在 90Ω/m 以上， 结合钻孔资料， 判断该层低阻异常应主要考虑视电 阻率小于 50Ω/m 的区域， 但有部分高阻中的相对低 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 78 ChaoXing 阻的区域也为低阻异常区， 据此划分了低阻异常范 围， 进而圈定出了二叠系下统山西组砂岩裂隙含水 层 （K7） 富水异常区范围， 总体来看， 二叠系下统山 西组砂岩裂隙含水层 （K7） 富水异常区主要集中在 中北部和西北部一带， 在勘查区其它区域有一部分 不连续的富水异常区。 从 8 号煤层顺层拟等视电阻率切面图来看， 勘 查区的主要低阻异常区位于勘查区北部和东， 通过 对勘查区顺层 8 号煤层底板视电阻率值统计， 发现 其视电阻率背景值在 100Ω/m 以上，结合钻孔测井 资料及邻区资料， 判断该层位低阻异常应主要考虑 视电阻率小于 60Ω/m 的区域， 但有部分高阻中的相 对低阻的区域也为低阻异常区， 据此划分了低阻异 常区范围， 继而圈定了 8 号煤层采空充水富水异常 区范围， 总体上看， 在勘查区北部和东部有几个较 大的富水异常区。 3.38 号煤层富水异常区分布划分 通过本次勘探发现， 勘查区内 8 号煤层顶板二 叠系下统山西组砂岩裂隙含水层 （K7） 富水异常区 有 14 块如图 4 所示。勘查区富水异常区分布主要 集中在勘查区中部和东部， 范围较大且连续。 图 48 号煤层顶板二叠系下统山西组砂岩裂隙 含水层 （K7） 富水异常区分布示意图 图 58 号煤层采空充水富水异常区分布示意图 通过本次勘探发现了勘查区内 8 号煤层采空 充水富水异常区的分布规律， 勘查区内 8 号煤层采 空充水富水异常区有 3 块 如图 5 所示。勘查区富 水异常区分布主要集中在勘查区东部。其中东部存 在较大的两个异常区，分别是 B2 和 B3 富水异常 区。依据剖面图中采空区特征反映和切片图中的异 常位置， 结合地震资料， 划分了推断采空区范围 （图 中洋红色阴影位置） 。 综上所述，通过对所获瞬变电磁资料的计算、 处理， 结合地震勘探解释资料和地质资料进行认真 分析， 查明了勘查区内 8 号煤层顶板二叠系下统山 西组砂岩裂隙含水层（K7） 、 8 号煤层采空充水， 划 分出了 8 号煤层顶板二叠系下统山西组砂岩裂隙 含水层 （K7） 、 8 号煤层采空充水。其中 8 号煤层顶 板二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层 （K7） 划分了 14 块富水异常区、 8 号煤层采空充水划分了 3 块富 水异常区。 4结论 通过对所获瞬变电磁资料的计算[3]、 处理， 结合 地震勘探解释资料和地质资料进行认真分析， 查明 了勘查区内 8 号煤层顶板二叠系下统山西组砂岩 裂隙含水层 （K7） 、 8 号煤层采空充水， 并且划分出 了 8 号煤层顶板二叠系下统山西组砂岩裂隙含水 层（K7） 、 8 号煤层采空充水富水异常区分布范围。 对富水异常区的划分是基于本次瞬变电磁法勘探 的解释成果， 通过本次勘查工作， 建议矿方在开采 过程中对圈定的富水异常区地段进行井下电法探 测及井下钻探工作， 进行近距离的精确探测， 以确 保安全生产。 参考文献 [1] 吴有信.瞬变电磁法及其在煤矿水文物探中的应用[J].西 部探矿工程, 2006, 18（4）132- 134. [2] 郭然.瞬变电磁勘探在煤矿防治水中的应用分析[J].科学 中国人, 2017（8）30. [3] 李宏杰.瞬变电磁探测技术在煤矿防治水中的应用[J].煤 矿安全, 2013, 44（4）159- 161. 作者简介 李志锋 （1986-） ， 男， 汉族， 山西吕梁人， 本科， 2010 年毕 业于太原理工大学测绘工程专业，中级工程师，研究方向 矿井水文地质测量。 （收稿日期 2019- 10- 14） 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 79 ChaoXing