浅谈瞬变电磁法勘探在贵州山区煤矿的应用

摘 要：为探明贵州天润矿业有限公司位于贵州省大方县城南部白布井田西区浅部先期开采区域的水文地质情况，为矿井开采提供可靠的地质依据，决定对该矿区进行水文电法勘探。安徽省煤田地质局物探测量队依据中华人民共和国煤炭行业标准《煤炭电法勘探规范》(MT/T 898-2000)编制了瞬变电磁法勘探设计并进行勘探。

关键词：瞬变电磁法;勘探

一、地质任务

根据甲方要求，地质任务如下：

1．对煤系基岩覆盖物的性质进行确定（第四系或滑坡物），并尽量测定其形态；

2．研究煤系基岩覆盖物含水和煤系水的水力联系，并研究其含水的补给、径流和排泄的位置和方向等；

3．探查范围内玄武岩厚度变化和了解茅口灰岩溶洞发育情况。

二、地球物理特性

理论上讲，干燥的岩石、石油和空气的电阻率为无穷大，但实际上岩石孔隙、裂隙总是含水的，并且随着岩石的湿度或饱和度的增加，电阻率急剧下降。同时，水分含量相同的不同岩石的电阻率可能有很大差别，其原因在于水分有不同的矿化度。断层的电阻率不取决于断层本身的大小，主要取决于断层的破碎程度及其含水的饱和度；岩层的电阻率不取决于岩石本身的电阻率，主要取决于岩石的含水饱和度。一般来说，充含水岩层的电阻率远小于周围不含水围岩的电阻率，这也是瞬变电磁法查找地下暗河即充水岩溶和断层的物性依据。

具体到本勘探区被崩积岩及第四系坡残积层覆盖，耕地及村寨较多，盖层下即是龙潭组煤系地层，保存有28和33两层煤，上部地层缺失。测区的水文地质特征基本上确定了它的地球物理电性特征。

具体如下:

1. 煤层：具有高电阻率、低自然伽玛等特征，除6上、6中煤层外，其它可采煤层电阻率异常突出，界面陡直清晰易辨。

2. 灰岩：电阻率为最高值，密度值最大，自然伽玛低。

3. 砂岩：电阻率一般为高值，变化较大，略低于煤层反映，密度值高于煤层，低于灰岩。

4. 泥岩：电阻率最低，但自然伽玛值很高。

5. 泥质粉砂岩、粉砂质泥岩：介于砂岩和泥岩之间。

三、野外数据采集工作

瞬变电磁探测是电法勘探的主要手段之一。瞬变电磁法以接地导线或不接地回线通以脉冲电流做为场源，以激励目标异常体的感生二次电流，在脉冲间隙测量二次场随时间变化的响应。由于这种方法是在发射脉冲间隙中测量，不存在一次场源的干扰，具有以下优点：

⑴把频率域法的精确度问题转换成灵敏度问题，加大功率可以增加勘探深度。

⑵在高阻围岩地区不会产生地形起伏影响的假异常；在低阻围岩区，由于是多道观测，早期道的地形影响也较容易分辨。

⑶可采用同点组合进行观测，使系统与探测目标耦合最紧，取得的异常响应强，形式简单，分层能力强。

⑷线圈点位、方位或收发距要求相对不严格，测地工作简单，工效高。

⑸有穿透低阻覆盖层的能力，探测深度大。

⑹提供信息量大，减少多解性。

⑺可探测常规电法与探地雷达之间存在的探测盲区。

综合本区的地貌、地层和水文地质特征，依据该区各时代地层的电性特征，选择瞬变电磁法探查区内水文地质情况。瞬变电磁勘探采用大定源装置（外框300 m～1000m×300m～1000m）。具体使用参数通过试验确定。

试验目的：

根据本测区地质及地表情况，选择合适的测量参数；

测区内噪音测试；

初步了解本区电性规律。

试验内容：

根据本区特点及瞬变电磁法一般要求，瞬变电磁法试验工作一般包括以下内容：

发射线框测试；

发射电流测试；

发射、接收频率测试；

测区内噪音测试；

探测深度测试；

完成本次工作任务的可能性。

试验结论：

发射线框采用400m400m，大小比较合适，能够取得电法勘探应获取的资料，满足施工要求；

由于本地区没有高压线等干扰源，发射电流只要超过10安培，就能满足要求，曲线圆滑；

由于本区探测深度浅，经试验，采用25Hz采样频率是合适的，从试验点资料来看，浅部16米为勘探的极限，深部可达数百米，满足本区勘探要求；

由于本区资料质量很好，使用选定的采集参数能够满足本次勘探要求，基本能完成本次勘探任务，

本次试验共获得11个测点数据。

物理点放样

⑴电法勘探点理论数据的计算和传输

把设计好的电法勘探线的起、终点理论坐标传输到手持计算机中，野外实际点位的数据通过RTK实地采集，获得实际平面坐标和高程数据，然后传输到计算机。

⑵电磁勘探点、检测点放样

采用实时差分（RTK）的方法放样，电磁勘探点、检测点按设计测线进行直线放样，所有物理点平面位置放样误差一般不大于0.1米，复杂地区不大于0.3米，整个工区物理点复测率不少于总数的1%，放样偏差和复测率符合规范要求。

物理点编号：电磁测线、接收线统一编号。物理点由数字组成，上面数字表示线号，下面数字表示点号，中间以斜杠隔开

例如：2280／120。

2280 …………测线线号

120 …………测线桩号

所有物理点、检测点做到点位准确，标志明显，每一个物理点、检测点都插上木桩，插上标志旗，并标明线号、桩号。所有的原始资料齐全、准确可靠、计算数据正确，满足本次电法勘探设计要求。

四、资料整理及处理

原始资料的整理是为解释工作准备基础数据，提供电性参数。此项工作直接关系到解释精度和地质成果。野外采集的数据保存在仪器中，可以直接传输到微机上，利用专用软件进行数据处理。在正式数据处理之前需要对野外原始数据进行三级检查和两级验收。在此基础上，经校对检查后的数据建立原始资料数据库。

利用建立的原始数据库，运用电法勘探专用数据处理软件进行各种电性参数的求取，绘制电性参数平面图、剖面图，最终完成成果平面图。

野外施工结束后，项目组即开始进行资料整理工作，首先通过专用软件计算每个测点的时间－视电阻率曲线，然后利用反演软件计算视深度－视电阻率曲线，分析曲线的形态，了解该区曲线的特征，了解分层信息及各层视电阻率。

由于本区处于山区，各测点的高程都不一样，虽然瞬变电磁法是受地形影响最小的电法工作，但是由于本区高差达到300米以上，所以本区仍然需要做高程校正工作。由于本区测点较多，所以本区的高程校正工作与第一步曲线整理和反演工作一样，工作量较大。

在完成反演工作的基础上，我们需要进行剖面绘制工作。利用专用的等值线绘制软件，我们可以得到各剖面的等值线图。

完成剖面工作后，我们开始进行各电性参数平面图的绘制工作。平面图我们一般取水平切片或顺层切片，由于本区地表高差较大，地层具有一定的倾角，水平切片不能反映实际的地质情况，故采用近似的顺层切片的方法绘制平面图。

五、资料分析

物探资料分析是一个全面而复杂的过程，首先要收集丰富的已知资料，包括水文、地质等诸多方面，结合物探资料对比、分析，从已知到未知，从简单到复杂，从点到面，反复认识、去伪存真，找出基本规律再推广扩大到整个工作区。TEM资料的解释同样也遵循这个规律。

本次资料解释着重从曲线类型、电性断面图、电性平面图的分析研究，以达到定性和半定量解释的要求。

1、曲线类型分析

对测区实测曲线类型的分析与对比是定性解释的基础，某种类型的视电阻率曲线则有与之对应的地电断面，换言之，曲线类型是地电断面综合的反映。结合地质及钻孔资料确定出地电断面各电性层与地质层位对应关系及深度概念，进而推断出各地质层位的特征参数。

图5-1-1980线620号点视电阻率单支曲线

图5-1-2 1980线940号点视电阻率单支曲线

本区实测曲线的基本特征比较一致，基本骨架为A型，反映了第四系到石炭、奥陶系基底等电阻率呈高低变化的地层组合格局。

本区曲线形态大同小异，基本格局相同，但细究却有不同的意味，从图5－1到图5－3，我们看到，曲线总体形态一致，基本都是KHA型，但是曲线的斜率不同，极小值也不同，差别较大。较平缓的曲线其首支视电阻率值也较低。

图5－1-31460线860号点视电阻率单支曲线

这种差别意味着什么？它反映的地质情况如何呢？

首先，我们知道，在电阻率法电法勘探中，曲线首支视电阻率与浅部地层有关。类似的，瞬变电磁法首支视电阻率也与浅层地层有关。上部电阻率的变化正好印证了本区因为构造引起地层的变化，与实际地质情况吻合。曲线斜率的变化也昭示了地层岩性的变化。具体到本区，K型曲线反映的是地表、砾石层、泥岩地层电阻率变化的趋势，H型的低阻是泥岩的反映，A型是泥岩、煤层到灰岩的反映。本区水源主要来自于地表降水，水量较小，本测区东部的白布河处于测区的下倾方向，影响较小。曲线形态主要由岩层含水性控制，由于施工期处于雨季，而且地表大部属于耕植土，含水性较好，地表电阻率较低，其下部当存在较厚的砾石层时，由于砾石层的含水性较差，显示为较高的电阻率，形成K型曲线的高阻极值。当砾石层较薄或不存在时， K型曲线不明显或曲线的极值较小，在本区这个特征是分辨煤系上覆是否有外来覆盖层的标志。

2、剖面分析

以测线上点的相对坐标为横坐标，视深度为纵坐标，绘制每条测线的视电阻率断面图，可以仔细和清楚地反映沿剖面层位电性变化和地质构造轮廓。全区共绘制各测线视电阻率断面图75张。

本区视电阻率断面图的基本特征是由浅至深视电阻率依次增大，浅部等值线密集平缓，中部等值线稀疏并有局部封闭现象，深部等值线更加密集，这种现象与本区地质层位的对应关系明确，浅部是第四系和上覆覆盖物的反映，中部是煤系中泥岩和煤层的反映，深部则反映了基底灰岩的电性变化情况。

本次勘探获得了准确而丰富的信息，解释组对所有的75条断面逐条进行了解释，资料对煤系上覆高阻覆盖物、断层等构造信息反映清晰，解释结果与已知资料吻合。

图5-2-1 980线视电阻率断面图

图5-2-2 1980线视电阻率断面图

图5-2-3上覆外来覆盖物在视电阻率断面图上的反映

煤系上覆覆盖物在视电阻率断面图上的反映：如图5-2-1至图5-2-3，在断面图左端。我们知道，本区地层基本上是一个单斜构造格局，在视电阻率断面图上的反映也应是一个单斜的格局，但当局部地段地层或地电发生变化时，视电阻率将发生明显的变化，我们看到，深部的单斜很明显，反映深部地层层序正常，未发现有较大构造或其他地质因素引起视电阻率变化（特别是图5-2-3，最为明显，未受到任何干扰），而浅部视电阻率在断面图上左右有较大变化，左边反映的电阻率有低-高-低-高的变化，而右侧视电阻率反映的是由低-高的正常情况，我们根据有关已知资料分析对比，左侧区域应存在外来覆盖物，引起了视电阻率的变化。

有了这样直观的反映，我们对资料的分析就变得容易了，就跟看图识字一样了，当然，我们还要弄清本质，这样就离不开地质，与地质工作相结合是我们物探工作的必然途径，离开了地质工作，我们物探工作将失其根本。本区资料解释力图与地质工作相结合，力求解释的准确性和完备性，我们相信这样的解释成果是能令地质学家们满意的。

图5-2-4820线地质剖面图

图5-2-5 1980线地质剖面图

图5-2-4是本次电法勘探获得的820线拟地质剖面图，图5-2-5是1980线拟地质剖面图，由图中我们看出，松散体呈现南厚北薄的特征，符合崩落物由南面崩落的堆积特点。

图5-2-6 A线地质剖面图

图5-2-6是A线拟地质剖面图，A线是穿过钻孔B12-2和h02孔的一条东西方向剖面，从该剖面我们可以看到，崩落物西厚东薄，由于东部远离悬崖，最东部没有崩落物。

3、平面分析

为了反映整个测区内地层和富水区域的轮廓和分布特征，一般采用在不同深度切平面的方法，由于地层倾角和层厚度的变化以及层位尖灭等因素，同一层位可能切取了不同的电性层位，而不同的电性层位其视电阻率值的幅度及背景一般而言是有所差别的，这就为异常的划分增加了一定的隐蔽性。由于地质异常体在垂向上有一定的延展范围，所以采用视电阻率积分参数来表征地质异常体在平面上的位置和分布特征，这样可能会增强其合理性。

图5-3-1地表下30米切片

如图5-3-1，在数据体中，沿地表下30米切片获得的切片图，图中黄色区域显示的是相对低阻区域，反映的是区内含水区域或者泥岩分布区域。图

中西侧（300线）有一高阻条带，参考图5-3-2实测地形图，300线附近地形正常，可排除地形影响的因素，从-150米和-500米切片上，我们可以看到其低阻特征，这些特征说明这一带可能为一较大规模的断层，近地表由于断层的存在，松散层不能存水，显示高阻特征，下部由于断层存水，显示低阻特征。断层有待地质证实。如果这条断层确实存在，危害较大，可能成为煤层上下导水的通道，使各层之间的水力联系加大，开采过程中需要预留保护煤柱，请矿方引起足够重视。

图5-3-2 实测地形图

图5-3-3地表下150米切片

图5-3-4地表下500米切片

4、地质解释

由前述平剖面分析，我们看到，松散体堆集于本勘探区西南部，与南部悬崖接近，由地质人员岩性对比资料得知，松散体内所含岩石与南部出露岩石岩性相同，证实松散体为南部岩体崩落所致。

关于崩落物有无再次滑动的可能性，我们与地质人员一样认为其可能性很小，理由有二：

1.南部有坚硬岩石阻挡，没有滑动的可能性，这一点地质报告说明得很清楚，在此不再赘述；

2.向东滑动的可能性也很小，其一是由于地层倾角很小，一般10度左右，其二是因为本区地表水不很丰富，主要来源是地表降水，所以缺少足够的剂。

本区大部分松散体来源于南部岩体的崩落物，钻探资料为我们提供了佐证（岩性相同），从电法资料来看，其电性特征也与一般第四系不同，结合地质资料，我们推断为外来物，即为崩落物。

六、结论

本次勘探共获得如下的重要成果：

1．煤层上部松散体不是滑坡体，应为本区侧面崩落物；

2.由于本区地层倾角较小，水系相对不发育，崩落物进一步滑动的可能性较小；

3.本区只发现一条较大断层，地质构造相对较为简单；

4.未发现存在玄武岩特征，若后续钻孔实见，可根据资料进一步分析；

5.本次勘探未就茅口组灰岩溶洞发育情况进行评估，由于深部资料分辨率降低，深部资料不够准确，妄加推测可能会误导矿方，如果需要，以后可以补足；

6.资料图中标出了泥岩分布区（图中蓝色异常区），其分布也与相对富水区有关，但根据本资料和区域水文资料分析，本区水量不大，在保证一定的排水水平时，对煤矿安全不构成大的威胁（目前资料显示，本区构造相对简单，少有直接的导水通道）。

注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看