瞬变电磁法在矿山水文地质勘查及类型划分中应用研究

司炳新

（伊春市自然资源局，黑龙江 伊春 153000）

随着我国矿山开采工作的不断深入，不可避免会遇到各类环境问题。从现阶段我国矿井开采状况上可以看出，因为部分矿区矿层结构较为复杂，尤其是水文环境对矿区开采工作产生极大影响。负责开采的相关工作人员必须采用具体、有效的措施，对当前矿山水文地质情况进行信息勘查和类型划分，为矿山矿井开采，提供良好的空间环境。

目前，我国相关部门在矿山水文地质勘查中，所使用的最有效的勘查方法就是瞬变电磁法。瞬变电磁法又被称之为时间域电磁法，是近年来国内法地质勘查领域，勘查效果较好的一种新型探测方法，可以作为电磁勘探的一项重要分支，甚至在国际上，有言论称其为电法的新一次革命性发展。瞬变电磁法主要是利用一种不接地的电网回线进行磁场发射，在间歇期利用另一组回线进行感应磁场接收。因为接收到的电磁场是由地下优秀导体受到外界刺激的电流所产生的不稳定性磁场，所以与其他探测方法相比，其探测深度更大，提取到的信息也会更加丰富。近几年来，该方法得到了长足发展，特别是针对具有良性导体的地质，其探测效果更为明显，取得了令人瞩目的应用效果。综合来看，瞬变电磁法作为一种新型勘测方法，虽然具有较大应用范围，但主要应用于矿山水文地质勘查和矿山水文划分中。实际应用详细分析如下[1]。

1 瞬变电磁法在矿山水文地质勘查中的应用

图1 瞬变电磁法工作图

瞬变电磁法在矿山水文地质勘查中具有广泛的应用，与其重要的勘测原理具有密切关系。

根据磁场发射的性质，可以将瞬变电磁法划分为连续谐变和阶跃谐变两种，测量装置主要包括发射器、电磁感应器和接收器三大部分。当发射回线电流以后，根据电磁感应理论，电流变化会产生广阔磁场。磁场在传播过程中，又会在内部形成感应电流，这种电流被称为二次电质电流，包含了地质关系相关信息，原理示意图如图1所示[2]。

在矿山水文地质勘查中，利用瞬变电磁法的电磁场原理，可以进行有效的水文地质勘查，其主要应用以下几个方面[3]。

1.1 地质含水层勘测

含水层是矿山开采工作最严重的威胁之一。通过瞬变电磁法可以提前对矿山水文地质进行勘测，因为具有明显低阻含水敏感性、定向性强大、分辨率高的特征，可以进行高速、高效率的地质含水层勘测。在一般情况下，需要对当前矿山矿区的矿层进行开发划分，并定位首要开采区域，集中性分析。

一般情况下，对开采工作威胁最大的地质含水层是底板承压水层。这种含水层一般是由多个小含水层组合而成。当周围矿区的地质裂隙发育不完全时，底板承压含水层会逐渐转化为富水性较弱的非均质裂隙承压含水层。

此时，其所包含的小含水层之间会通过杂色黏土岩隔离，如果其厚度小于800m，就会随着裂隙发育，再次转化为强含水层，这些含水层会对后续勘测产生极大威胁。

应用瞬变电磁法进行地质含水层勘探时，首先，使用电磁仪进行电磁项圈布线。一般情况下，线圈边长为2米乘2米的多扎矩形，回扎数为64个。线圈直径为0.6米。在实际探测时，工作人员需要合理调配电圈通电和断电的时间，确认增参数，并在实际测量时，保证电圈工作面顺槽和切点停电的数据质量。应用瞬变电磁法进行矿山含水层地质勘查是，探测间距需要小于200米，探测点间距需要小于10米，并且可以在适当的断层区段内，加密数据点。表层探测完毕后，进行矿区巷道底板探测，如图2所示。

当矿区开采巷道的正下方底板具有一定范围内的分布电阻时，可以将瞬变电磁的发射线框和电磁接收线框以水平的角度进行巷道放置。当探测巷道下方底板没有固定分布电阻时，可以将发射线框和接收线框以45度倾斜角的位置进行防止，然后根据电阻率实际分布情况，进行含水性勘测。勘测完毕后，可以选择水量较小的含水区进行打孔验证，如果对开采影响较小或者含水层过大，则不需要打孔验证[4]。

图2 巷道探测示意图

1.2 地质采空区勘测

矿山水文地质的采空区，一般位于井下矿区巷道的下部。其外部勾走一般为石炭系太原组灰岩岩溶裂隙。与含水层类似，采空区内部同样可能含有大量的积水。但是与之不同的是，采空区大多为整体性孔洞，数量单一但容积大。整体走向为上下，缺乏含水层所包含的标准性规律。

一般情况下，采空区在矿山开采过程中，带来大面积坍塌和洼陷的情况，对矿山开采工人的生命安全，具有极大威胁性。应用瞬变电磁法，可以对水文地质中的采空区进行预测，帮助开采人员规避大面积采空区。

在实际勘测中，瞬变电磁法通过不接地的线圈回线，或者接地电源，将电流向矿区地质岩体集中发射电磁场。在发射间歇期间，根据电磁线圈和接地电极的观测介质，生成电流感应旋涡流场。

通过流场的实际地下介质电阻率，分析当前矿区水文地质构造的情况和地下倒水信息。其优势在于，即便切断电源以后，岩体中的感应电流也可以根据时间的增长，通过衰减性热损耗形成二次感应涡流场，观测地下介质信号。在实际水文地质勘测前，需要将矿区的挖掘机向前掘进至少20米左右，确保前期工作环境安全，检测磁变仪器状态是否良好，其检测中心应该倾向于防爆口检测。利用地下管输装置，对字头积水进行排空，除了必要的电磁检测装置以外，其他电源点线需要完全切断电源，然后进行瞬变电磁法勘测[5]。

勘测方向一般设置为勘测区斜巷10°和20°、纵向0°和-10°四个方向。没法探测方向需要设置至少14个，一共56个探测物理点。

电磁波叠加次数设置为32次，测线距离设置为4条，需要严格按照规定布线，保证电磁数据质量。如果探测结果显示，显示无明显的低电阻区，则认定该探测区域存在大面积采空区的可能性较小。

当发现当前采空区出现10m～50m左右的低阻异常区时，则基本可以认定当前区域存在低阻异常区。此时需要设计并施工至少6个钻孔，按照顺层和底层方向分别凿设3个钻孔。地测人员需要实时采集钻孔中的水质数据，并第一时间对积水进行化验。

瞬变电磁法对地质低阻有良好的相应特征，所以在对矿山水文地质勘测中，可以更准确的确定覆采空区的实际位置。再利用钻孔对其进行精确验证，取得较为良好的应用效果。瞬变电磁法具有低阻反应敏感、方向性强、体积效应小、施工准确度高等多方面优势，是现代水文地质勘测中，勘测地下采空区的重要手段。

1.3 地质突水性勘测

突水性是矿山水文地质勘测领域，对当前地质水流畸变现象发生概率的综述，是当前水文环境一项重要的安全参数。矿山突水的危险性较高，且受当前矿山地质和水文地质以及开采因素等多方面影响。

掌握地质整体富水性，是勘测并确定当前地质突水性的前提。采用瞬变电磁法，可以勘测矿山水文地质富水性情况，进而结合观测指标，确定当前矿山地质的突水性。

在地质突水性勘测中，瞬变电磁法布线应该以水平方向、斜上和斜下45度两个方向进行探测，探测目标为当前矿山水文地质的派生断层，且需要采用不同的共面轴进行偶级对调。一般情况下，突水性地质均含有奥陶系含水特征，更容易出现陷落突水情况。

在电特性表达上，区别于正常的低压电阻率，具有突水性特征的地质因为内部结构极为松散，且岩石破碎程度较高，出现持续高电阻情况。

瞬变电磁法在进行矿山水文地质勘查中，进行电磁波传输时，如果探测到当前地质陷落柱构造异常，且对电磁波能量吸收具有较大差异，其电磁率较低的岩石，会出现较强的吸附作用，进而产生断裂构造截面，对电磁波进行折射和反射。因此在布线时，需要在不同地质层添加电性不同的良导体，根据采集数据利用层析成像的方法，即可进行处理，可以较为直观地反映出工作面内异常成分分布[6]。

2 瞬变电磁法在矿山水文地质类型划分中的应用

瞬变电磁法在矿山水文地质勘测时，主要是通过电磁发送和接受时的电阻分析，实现当前地质勘测。在这一过程中，通过电阻率和水体类型，可以对当前水文地质类型进行系统划分。划分依据一般有以下两点：一是当前矿山水文地质的充水特征；二是当前矿山水文地质条件的复杂程度。根据不同的划分依据，进行不同标准的地质类型划分。

2.1 矿山充水特征划分

利用瞬变电磁法，以当前矿山地质充水特征，进行地质类型划分时，可以分为以下6种：第一种是岩溶型地质，相关工作人员在对该地质矿山进行开采时，根据瞬变电磁法特征分析结构可以肯定，其所包含的水质一般为熔岩水。而受到熔岩水影响的矿山称之为熔岩性矿山；第二种是孔隙型地质，孔隙性的矿山水文地质表面，会存在大量的矿山孔隙。孔隙中存在大型水孔气泡，会体现在电磁数据中；第三种为老空水型。老空水型一般为不规律的矿山坑组成的水文地质，会严重影响后续开采；第四种为裂隙型矿山。如果当前矿山水文地质存在大量裂隙，内部水体会对其不断冲刷，出现大量缓坡，影响矿山开采；第五种地表型，通过瞬变电磁法接收到的瞬时电阻信息，可以确定地下水文下渗现象，如果该现象具有较大面积，则表明当前矿山水文地质为地表型水文地质；第六种为混合型。此类矿山地质较为复杂，其整体表现特征为多方向特征，内部结构混乱，不适合大面积开采。

2.2 矿山水文地质复杂程度划分

矿山水文地质复杂程度，是当前水位地质类型划分最广泛的划分标准之一。瞬变电磁法可以通过各类电阻报告数据，进行多样化分析，根据分析结果确定当前水文地质的综合复杂程度。根据这一标准，一般情况下，矿山水文地质的划分可以分为以下四种类型：第一种是简单型地质。这种地质无论是水文条件还是综合开采条件，均没有较大的特征，属于单纯性地质，复杂性较小。相关工作人员可以进行常规的矿山开采，安全性较高；第二种是中等型地质。

对于中等性地质来说，其水文条件存在部分复杂区域，例如存在老空水或者大面积孔隙等等。但是复杂区域较小或者类型单一，勘查工作较为简单。

利用瞬变电磁法进行地址勘查时，可以根据电阻范围进行规模确认；第三种是复杂型地质。这类矿山水文地质构造已经十分复杂，内部充水量较多，充水类型多样，整体勘查定位工作较难。无法对其进行有效的范围勘测，开采时具有较大危险性；第四种为极复杂型。此类矿山中存在大量的积水环境，含水层极为复杂，危险性极高，容易出现大面积漏水、渗水、爆井、垮塌等现象。

3 结语

总而言之，矿山水文地质勘查和类型高准确的划分，对当下矿山开采工作具有重要意义。而瞬变电磁法独有的各项优势，在上述两项工作中具有重要作用，必须给予高度关注。尤其是在地下水文条件勘测中，工作人员通过加强前期勘查，制定完善的勘查策略，保证勘查的可靠性。加强矿山水文地质勘查可以保证项目施工的安全性和稳固性，为我国地质开发和研究提供有效帮助。