大地電磁法在煤礦地下水探測(cè)技術(shù)應(yīng)用

于超 劉永芳

（同煤浙能麻家梁煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西朔州036000）

0 引言

某礦南翼礦井水發(fā)育比較明顯，井下水源較多；盜采引起的老巷積水、采空區(qū)分布不規(guī)則。煤層開采對(duì)煤層上下的整體結(jié)構(gòu)造成破壞，形成多種導(dǎo)水通道，且由于空間裂隙存在，改變了原有充水環(huán)境，水文地質(zhì)條件變得復(fù)雜。地下采空區(qū)分布、采后地層變動(dòng)和裂隙發(fā)育等不可確定因素給礦井防治水帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。

采空區(qū)周邊及其上部地層在應(yīng)力作用下使得其地球物理特征也發(fā)生變化，如果有地下水存在，地下水將會(huì)沿著開采形成的導(dǎo)水裂隙帶涌入工作面和采空區(qū)，形成新的積水形態(tài)，導(dǎo)水通道的多樣化導(dǎo)致各含水層形成連通。采空區(qū)形成后的煤巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，巖體變得疏松，裂隙發(fā)育，整體性遭到嚴(yán)重破壞，加上空氣、不同充填松散物的作用，改變后的地層視電阻率遠(yuǎn)高于周邊地質(zhì)體，該電性體現(xiàn)為高阻異常；如若采空區(qū)形成后所涉及的地質(zhì)體被水充填，形成充水地質(zhì)體，使得原本松散的破碎帶、裂隙帶達(dá)到充水飽合狀態(tài)，則改造后的地質(zhì)體視電阻率要低于周邊地質(zhì)體，該電性體現(xiàn)為低阻異常。這種異常的電性變化為使用大地電磁法來(lái)探明采空區(qū)水文地質(zhì)情況創(chuàng)造了物理基礎(chǔ)和應(yīng)用條件[1-3]。

1 大地電磁法簡(jiǎn)介

1.1 測(cè)量原理

大地電磁法是在地面上探測(cè)地下天然電磁場(chǎng)來(lái)研究地下巖體的電性特征及其分布特征的一種物理勘探方法。大地電磁法是通過(guò)改變電磁波頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)電磁感應(yīng)的原理，在地表收集地下電磁數(shù)據(jù)來(lái)分析地下不同的地質(zhì)信息。通過(guò)測(cè)定從高到低不同頻率的地球電磁反映序列，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理和分析來(lái)判定地層由淺至深的電性結(jié)構(gòu)。大地電磁法原理見(jiàn)圖1。

圖1 大地電磁法原理示意

1.2 正演模型及反演

正演模型的探測(cè)對(duì)象為地質(zhì)體的電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)，通過(guò)二維正演進(jìn)行視電阻率分析，獲得不同地質(zhì)體因素下的不同模型。在地球物理中，正演一般對(duì)應(yīng)于求解一數(shù)理模型的邊值或初值問(wèn)題。

大地電磁的技術(shù)核心是反演，就是根據(jù)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)（包括視電阻率、相位、表面阻抗等數(shù)據(jù)）來(lái)反推產(chǎn)生這些數(shù)據(jù)的系統(tǒng)內(nèi)在信息的一種數(shù)學(xué)物理過(guò)程。在測(cè)得地球響應(yīng)，如視電阻率、相位、表面阻抗等，通過(guò)一定的數(shù)學(xué)處理（反演）求得一個(gè)合理的地電模型，定量給出不同電性介質(zhì)在地下的分布規(guī)律。

1.3 適用條件

大地電磁法作為一種利用天然電磁場(chǎng)來(lái)研究地下電性結(jié)構(gòu)的物探方法，優(yōu)點(diǎn)是不受高阻層屏蔽、對(duì)高導(dǎo)層分辨能力強(qiáng)，勘探深度大，施工成本低，工作方便；缺點(diǎn)是體積效應(yīng)，反演的非唯一性較強(qiáng)（跟地震方法相比），縱向分辨能力隨著深度的的增加面迅速減弱，目前該技術(shù)可通過(guò)計(jì)算計(jì)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和顯示，大大提高了工作效率，被廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)勘探、地下水勘探、構(gòu)造探查等領(lǐng)域。

2 礦井地質(zhì)特征及測(cè)線布置

該煤礦南翼斷裂構(gòu)造較發(fā)育，可采煤層4#煤賦存深度500 m左右。南翼有F3、F2號(hào)兩個(gè)大斷層，及部分次生小構(gòu)造，斷層落差F3 82 m～400 m，F(xiàn)2 28 m～45 m。井田的水文地質(zhì)條件較復(fù)雜，礦井充水水源、導(dǎo)水通道種類豐富，第四系潛水含水層與下聯(lián)河有一定的水力聯(lián)系。

根據(jù)地表現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況和礦井生產(chǎn)布局選擇在礦井南翼井田邊界線布置測(cè)線，然后依據(jù)地表收集地下電磁數(shù)據(jù)來(lái)分析地下不同的地質(zhì)信息來(lái)確定地下水的位置，測(cè)線長(zhǎng)度為400 m，電極距離采用20 m，共布置21個(gè)測(cè)點(diǎn)。

3 探測(cè)結(jié)果分析

在獲得實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)后，通過(guò)計(jì)算機(jī)可視化集成系統(tǒng)的開發(fā)，獲得反演結(jié)果圖，根據(jù)不同地質(zhì)體反演圖像分析地質(zhì)電阻異常區(qū)，通過(guò)已知地質(zhì)異常區(qū)地質(zhì)條件及生產(chǎn)情況，對(duì)異常區(qū)域和實(shí)際地質(zhì)情況進(jìn)行比對(duì)，進(jìn)而對(duì)未知地質(zhì)異常現(xiàn)象進(jìn)行分析較準(zhǔn)，確定異常原因，進(jìn)而確定地下采空區(qū)范圍。測(cè)線0 m～400 m探測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖2，圖中有五處高阻異常區(qū)，分別為：高阻異常區(qū)1、高阻異常區(qū)2、高阻異常區(qū)3、高阻異常區(qū)4、低阻異常區(qū)5，下面就每個(gè)異常區(qū)分別進(jìn)行分析。

圖2 測(cè)線0 m～400 m大地電導(dǎo)率剖面

（1）在圖2中，1#測(cè)線低阻異常區(qū)5的水平范圍為300 m～400 m，深度在200 m～250 m之間。由于該區(qū)域的電阻率值明顯低于周邊介質(zhì)，且形成閉合的環(huán)形低阻區(qū)域，因此根據(jù)電磁法理論及經(jīng)驗(yàn)判斷低阻異常區(qū)5疑似為地下水富存區(qū)域。

（2）在圖2中，高阻異常區(qū)1的水平范圍為80 m～150 m，深度在50 m～110 m之間。該異常區(qū)范圍在井上下對(duì)照平面圖的位置見(jiàn)圖3，此處有一標(biāo)高為370 m的巷道，該附近地面標(biāo)高在470 m，計(jì)算得出巷道地底埋深為100 m，與探測(cè)結(jié)果吻合，因此推測(cè)高阻異常區(qū)1為巷道存在造成影響區(qū)域。

圖3 1#測(cè)線異常區(qū)1與巷道位置關(guān)系

（3）在圖2中，高阻異常區(qū)2的水平范圍為0 m～140 m，深度在190 m～260 m之間。該異常區(qū)范圍在煤層底板等高線平面圖上的位置見(jiàn)圖4，此處地面標(biāo)高在470 m，煤層標(biāo)高為200 m～250 m，計(jì)算得出煤層埋深介于220 m～270 m之間，與探測(cè)結(jié)果吻合，因此推測(cè)高阻異常區(qū)2為采空區(qū)存在影響區(qū)域。

圖4 異常區(qū)2與煤層位置關(guān)系

（4）在圖2中，高阻異常區(qū)3的水平范圍為320 m～400 m，深度在90 m～120 m之間。本測(cè)線靠近ⅩⅣ勘探線，將測(cè)線投影至ⅩⅣ勘探線上，測(cè)線范圍與煤層的垂直與水平范圍疊加后呈現(xiàn)圖5中的斜線陰影部分。在探測(cè)線范圍內(nèi)的地面標(biāo)高480 m，煤層底板標(biāo)高為290m～390m，計(jì)算得出煤層埋深介于90m～190m，與探測(cè)結(jié)果吻合，因此推測(cè)高阻異常區(qū)3為采空區(qū)存在影響區(qū)域。

圖5 1#測(cè)線異常區(qū)3與ⅩⅣ勘探線位置關(guān)系

（5）在圖2中，高阻異常區(qū)4的水平范圍為240 m～400 m，深度介于120 m～180 m之間。本測(cè)線靠近ⅩⅣ勘探線，該測(cè)線在勘探線剖面的位置及所探測(cè)的煤層深度范圍見(jiàn)圖6，在探測(cè)線范圍內(nèi)的地面標(biāo)高480 m，煤層底板標(biāo)高為240 m～370 m，計(jì)算得出煤層埋深110 m～240 m，與探測(cè)結(jié)果吻合，因此推測(cè)高阻異常區(qū)4為采空區(qū)存在影響區(qū)域。

圖6 1#測(cè)線異常區(qū)4與ⅩⅣ勘探線位置關(guān)系

3 結(jié)論

測(cè)線水平范圍0 m～160 m、深度320 m～370 m區(qū)間有采空區(qū)；區(qū)域水平范圍160 m～220 m、深度300 m～360 m區(qū)間有采空區(qū)；水平范圍260 m～740 m、深度300 m～470 m區(qū)間有采空區(qū)；水平范圍460 m～600 m、深度100 m～130 m區(qū)間為巷道影響區(qū)。

通過(guò)理論分析和實(shí)踐證明，大地電磁法測(cè)試精度高，可通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和顯示,界面圖像直觀，能夠有效的探測(cè)地下水分布位置，便于礦山企業(yè)采取有針對(duì)性的防治水手段，做到有的放矢，減少不必要的資金浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)、效益全面發(fā)展。