煤田水文地质调查中瞬变电磁法的应用探究
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[摘要]在煤田的开采过程中，坑道涌水是矿山财产和人身安全的一大威胁，煤田水文地质调查，是一项重要的煤田地质勘探工作的地质任务，瞬变电磁测深是煤田水文地质调查的主要方法。大部分的煤田水文地质调查任务水的问题，如富水性、含水和导水性。在煤田水文地质勘探中，使用瞬变电磁法来进行数据采集，数据处理，数据解释，查清了测区内富水区在三维空间上的分布情况和断层的导水性能，符合已知的水文地质资料，为煤矿的安全生产提供可靠的地质资料。
[关键词]瞬变电磁法 煤田 水文地质调查 富水性
[中图分类号] P345 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2014）-1-123-1
0引言
矿井突水是在煤矿生产中常见的灾害之一，严重威胁着煤炭生产的安全，有时会造成巨大的经济损失和人员伤亡，因此，摸清地质构造，特别是水文地质条件复杂矿井，是一种重要的煤矿安全生产要解决的问题。目前，许多应用方法应用在水文地质工作中，主要是电测深、可控源音频大地电磁法、EH-4、瞬变电磁法等。电测深等传统方法受地形和体积勘探效果限制，可控源音频大地电磁法复杂，EH-4和其他电磁方法较为影响数据处理。瞬变电磁法（TEM）是使用非接地线或接地源向地下发送的脉冲磁场，在下一次脉冲到来前，通过使用线框或者接地电极观测二次涡流场。利用电子计算技术，瞬变电磁仪系统噪声得到抑制、观测误差减少、并且在数据处理和反演计算方面有了很大的进步。目前在勘查金属矿产资源、煤矿、地下水、油矿、天然气田以及研究结构等诸多领域有广泛的应用。
1瞬变电磁法概述
1.1发展以及现状
上世纪50年代，苏联建立了瞬变电磁理论和现场施工技术，50？60年代，圆满完成了瞬变电磁法的一维正反演。80年代以来，欧洲和美国继续在瞬变电磁法2、3-D建模技术做了很多的计算和研究工作，但二，三维的问题仍然还不是很成熟。近年来，早期生产的单一方法使用的电磁仪器早已淘汰，瞬变电磁法仪器已趋向于具有集成化特点并且具备各种多功能的电测系统。
国内的瞬变电磁法的研究始于上个世纪80年代初，从长春地质学院，原地球化学研究所，中南大学等单位的地质和矿产资源部做了一些工作的理论，方法和现场测试仪。已经建立了较为完善的一维正、反演和方法技术的理论，并开发了一些工具。近年来，吉林大学已成功开发ATEM-II瞬变电磁仪，并于2003年研制成功瞬变电磁仪软件，并将其应用并探索在矿产勘探，大型挖掘潜在资源勘探，地下水调查，工程勘察和地下城市活动断层调查，矿井透水预测等领域。
1.2方法的基本原理
瞬变电磁法是利用电磁感应原理进行地下矿产预测的地球物理方法。是一种时域电磁测深方法，即采用接地电极或接地回路建立的在地下建立的一次脉冲磁场，在一次磁场间歇期间，接受感应的二次电场和磁场。在发射回线内发送一次脉冲电流，当电流被断开的时刻，表面将产生涡流电磁场，随着时间的延长诱导涡流电磁场向下和向外扩张。发送回路电流突然断开连接时，会激发存在于下半空间，在一定范围内的表面的感应涡流，并按照一定的规则衰减。然后，电流开始扩散到下半空间，感应电流在电流别断开后的任一末期时间里，呈现多个层壳的环形，涡流场会随着时间的延长，向下并向外扩展。
瞬变场的激发方式包括接地式和感应式两种，工作装置与频率测探基本上是相同的，不同的是输入的电流不是谐变电流而是阶跃电流。但是这种方法不仅能测量远区，也可以测量附近的区域。近场测量可避免旁侧的影响，提高对地层的分辨能力，因此它是一种有效的工作方法。
2.1观测区的概括
测量矿井属于中国北方石炭纪二叠纪煤田，该地区地势平坦。井田内含煤地层中具有较厚隔水层，而含水层较薄，并且石灰岩含水层中的含有发育很不均匀的岩溶裂隙，随着深度增加，这种趋势逐渐减弱，加上井田结构相对简单，因此钻孔直接暴露富水点的概率是很低的。钻取断层带时，没有冲洗液泄漏或明显的消耗。这表明，井田内断层带本身的含水性能较弱，导水性能较差。然而，在井田奥灰范围有明显的垂直分带现象，在浅煤层，岩溶断裂，富水性较强；随着奥陶纪灰岩埋深的增加，富水性变弱；但同时奥陶纪灰岩富水性也存在明显的异质性，深部存在丰富的水和强径流区。煤田范围内奥回富水性能很强，同时也有很高的静水压力，下组煤的开采受到严重威胁。含煤地层电阻率的差异相对较小，煤田水文地质勘探主要依据是，地层电阻率因含有水而降低，通过寻找相对低电阻率的异常来确定富水性在含煤层的分布情况。
2.2应用研究
PROTEM 67D6瞬变电磁勘探系统――由加拿大生产的瞬变勘探系统，在这次瞬变电磁勘探工作中发挥了主要的作用。工作中应用的各种设备，结合仪器的特点和勘探任务的要求，采用大定源回线工作装置。该方法是将地面大回线作为一个发射回线，回线范围设置接收循环观察。它具有勘探深度大、施工效率高、施工受建筑物的影响小、能够详细地划分异常等特点。此次工作选择了合适的操作参数和测量点布置。
瞬变电磁法观测各个测点的各个时窗（测道）的瞬态感应电压，被转换成视电阻率，视深度和其它参数。从-400m～- 420m的富水区分布图可以看出，南部和北部地区是不富水区，东部地区富水性较弱，在西部和西南有富水性高的地区，但主要集中在主、副井的周边区域。从整体上来看，浅部地层的富水性较深部地层的大。从总体上来说，富水性从-400m向- 420m有减弱的趋势，这有利于安排井底车场、开拓水平大巷。
3结语
瞬变电磁法探测深度比较大、施工方便、工作效率高并有良好的地质效果，能适应当前煤田水文地质勘探的要求。结果表明，利用瞬变电磁法反演的电阻率的分布情况与已知地质具有良好的对应关系，表明它可以反映实际地质情况。另外，我们也应该看到，瞬变电磁法的应用尚处于早期阶段。为了实现成熟地将这一方法应用在这一领域，仍然需要一个漫长的时间。这样就要求我们对其理论与数据处理作进一步的研究和改进，从而更好地满足为井水文地质勘探工作的需要。
参考文献
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[3] 杨彦成，郭君婷.煤田水文地质调查中电性源瞬变电磁法的应用[J].中国石油化工和标准与质量.2013（06）.