西部保水开采中的水文电法勘探技术.pdf

第3 3 卷第2 期 2 0 0 4 年3 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 3N o ．2 M a r ．2 0 0 4 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 4 0 2 0 1 8 70 3 西部保水开采中的水文电法勘探技术 刘树才1 ，岳建华1 ，刘 江2 1 ．中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 2 ．陕西省煤田地质局物测队，陕西西安7 1 0 0 0 5 摘要。阐述了在我国西北地区复杂地形、地表干燥条件下进行水文电法勘探的方法技术，提出了 西部地区电性地质条件与具体施工方法技术选择、瞬变电磁法重叠回线小线框施工技术及注意 事项．结合实例说明了瞬变电磁法与直流电法共同解决水文地质问题的有效性． 关键词电阻率法；瞬变电磁法；保水开采；水文物探 中图分类号P6 3 1 ．3文献标识码A E l e c t r i c a lM e t h o dU s e di nH y d r o l o g i c a lP r o s p e c t i n gf o r W a t e r K e e p i n g M i n i n gi nW e s t e r nC h i n a L I US h u c a i l ，Y U EJ i a n h u a l ，L I UJ i a n g 。 I ．S c h o o lo fR e s o u r c e sa n dE a r t hS c i e n c e ．C U M T X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a } 2 ．S h a i n x iP r o v i n c i a lC o a l f i e l dG e o l o g yB u r e a u ，X i ’a n ，S h a a n x i7 1 0 0 0 5 ，C h i n a A b s t r a c t E l e c t r i c a lm e t h o du s e di nh y d r o l o g i c a lp r o s p e c t i n gi nw e s t e r nC h i n aw i t hac o m p l i c a t e d l a n d f o r ma n da na r i dc l i m a t ei si n t r o d u c e d ．T h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n dt h e s e l e c t i o no fe x e c u t i o n m e t h o da sw e l la ss o m ec a u t i o n sf o rs m a l ll o o p so fT E Ma r ep u tf o r w a r d ．A n dt h ee f f e c t i v e n e s so f s o l v i n gt h eh y d r o g e o l o g i c a lp r o b l e mb yu s i n gt h em e t h o da r ee x p l a i n e d ． K e yw o r d s r e s i s t i v i t ym e t h o d ；T E M ；w a t e r p r e s e r v e d m i n i n g ；h y d r o g e o p h y s i c a lp r o s p e c t i n g 我国西北地区煤炭资源丰富，煤层厚、埋藏浅， 人为的疏千排水和采动形成的导水裂隙造成煤系 含水层的自然疏干和第四系含水层的流失，破坏了 地下水资源，使本来就十分脆弱的西部环境问蘧更 加突出．因此，在采煤前查明矿区水资源分布范围 和状态，掌握含水层、隔水层厚度等有关水文地质 资料，合理选择采矿工艺，有效控制覆岩破坏，进行 保水采煤或尽可能的减少对水资源的破坏，是煤矿 绿色开采的重要研究内容o ] ． 由于岩石含水性对其电阻率 导电性 有着极 大影响，因此电法勘探技术作为常规方法在水文地 质勘探中得到普遍应用．在西j E 地区进行水文电法 勘探的难点在于地表干燥、沟壑纵横、地形起伏剧 烈，在复杂地形、地表条件下如何提高电法勘探的 精度是西部保水开采水文电法勘探技术研究的关 键问题． 1 电性地质条件 西部地区气候干燥，属干旱或半干旱地区，地 下潜水位低，特殊的气候和地貌特征造成西部地区 电性地质条件具有以下鲜明特点1 近地表导电性 能差，电极与介质接触电阻大，造成通过接地电极 向地下供以激发源的滞留电法勘探等勘探深度有 限，异常反映特征不明显．2 在干旱的沟谷、粱峁地 区，野外施工困难，电阻率法由于体积效应大，地形 影响严重，曲线发生畸变，资料解释精度受到限制． 3 尽管地表条件复杂，但含煤底层原生产状较简 单，煤层及其覆岩多为缓倾斜地层，横向电性变化 收稿日期。2 0 0 3 1 0 1 0 基盒项目，国家自然科学基金项目 4 0 0 7 4 0 3 0 作4 t M 介。刘树才C 1 9 6 3 一 ．男。山东省潍坊市人．中国矿业大学副教授，工学硕士，从事应用地球物理勘探方面的研究． 万方数据 中国矿业大学学报 第3 3 卷 以含水性引起的电性变化为主． 瞬变电磁法 T E M 以接地导线或不接地回线 通以脉冲电流作为场源，激励探测目标体感生二次 电流，在脉冲间隙测量二次场随时间的变化，与直 流电法相比有如下特点1 有较强的穿透高阻覆盖 层的能力；2 勘探体积效应小．横向的分辨率高，特 别是采用小线框发射和接收，其体积效应更小，进 一步增大了横向分辨能力；3 线圈形状要求不严 格，测地工作简单，工作效率高；4 可通过改变线框 大小、供电电流、叠加次数来增大探测深度．但瞬变 电磁法对高祖层的垂向分辨能力差．而直流电测深 对浅层垂向分辨率高．因此在干旱、地形起伏地区 可充分发挥两者的优势，以瞬变电磁法为主，并在 地形平坦的地方做一部分直流测深点进行综合解 释，提高电法资料的定量解释水平[ 28 3 ． 2 技术手段选择 在瞬变电磁法的野外施工过程中，其工作装 置、线框边长、关断时问、供电电流、时窗的选取和 增益叠加次数等参数因素对取得高质量的实测资 料至关重要．为了选择复杂地形条件下瞬变电磁法 的工作装置，进行了一系列的方法技术试验．实验 结果表明，重叠回线装置异常幅度大，地质信息丰 富．其边框大小与探测深度和压制干扰能力密切相 关．图1 为重叠回线不同边长的电位衰减曲线．分 析该图可以看出，当发射线框为1 ．5 m 1 ．5 m 3 4 匝，接收线框为1m 1m 1 0 0 匝时，其测量结果 的曲线1 处于4 0m 4 0m 曲线2 附近，可以认为 在中深部地层中多匝小回线装置与重叠回线装置 的探测深度基本一致．但其浅层的信息处于关断时 间之内，无利用价值．而发射线框为2m 3m x3 4 匝，接收线框为2m 3m 6 0 匝时，其测量结果的 曲线3 与8 0 m 8 0 m 重叠回线的观测曲线4 的尾 枝基本一致，其探测深度相同． i o B 1 旷 i o s 言1 0 5 lo ‘ 1 0 ’ 1 舻 图1 工作装置参数对观测曲线的影响 F i g ．1 E f f e c to fo p e r a t m gp a r a m e t e r s 因此，当在复杂地形条件下探测中深部地质体 时，可采用多匝小回线装置，在地形对铺设线框边 长影响不大时，应尽可能地采用重叠回线装置，因 为其原始数据中包含的地质信息丰富．在野外施工 时应注意以下几点 1 虽然利用小回线装置在复杂地形条件下可 获得符合设计的野外实测原始资料，然而采用多匝 小回线装置，其浅层的地质信息在实测曲线中未表 现出来，适合于中深部地质体的探测；重叠回线装 置，其关断时间较小，获取的地质信息丰富． 2 叠加次数、增益只是为了曲线衰减正常， 去除干扰噪声，增大有用信号，进一步提高信噪 比． 3 在发射电流不变和接收线框大小固定时， 发射线框的减小，实测的衰减曲线有用信号减弱， 探测深度减小． 4 在发射电流和发射线框大小固定时，接收 线框的减小。实测的衰减曲线有用信号减弱，探测 深度减小． 5 根据资料介绍，天电噪声对实测资料影响 较大，在野外施工中应监测天电噪声，但通过试验， 加天电噪声后对实测曲线的影响反而较大． 6 互换原理只适用于重叠回线和偶极装置， 对于大定源回线、中心回线、双回线组合和金氏相 对测量装置不适用． 3 应用实例 锦界井田勘查区位于陕西省神木县境内．地处 陕北黄土高原j E 缘与毛乌素沙漠东缘的接壤地带， 典型地貌为沙丘及风沙滩地，以半固定和固定沙为 主，地形相对较复杂．区内第四系萨拉乌素组和侏 罗系直罗组为井田内主要含水层．萨拉乌素组孔隙 潜水含水层，埋藏浅，接受大气降水补给有利．其含 水层厚度、富水性、补、径、排条件受下伏黄土顶面 形态和补给范围制约．直罗组孔隙、裂隙承压水含 水层岩性以黄绿、灰黄色中粗粒砂岩为主，结构疏 松，裂隙发育，分布广但厚度变化大，富水性弱一中 等，部分地段可能达到强富水．此外，区内局部存在 由煤层白燃后形成的烧变岩含水层，局部为强富水 区． 根据本区钻孔的孔旁测深的资料可知，本区各 地层岩层电性特征如表1 所示，由于本区各组地层 电性差异较明显，具备应用电法勘探进行水文地质 调查的地球物理前提． 万方数据 第2 期 刘树才等西部保水开采中的水文电法勘探技术 表1 锦界井田各组地层电性特征 T a b l e1E l e c t r i c c h a r a c t e r i s t i co fJ i n j i ec o a l H e l dl a y e r s 野外数据采集以瞬变电磁法为主、直流电测深 法为辅．测线方向为南北向，并与勘探线及地震测 线平行或重合．为控制强富水区的富水情况，T E M 的网度为2 5 0m 2 5 0m ，采用2 5 2 5m 重叠回线 装置，工作频率选取2 5H z 和6 ．2 5H z ．在干扰较 大地区，采用了多次叠加等技术措施． 含水岩层电性均表现为相对的低阻特性，而 T E M 法在横向和纵向上对低阻反应灵敏，故可利 用视电阻率值单支曲线、多测道剖面、n 断面等值 线图及A 平面等值线图划分出相对低值区的垂 向、横向赋存范围，低值区反映该区土层赋存厚度 较大．图2 为* 1 ．1 6 m s 的n 在等视电阻率平面 等值线的低值区和等视电导率平面等值线的高值 区是本区的含水区或红土较厚区． 图2T E M 等视电阻率平面图 F i g ，2 I s o l i n e so fa p p a r e n tr e s i s t i v i t yo fT E M 本次解释的含水层厚度为沙层中含水层的厚 度．根据水文地质资料，土层的渗透系数很小，为本 区的隔水层，故对于土层中的含水层未在其中统 计．本区含水层厚度见图3 ，共圈定A ，B 两个富水 区段，前者A 呈南j E 向长条状，南北长约3 ．4k m ， 东西宽约1 ．8k m ，面积约6k m 2 ；后者B 近于等轴 囊状，南北长约2 ．1k m ，东西宽约1 ．8k m ，面积约 3 ．5k m 2 ．含水沙层的厚度较大，为中粗粒沙层，在 等视电阻率 n 平面等值线图中，其视电阻率值相 对较低，故其为中等富水区．经钻孔验证，较为可 靠． 口直流电测澡法测扇 5 | 翰1仿_门 t ’ 。f。{ ㈣’ 存之．＼ 黍雾颥缫壤辨 踅l錾隧{ ；l瓢；2 拶 ． ，．．扁- 断＼ _ o { 燃j 图3 砂层含水层等厚线 F i g ．3 I s o l i n e so ft h i c k n e s so fw a t e rl a y e r 4 结论 根据瞬变电磁法对高阻层穿透力强、对低阻体 反映灵敏的特点，利用其小线框可在地形复杂地区 施工方便有利条件，在通常方法很难施工的地区进 行水文勘探将会取得良好效果．结台其他直流电法 方法，可进一步提升电法勘探的地质效果，为绿色 采矿技术的实施提供可靠的水文地质资料． 在利用多匝小线框时，还存在诸如勘探深度 浅、因线圈互感等影响使得视电阻率值偏小等情况 尚需进一步研究． 参考文献 [ 1 ] 钱鸣高，许家林，缪协兴．煤矿绿色开采技术E J ] ．中 国矿业大学学报．2 0 0 3 ，3 2 4 3 3 33 4 7 ． [ 2 ] 蒋邦远．实用近区磁源瞬变电磁法原理[ M ] ．北京t 地质出版社，1 9 9 8 ． [ 3 ] 李貅，瞬变电磁测深的理论与应用[ M ] ．西安陕 西科学技术出版社，2 0 0 2 ． [ 4 ] 李金铭．电法勘探新进展[ M ] ．北京地质出版社， 1 9 9 6 ． [ 5 ] 刘继东，史健涛．瞬变电磁测深法在煤矿工程勘察中 的应用[ J ] ．西安工程学院院报，1 9 9 9 ，2 1 2 3 9 4 1 ． [ 6 ] 静恩杰，李志聃．瞬变电磁法野外工作方法[ J ] ．中国 煤田地质，1 9 9 5 ，7 3 8 8 9 1 ． [ 7 ] L i a n g j u nY a h ．在地形很恶地区的L O T E M 野外试验 [ J ] ．朱梅生，译．物探与化探译丛，1 9 9 7 ，1 9 5 7 3 7 5 ． [ 8 ]N a b i g h i a nMN ．F o r w a r da n dI n t r o d u c t i o n T i m e D o m a i ne l e c t r o m a g n e t i cm e t h o d so fe x p l o r a t i o n ， s p e c i a lI s s u e [ J ] ．G e o p h y s i c s ，1 9 8 4 ，4 9 7 8 4 9 8 5 3 ． 责任编辑李成俊 万方数据