浅部水文地质条件的瞬变电磁法勘查_张永超.pdf

地地质质与与勘勘测测 浅部水文地质条件的瞬变电磁法勘查 张永超1， 2 1. 煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013; 2. 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室 煤炭科学研究总院 ，北京 100013 ［ 摘 要］采用瞬变电磁法勘查矿井的浅部水文地质条件时，若无针对性的优化措施则难以取 得好的效果。以西北某煤矿的浅部水文地质条件勘查实践为例，详述如何优化施工参数和数据处理以 取得良好的效果 施工参数方面，应在满足探测深度的前提条件下选择较高的重复频率，线框大小则 应根据现场试验的关断时间和信噪比综合确定; 数据处理时，为避免晚期视电阻率造成的浅部地质信 息的失真或丢失，必须采用全程视电阻率。在上述优化的基础上，最终得到的物探结果与水文观测结 果基本吻合，证明了优化措施的有效性。 ［ 关键词］浅部水文地质条件; 瞬变电磁法; 优化; 全程视电阻率 ［ 中图分类号］ TD15; P631. 2［ 文献标识码］ A［ 文章编号］ 1006- 6225 201806- 0012- 04 Transient Electromagnetic Prospecting for Hydrogeological Condition in Shallow ZHANG Yong- chao1， 2 1. Safety Institute，China Coal Research Institute Co. ，Ltd. ，Beijing 100013，China; 2. State Key Laboratory of Coal Resource High Effective Mining ＆ Clean Utilization China Coal Research Institute ，Beijing 100013，China Abstract When using transient electromagnetic prospecting to explore hydrogeological condition in shallow，it is difficulty to achieved good results without some optimization measures． It taking one coal mine of northwest part as example，data processing and construction parameters optimization were illustrated specification. Higher repeated frequency should be selected as meet exploring depth on con- struction parameters． Wireframe size should be confirmed by turn off time and signal to noise ratio of field testing. In order to avoid geo- logical ination disappear in shallow of later period apparent resistivity，so all- time apparent resistivity should be selected，based on above，the final results of geophysical prospecting was basically identically to hydrometry results，so optimization measures was ef- fectively. Key words hydrogeological condition; transient electromagnetic prospecting; optimization; all- time apparent resistivity ［ 收稿日期］ 2018－06－20［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11－3677/td. 2018. 06. 003 ［ 基金项目］ 国家科技重大专项 2016ZX05045001－004 ; 国家自然科学基金青年科学基金 51704162 ［ 作者简介］ 张永超 1983－ ，男，河南焦作人，助理研究员，主要从事电磁法正反演研究及应用。 ［ 引用格式］ 张永超 . 浅部水文地质条件的瞬变电磁法勘查 ［J］． 煤矿开采，2018，23 6 12－15. 在我国西北地区有众多煤矿均开采浅埋煤层， 查明浅部的水文地质条件对这些煤矿的防治水工作 有重要意义。水文地质勘查采用钻探、物探点面结 合的方式可以达到准确性和经济性的平衡。目前常 用的水文物探方法有高密度电法、瞬变电磁法、音 频大地电磁法、可控源音频大地电磁法、核磁共振 法、三维地震法等，其中瞬变电磁法具有地形适应 性好、探测深度范围大、对含水体敏感等优点，成 为水文物探中最常用的一种方法。本文以鄂尔多斯 市伊旗某煤矿为例，详述采用瞬变电磁法勘查浅部 水文地质条件时，如何在施工参数设置和数据处理 时采用有针对性的优化以取得良好的效果。 1原理简介 瞬变电磁法 简称 TEM利用一个不接地的 回线源 也可以用接地线源向地下发射阶跃电 流作为激发场源，根据法拉第电磁感应定律，大地 在阶跃电流的作用下，内部会产生感生的涡流 见图 1 。电流关断后激发的新磁场 称为 “二 次场”可以等效为一系列水平圆环状线电流形 成的磁场，这些电流环可看作以一定角度从发射回 线向下、向外扩散的 “烟圈” 。 均匀半空间条件下，“烟圈”将沿以线圈中心 为顶点、底角为 47的倾斜锥面向地层深部扩散， “烟圈”沿倾斜锥面其向下传播的速度为 v 2 ρ π μ0t 槡 1 式中，v 为传播速度; μ0为真空磁导率; t 为衰减时 间; ρ 为电阻率。 可见感应涡流场的扩散速度与地层介质的导电 21 第 23 卷 第 6 期 总第 145 期 2018 年 12 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 23No. 6 Series No. 145 December2018 ChaoXing 图 1瞬变电磁法原理示意 性密切相关，区域地层的导电性越好则二次场的扩 散和衰减越慢，反之则越快。线圈不同时刻接收的 信号来自于不同深度，早期信号主要反映浅部地电 信息，晚期信号主要反映深部地电信息。 均匀半空间条件下，中心回线装置的瞬变电磁 响应 d Bz dt 和Bz如下 d Bz dt － 3 u0 2rt Φ u u2 － 2 π 槡 1 u u 3 e －u 2 2 [] 2 Bz 3u0 2r 1 3 － 1 u2 Φ u － 2 π 槡 e －u 2 2 u [] 3 式中， u0为真空磁导率; r 为发射线框半径; Φ u 为误差函数，表达式如下 u u 槡0r 2ρ 槡 t 4 Φ u 2 π 槡∫ u 0 e －x 2 2dx 5 当满足晚期条件 u→0时，公式 2 、 3可近似为 d Bz dt － u0 5 2 r2 20槡π ρ 3 2 t 5 2 6 Bz u0 5 2 r2 30槡π ρ 3 2 t 3 2 7 由公式 6和 7可见，相同时刻地下电 阻率越低，地面接收的二次场信号就越强。根据信 号强度及时间早晚，即可推断地下介质由浅至深的 分布情况。 2测区概况 煤矿开采区域原为湖区 现已干涸 ，主采侏 罗系中下统延安组的4－2 煤，煤层厚度约为3. 7m， 埋深约 80～120m。测区由地表至煤层主要的含隔 水层有 第四系松散层潜水含水层 富水性弱～中 等 、侏罗系中统碎屑岩类承压水含水层 富水性 弱 、侏罗系中下统延安组顶部隔水层 主要为泥 岩，局部缺失 、侏罗系中下统延安组碎屑岩类承 压水含水层 富水性弱 。其中第四系含水是该矿 的主要充水源，但受地形、厚度等因素的影响，其 富水性相差较大，为更有针对性地进行防治水工 作，在开采前采用瞬变电磁法探测煤层上覆岩层的 富水性。 根据测井曲线，地层电性条件由浅至深依次表 现为 1第四系地层，电阻率约 25Ωm，整体呈 低～中阻特征。 24－2 煤层上部的侏罗系地层，岩性多以 砂岩为主，夹泥岩，根据岩性和砂岩粒度的不同， 电阻率约 30～65 Ωm，整体呈中阻特征。 34－2 煤层则属导电性较差的高阻层，电 阻率大于 150Ωm。 44－2 煤层底板岩性多以泥岩为主，夹砂 岩，其电阻率约 20Ωm，整体呈低阻特征。 整体上，勘查区由浅至深的电性呈 “中 低 阻～高阻～低阻”的 “K 型”特征。 3施工参数 由于测区主要的含水层为浅表的第四系地层， 因此施工参数必须针对浅部做一定的优化。 1时间序列时间序列主要由重复频率决 定，重复频率越高，观测时间的起始值越靠近零 点，但时间范围越窄，这样虽然对浅表会有较好的 反映，但很可能达不到探测深度的要求，因此重复 频率应选择满足探测深度要求的最高频率。本次最 大勘探深度应大于 120m，测区地层的电阻率最低 约为 20Ωm，按 地面磁性源瞬变电磁法技术规 程 DZ/T 0187－2016中最大时窗估算公式为 t H2 784ρ 6 式中，t 为电流关断后延时，ms;H 为最大勘探深 度，m。 电流关断后延时 0. 92ms 方可满足勘探深度要 求，根据仪器特性，本次施工选择的重复频率为 25Hz，其最大延时约为 7ms。 2线框大小线框大小会影响最大探测深 度和浅部盲区，小线框关断时间短、盲区小，但有 效探测深度浅，大线框则反之。根据本次探测的最 大深度，设计了 120m、240m 两种边长的线框，它 们在无干扰地区的原始数据曲线对比见图 2。仪器 31 张永超 浅部水文地质条件的瞬变电磁法勘查2018 年第 6 期 ChaoXing 记录的两者的关断时间相差不大 120m 为 25μs， 240m 为 32μs ，曲线也都比较圆滑，但 240m 线框 整体上信号强度更大、抗干扰能力更强，因此线框 边长选择 240m。 图 2不同线框的感应电压时间曲线对比 4数据处理 以测区 2 个典型的测点为例，说明瞬变电磁法 探测浅部水文地质条件时数据处理的优化措施。图 3 为 2 个典型测点的原始数据曲线，在早期，测点 1 的感应电压衰减速度明显要慢于测点 2，根据该 特征结合地质资料可推断测点 1 处的浅部第四系地 层的富水性强于测点 2，晚期两者则基本重合，表 明在深部两者的电阻率则趋于一致。 图 3典型测点的感应电压时间曲线对比 数据处理可分为滤波、视电阻率计算、反演等 步骤，其中将原始的感应电压数据转换为视电阻率 是至关重要的一步。按公式 6或 7计算的 电阻率称为晚期视电阻率，按公式 2或 3 计算的电阻率则称为全程视电阻率。图 4 为 2 个测 点分别按 6式和 3式求取的晚期和全程视 电阻率，在观测的早期 t＜0. 0001s ，2 个测点的 晚期视电阻率曲线急剧升高并趋于重合，并不能很 好地反映浅部真实的水文地质情况，这种现象是该 时间段的数据并不满足晚期条件造成的; 而全程视 电阻率则无上述现象，在观测的早期，测点 1 的视 电阻率明显低于测点 2，晚期 2 个测点的视电阻率 基本重合，与原始数据反映的地质情况基本吻合。 由上述分析可见 与常用的晚期视电阻率相比，全 程视电阻率具有时间适用范围大、更能反映真实地 质情况的优点。由上述分析可见，与勘查深度较大 时不同，浅部水文地质条件勘查时，数据处理必须 采用全程而非晚期视电阻率，否则会造成浅部地质 信息的失真。 图 4全程、晚期视电阻率时间曲线对比 5勘查成果及验证 采用全程视电阻率反演后得到的典型视电阻率 断面如图 5 所示。 图 5测区典型视电阻率断面 图 5 中的灰色虚线表示 4－2 煤的底板，由图 可见，纵向上由浅至深的 “K 型”地电断面特征 表现得十分明显，与该区实际地电结构吻合。在地 表以下约 0～40m 左右有一北高南低、横向连续性 非常好的低阻层，其视电阻率低于 15Ω m，根据 地质资料，推断为第四系地层富水的反映，同时富 水层北段的视电阻率最低约为 6Ωm，南段的视 电阻率最低约为 10Ωm，表明北段的第四系地层 富水性强于南段。由 4－2 煤煤层底板至第四系富 水层之间的电阻率约为 20～120Ωm，显著高于浅 41 总第 145 期煤矿开采2018 年第 6 期 ChaoXing 部地层，表明该范围内的侏罗系地层 煤层顶板 的富水性要显著弱于第四系地层，同时该层位视电 阻率等值线垂向变化规律，横向均一性较好的特征 则表明煤层顶板内存在局部富水性较强区域的可能 性较小。 为验证物探结果，在上述测线的 1400 点偏东 17m 处和2640 点偏东北2m 处各施工1 个水文观测 钻孔 分别简称孔1、孔2 。孔1 处的地下水位埋 深 15. 7m，第四系地层单位涌水量 0. 1263L/ s m ，煤层上部的侏罗系地层单位涌水量 0. 0039L/ sm ; 孔 2 处的地下水位埋深 5. 9m，第四系地 层单位涌水量 0. 5084L/ sm ，煤层上部的侏 罗系地层单位涌水量 0. 0053L/ sm 。水文观 测结果与物探结果基本吻合。 6结论 采用瞬变电磁法勘查矿井的浅部水文地质条件 时，施工参数和数据处理应有针对性地进行优化才 能取得好的效果，具体措施如下 1施工参数应针对浅部进行优化，在满足 探测深度的前提条件下选择较高的重复频率，线框 大小则应根据现场试验的关断时间和信噪比综合确 定。 2数据处理时，常用的晚期视电阻率会造 成浅部地质信息的失真或丢失，因此必须采用时间 适用范围大、更能反映真实地质情况的全程视电阻 率。 3根据物探结果，测区北部的地下水位和 第四系富水性都高于南部，4－2 煤层上部的侏罗系 地层富水性要显著弱于第四系地层，且存在局部富 水性较强区域的可能性较小，水文观测结果与其基 本吻合，有力地证明了优化措施的有效性。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 陈松，余绍文，刘怀庆，等 . 高密度电法在水文地质调查 中的应用研究 以江平圩幅为例 ［J］． 地球物理学进展， 2017，32 2 849－855. ［ 2］ 张永超，贾新果，陈凯 . 瞬变电磁法探测超高水材料注浆 治理采空区效果 ［J］． 煤炭科学技术，2017，45 3 174－ 178，100. ［ 3］ 于向前，赵义平，王明新，等 . 音频大地电磁法与核磁共振 法结合划分含水层的试验 ［J］． 吉林大学学报 地球科学 版 ，2014，44 1 350－358. ［ 4］ 张晋 . 可控源音频大地电磁法在河南省卢氏县水文地质构 造调查中应用 ［D］． 长春 吉林大学，2014. ［ 5］ 张克聪，张永超，李宏杰，等 . 高分辨率 CSAMT 探测浅埋煤 层采空区应用研究 ［J］． 中国煤炭，2016，42 7 24－28， 34. ［ 6］ 郭恒，王鹏，张振勇 . 综合物探技术在煤矿地质水文勘 探中的应用 ［J］． 煤矿开采，2018，23 2 18－21，64. ［ 7］ 朴化荣 . 电磁测深法原理 ［M］． 北京 地质出版社，1990. ［ 8］ Raiche A P，Spies B R. 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