电法勘探在煤矿防治水中的应用

随着我国国民经济快速发展，对能源的需求日益增大。煤炭是我国目前主要能源之一，在煤矿生产和建设中，水害是影响煤矿安全生产和建设的重大灾害之一。特别是小窑采空区积水，构造及陷落柱导含水，对国营煤矿安全生产构成极大威胁，另外小窑无序开采，越界开采，造成民用建筑物裂缝等问题日益突出。查明小窑采空区的具体位置，确定构造及陷落柱的富水性，为煤矿井下开拓及安全生产提供地质依据。但以往的物探方法都不能很好地解决这个问题（如直流电测深法），井下物探又不能很好的开展工作，通过我们多年的工作经验及方法对比试验，认为解决上述问题，探测目地层埋深在m以浅采用瞬变电磁法为首选物探方法，探测目地层埋深超过m，采用可控源音频大地电磁法为首选物探方法。我们用这两种勘探方法在解决上述问题时取得了较好的地质效果。

1.1瞬变电磁法（TEM法）

瞬变电磁法（TEM法）属于时间域电磁感应法，它利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲场，在一次脉冲磁场间歇期间利用回线或电偶极接收二次场，该二次场是由地下良导地质体受激励引起的涡流所产生的非稳电磁场。根据二次场衰减曲线的特征，就可以判断地下地质体的电性、规模、产状等。由于该方法是纯二次场测量，故与普通电法勘探相比，具有对低阻地质体反映灵敏，纵横向分辨率高，勘探深度大，工作效率高等优势。

1.2可控源音频大地电磁法（CSAMT法）

可控源音频大地电磁法是以有限长接地导线为场源，在距偶极中心一定距离处同时观测电、磁场参数的一种电磁测深方法。根据电磁波的趋肤效应理论，导出了趋肤深度公式：

式中H代表探测深度，r代表电阻率，f代表频率。

从上式可见，当地表电阻率固定时，电磁波的传播深度（或探测深度）与频率成反比，高频时，探测深度浅，低频时，探测深度深。可以通过改变发射频率来改变探测深度，达到频率测深的目的。

2.1瞬变电磁法应用效果

近十多年来，瞬变电磁法在我国有色金属勘探

戈壁沙漠寻找地下水及找矿勘探等领域得到广泛应用，在煤矿防治水中也得到长足的发展。小窑采空区积水后及构造、陷落柱赋水其电阻率值比围岩的电阻率值明显降低，为瞬变电磁法勘探提供了良好的物性条件。我们利用瞬变电磁法，在探测小窑采空区、构造、陷落柱是否富水，预防煤矿水害方面，作了一定的尝试和探索，取得的地质成果得到了矿方的认可和好评。

2.1.1TEM法探测陷落柱实例

图1是采用瞬变电磁法在某煤矿已知含水陷落柱上测得的试验线断面图，做试验线的目的是为了分析解释邻区某工作面内断层、陷落柱的发育及导、含水情况。该测线共布设12个测点，剖面长度m，陷落柱范围内点距10m，范围外点距20m。该图横坐标为剖面长度（m），纵坐标为地层标高（m），图中数值为视电阻率值（Ω·m），细线为1#煤底板标高，粗线为奥灰顶面标高，图中横坐标70-m为陷落柱范围，即椭圆所圈异常Y1)，从视电阻率剖面图中可以看出，,70-m之间新生界下部及煤系地层视电阻率等值线出现明显扭曲下降，奥灰中也有一定反映，陷落柱的电性特征非常明显，与已知陷落柱位置、大小及特征非常吻合。该试验线的电性特征将为其邻区某工作面的分析解释提供物性解释依据。

2.1.2TEM法探测

小窑医院位于井田边界附近，其北部曾有多个小煤窑生产。由于小煤窑的无序乱采，医院地面、墙体出现大范围裂缝，房屋安全面临严重威胁，医院上级领导对此十分重视。为了采取安全措施，医院北部小窑采空区位置及范围。医院委托，医院附近小窑采空区赋存范围的电法勘探任务。我们使用瞬变电磁法进行勘探工作，采用同点装置的中心探头回线工作方式进行野外数据采集。通过精细资料处理、分析解释，圈定小窑采空区两处（图2），即图中椭圆圈定范围。小窑采空区的电性特征非常明显，与该处野外地面、墙体出现裂缝位置非常吻合，电法勘探成果得到甲方的高度评价。

2.2可控源音频大地电磁法应用效果

可控源音频大地电磁法是轻便快速的地球物理勘探方法，一次发射可完成七个点的频率测深，一次布极可完成几十个平方公里的面积测量，工作效率高，不受地形影响。可以实现电阻率的快速、自动采集，并可在现场进行数据实时监控，改变了电法勘探传统的工作模式，减轻了劳动强度，提高了资料采集的质量。同时采集的大量数据为高精度资料处理解释以及电阻率层析成像研究提供了前提。可控源音频大地电磁法具有如下的一些特点：①使用可控制的人工场源，信号强度比天然场要大得多，因此可在较强干扰区的城市及城郊开展工作。②测量参数为电场与磁场之比，得出的是卡尼亚电阻率。由于是比值测量，因此可减少外来的随机干扰，并减少地形的影响。③基于电磁波的趋肤深度原理，利用改变频率进行不同深度的电测深，大大提高了工作效率，减轻了劳动强度，一次发射，可同时完成七个点的电磁测深。④勘探深度范围大，一般可达1-2KM；⑤横向分辨率高，可灵敏地发现断层；⑥由于接收机在接收电场的同时还要接收磁场，因此高阻屏蔽作用小，可穿透高阻层。

2.2.1CSAMT法探测陷落柱实例

在省某煤矿三采区进行综合水文物探，该矿井设计生产能力万t/a，水文地质条件复杂。利用三维地震查明落差大于5m以上断层的产状及直径大于20m以上的陷落柱，电法勘探查明其富水性及奥灰顶面以下50m岩溶发育程度和富水性、导水通道，目地层埋深大于m。该区地处太行山东麓丘陵区，地表起伏不平，冲沟发育，区内还有几个较大村庄，给工程布置和野外施工带来极大困难。根据本区地质任务及复杂的水文地质条件、目的层埋藏深等特点，选用探测深度大的可控源音频大地电磁法进行电法勘探。通过本区勘探，可以说可控源音频大地电磁法与三维地震在该区进行综合水文物探实现了最佳科学组合。野外数据通过精细资料处理、分析解释，查明了各大煤层顶板及断层、陷落柱的富水、导水情况，如可控源音频大地电磁法圈定的陷落柱，即图3中椭圆所圈异常Y12，该异常位于地下多M深处，与三维地震解释成果吻合很好，经矿方验证，确实存在，给矿方提供了极有价值的水文地质资料，矿方在生产中提前采取了措施，避免了巨大的经济损失。

2.2.2CSAMT法探测断层实例

在山东省黄某煤矿进行综合水文物探，利用三维地震查明落差大于5m以上断层及直径大于20m以上的陷落柱，电法勘探查明其富水性及导水通道，目地层埋深大于m。根据本区地质任务及目的层埋藏深等特点，采用探测深度大的可控源音频大地电磁法进行电法勘探。如7线视电阻率断面

图（图4），图中椭圆所圈定的范围是该处断层破碎带的反映（断层破碎带为三维地震确定），视电阻率曲线出现明显向下扭曲变化，低阻异常明显且异常幅度较大，非常清晰地显示了该断层破碎带的电性特征，该断层为富导水断层。

3结束语

通过采用瞬变电磁法，可控源音频大地电磁法探测小窑采空区、构造及陷落柱导含水情况，使矿方逐渐认识了这两种勘探方法，认为这是目前解决小窑采空区、构造及陷落柱导含水行之有效的勘探方法，且投资小，施工简单，速度快，资料处理解释方便快捷，可以为煤矿井下开拓和安全生产，及时提供可靠的水文地质资料。这两种勘探方法对低阻地质体反映灵敏，纵横向分辨率高，在矿井水文地质勘查，金属矿体勘查，探测小窑采空区位置以及构造、陷落柱导含水勘查中是很有发展前景的物探手段，在国民经济快速发展的今天，将愈来愈发挥巨大的作用。

湖南省山水地质勘探设备有限公司

湖南省山水地质勘探设备有限公司是一家专业从事地质勘探设备系统研发、制造及销售的高新技术企业和软件企业。所研发新技术为特色的多功能天然电场物探仪，都已获得国家专利,目前产品主要应用在地质找水、地质找矿等领域。