摘要：矿区采空区的存在对矿区的生产，人民生命财产和工程建设造成极大的安全隐患。若采空区或采空塌陷区沟通导水通道，将极大威胁矿井井下采掘工作安全，极易发生人员伤亡和资源、设备损失事故，因此矿区采空区水文地质勘探对矿区生产、建设有十分重要的意义。瞬变电磁法对低阻良导体反应灵敏，技术设备相对成熟，是常用的矿区水文地质勘探方法之一。本文通过介绍瞬变电磁法的基本原理、仪器、数据采集、处理与解释，勘探矿区井田采空区或采空塌陷区的水文地质情况，探讨瞬变电磁法在矿区采空区水文地质勘探中的实际应用。

　　关键词：瞬变电磁法；采空区；水文地质勘探

　　矿区采空区是矿区地下矿产资源被采集后形成的空洞，这些空洞使原地层应力平衡遭到破坏，造成局部应力集中。采空区顶板在上覆岩层压力作用下，发生变形、断裂、冒落，坍塌后形成采空塌陷区。由于地表塌陷下沉，或是塌陷区积水造成人工湖，常导致房屋损毁，铁路、公路，水利等设施遭到破坏。采空区或采空塌陷区会在其周围区域形成大量裂隙，增加了导水通道，极易诱发矿井透水事故，对矿区建设、生产造成极大安全隐患。矿区井田位于山西省长治市襄垣县下良镇、王村镇一带。井田北部、东部、南部以及西南部存在较多兼并重组、整合后矿井，有的矿井越界开采，形成不明采空区。当开采采空区下部矿产资源时，若采空区或采空塌陷区积水渗漏，会对下部采掘工作面人员、设备安全造成极大威胁。查明矿区采空区及水文地质情况，在矿区生产建设中具有举足轻重的作用。利用瞬变电磁法对井田进行含水层富水性区域的划分，结合水文钻探资料，全面了解井田水文地质条件，探查井田内采空区或采空塌陷区及其富水性情况，指导矿井安全生产。

　　1瞬变电磁法基本原理

　　瞬变电磁法(简称：TEM法)是以地壳中岩石、矿石的导电性、导磁性和介电性为主要物性基础，根据电磁感应原理，利用不接地回线或接地电极向地下发送脉冲式一次电磁场，用线圈或接地电极观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场的空间和时间分布，从而来解决有关地质问题的时间域电磁法。

　　该方法是纯二次场测量，基于时间和空间的可分性，该方法有穿透低阻覆盖层的能力，探测深度大；在高阻围岩地区不会产生地形起伏影响的假异常；线圈定位要求相对不严格，测地工作效率高；与测深工作同时完成，提供了更多有用信息，减少了地质解释多解性等特点。

　　2地质概况及地球物理特征

　　2.1地层

　　井田位于沁水煤田东缘，位于太行山西麓，长治盆地中部，地貌特征属低山丘陵区，黄土残塬~沟壑地貌，黄土沟壑深切。总体地形南部和北部高，中部的史水河谷低，井田最高点位于矿区南部边缘，最低点位于史水河河谷，最大相对高差114.0m，当地最低侵蚀基准面为922m。

　　井田地表大部分区域被第四系黄土层所覆盖，仅位于井田北部的沟壑、冲沟等低洼冲蚀区出露有二叠系上统上石盒子组(P2x)、下统下石盒子组(P1x)、山西组(P1s)等地层，在中部及南部呈带状出露有二叠系上石盒子组及下石盒子组地层。本井田地层由老到新简述如下。

　　(1)奥陶系中统峰峰组(O2f)。本组地层为奥陶系中统残留地层的顶板，下伏于本溪组之下，是山西地区煤系地层的基底。本组地层厚150m左右，中、上部为灰—深灰色中厚层状石灰岩，下部为灰—深灰色泥灰岩夹石膏层，底部为角砾状泥灰岩。

　　(2)石炭系中统本溪组(C2b)。为奥陶系中统峰峰组之上覆岩层，两者为平行不整合接触。本组地层厚约4m~31.17m，平均厚约10.0m。下部为紫红色的、褐红色的铁矿层，称为山西式铁矿，是褐铁矿；中部或中上部为灰色或青灰色的铝土质泥岩或铝土矿；上部为灰白色薄层状的黏土层。

　　(3)石炭系上统太原组(C3t)。为本溪组地层之上覆岩层，两者为平行整合。本组地层厚约82.70m~141.45m，平均厚约119.90m。底部砂岩K1，浅灰色、中细粒与本溪组整合接触；顶部与山西组K7砂岩整合接触。主要岩性为砂岩、粉砂岩、泥岩、灰岩和6层~8层煤层。

　　(4)二叠系下统山西组(P1s)。为太原组地层之上覆岩层，两者为平行整合。本组地层厚约48.33m~71.85m，平均厚约58.81m。下部为K7砂岩，顶部为K8砂岩。岩性主要为深灰色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、砂岩及煤层。

　　(5)二叠系下统下石盒子组(P1x)。为山西组地层之上覆岩层，两者为平行整合。本组地层厚约43.30m~85.10m，平均厚约61.10m。下部主要为浅灰、浅灰绿色砂岩、粉砂岩、砂质泥岩以及泥岩，上部为灰绿夹紫红色砂质泥岩。

　　(6)二叠系上统上石盒子组(P2s)。由K9砂岩底部至K12砂岩底部，通常按岩性分为下、中、上三段，本井田仅出露下段地层。为下石盒子组地层之上覆岩层，两者为平行整合，厚度约为180.60m~373.90m，平均厚度约323.80m。

　　(7)第四系(Q2+3)。井田内第四系地层为中、上更新统(Q2+3)地层。史水河床为全新统地层。下部为离石黄土，黄红色粉砂质粘土；上部为马兰黄土。厚约0m~30m，多在10m左右。

　　2.2含水地层

　　井田内主要含水层有松散岩类孔隙含水层、碎屑岩类裂隙含水岩碳酸盐岩类含水岩组、碎屑岩夹碳酸盐岩含水岩组。

　　(1)第四系松散岩孔隙含水层.井田内第四系松散沉积物含水层分布较少，主要为沿少数较大沟谷底部分布的全新统及上更新统砂、砾石层与亚砂土层，厚度变化较大，一般在0~20m之间，中更新统及坡梁地带的上更新统地层一般为透水不含水层或微弱含水层。

　　(2)基岩风化带裂隙含水层。据邻区钻孔资料，承压水头高于地表+3.00，水位标高+883.85；单位涌水量q值为0.58l/s·m，渗透系数K值为4.56m/d，属于承压中等富水性含水层。

　　(3)二叠系下统下石盒子组砂岩裂隙含水层。下石盒子组K8砂岩厚度0.70m~18.25m，一般4.15m。岩性以中-细粒砂岩为主，富水性视裂隙发育程度而不同，据钻孔混合抽水试验，涌水量较小。属于弱富水性的承压含水层。

　　(4)二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层。山西组3号煤层上部砂岩层厚度1.72m~15.33m，一般6.68m，岩芯裂隙不发育，仅局部见有开口型细裂隙。岩性为中-细粒砂岩。据两钻孔抽水试验资料，单位涌水量q值分别为0.0287l/s·m、0.005l/s·m，渗透系数K值分别为0.269m/d、0.067m/d；水位埋深为62.45m、69.34m，水位标高为845.64m及909.71m，属于承压弱富水性含水层。

　　山西组K7砂岩层，岩性为中-细粒砂岩层，厚度0.3m~13.37m，一般3.05m。距上部3号煤层为0.60m~22.38m，一般12.83m。富水性视裂隙发育程度而有差异性。据钻孔抽水试验，单位涌水量q值为0.005l/s·m，渗透系数K值为0.067m/d，水位标高909.71m。属于承压弱富水性含水层。

　　(5)石炭系上统太原组灰岩、砂岩岩溶裂隙含水层。含水层为以灰岩为主，砂岩次之，K2灰岩厚度2.5m~12.35m，一般7.23m，系14、15号煤层的顶板；K3灰岩厚一般为2.30m局部地段缺失；K4灰岩一般厚3.55m；K5灰岩一般厚1.56m。各层灰岩及砂岩间夹厚度不等的泥岩类隔水层，将各含水层分隔成层状分布且近似独立的含水体，其富水性具有很不均匀的特点。据钻孔抽水试验资料，单位涌水量q值均为0.004l/s·m，渗透系数K值分别为0.005m/d和0.016m/d，水位埋深分别为89.50m和150.41m；水位标高为818.59m及820.24m，属于承压弱富水性含水层。

　　(6)奥陶系中统灰岩岩溶含水层。井田内奥陶系中统灰岩岩溶裂隙含水层埋深较大，主要接受区域奥灰岩溶水的侧向补给。据区域水文地质资料，奥陶系顶部灰岩富水性弱。上马家沟组中、下部含水层的主要含水段岩溶裂隙较发育，富水性较强。

　　2.3隔水层

　　主要隔水层为石炭系太原组、二叠系灰岩、砂岩含水层层间泥岩隔水层和第四系粘性土隔水层。

　　3采空区地球物理特征

　　矿产资源被采空后，短期内形成一定规模的充气空间，造成采空区所在地层区域电性与围岩电性存在差异。当形成采空塌陷区后，塌陷区内部压力明显小于围岩内部压力，这个过程通常会形成大量裂隙，水便沿着这些通道向采空塌陷区内富集，并溶解大量电解质，因此充水采空塌陷区具有低阻高极化率的电性特征。采空区内存在岩体介质与空气或岩体介质与水的界面和致密岩体与松散岩体的接触界面两个界面，他们都存在明显的电磁性差异。

　　岩石的含水性是影响其电阻率的主要因素。正常情况下，在横向上同一套沉积地层的电性特征是均一的或变化不大。而采空区或采空塌陷区存在，及其含水性的不同等现象将打破水平方向电性均一性，故横向视电阻率的变化可反映采空区及其含水性的变化。当其在三维空间上具有一定规模时可改变纵向电性的变化规律，表现为局部的、区域性的电性异常。

　　这些电磁性差异、异常是开展瞬变电磁法的基础，找出并研究这些电磁性差异、异常，即可圈出采空区的范围，并勘探采空区的富水性。

　　井田内二叠系上石盒子组上部地层以泥岩和沙质泥岩为主，视电阻率呈现相对低阻。上石盒子组下部地层视电阻率为中低阻，下石盒子组、山西组地层表现为低视电阻；石炭系和奥陶系地层表现为高视电阻率。因此，整套地层视电阻率在纵向上表现为高~低~中~高的特征，为HA型。

　　井田地层视电阻率参考值以地层由老至新具体为：①奥陶系地层，为深灰色厚层状石灰岩，视电阻率值约180Ω·m~1500Ω·m。②石炭系地层，为灰岩、砂岩、泥岩及煤层，视电阻率值约40Ω·m~90Ω·m。③二叠系地层，砂质泥岩、砂岩、泥岩及煤层，视电阻率值约15Ω·m~60Ω·m。④第四系为泥沙、砾石等混合物和中上更新统黄土层，视电阻率值约10Ω·m~15Ω·m。

　　4数据采集4.1施工设备

　　本次工作使用加拿大凤凰公司生产的V8电法工作站系统。此系统利用GPS卫星达到时钟同步，避免时间不同步对数据采集可靠性产生的不利影响。

　　4.2施工装置及施工方法

　　根据井田的地质概况和地球物理特征以及勘探目的层深度，采用大定源回线，移动接收线圈组合。这种装置布线灵活，不受勘探区地表地形影响，因此工作效率高，成本低。施工前通过试验，确定施工采集参数为：发射极距边长420m×420m，发送基频8.33Hz，发射增益G×4，发送电流12A。在井田测区内铺设420m×420m的大发射回线，固定其位置不动，用一小的接收线圈沿垂直回线一边的测线每次移动20m的点距进行观测。接收线圈是一个小的多匝探头，除观测场的垂直(Z)分量外，还可以观测场的水平(X和Y)分量。

　　5数据处理

　　对采集的数据进行整理或初步处理，剔除畸变数据，绘制各测点的衰减曲线和各测线剖面曲线。通过数据滤波(三点滤波)、曲线反演拟合、光滑等处理手段，得到各测线视电阻率等值线断面图，获得视深度和视电阻率数据。依据测量数据、钻孔和测井资料进行地形校正及层位标定，形成三维电性数据体，绘制各测线电性断面和水平切片。

　　6解释成果

　　本次地面瞬变电磁勘探基本网格为20m(测线距)×20m(测点距)，施工面积0.6km2，采集坐标点1399个，检查点59个(不小于坐标点的3%)，生产物理点1458个，累计完成物理点数1458个(不含实验点)。

　　6.1电性特征

　　综合甲方提供资料和D1520测线的视电阻率断面图，在测点约1680~1700，标高760m~800m之间区域出现明显低阻异常区，范围较大，阻值较低，推断该低阻异常与围岩破碎含水有关，或者是开采的采空区水体较少而潮湿引起的低阻异常。

　　D1300测线桩号1520~1580之间，目的层附近出现低阻异常区，该异常应为形成采空区后地层应力发生变化，导致周边地层水文变化，以致采空区内部渗水潮湿或者充水而引起的低阻异常。

　　D1400测线中部桩号1520~1560，标高650m~780m之间区域，呈现较低的视电阻率，视电阻率等值线呈宽缓的层状变化，有一定的倾向，其视电阻率值为相对低值，多为80Ω·m~100Ω·m，并一直往下部延伸，表明富水区域有向下延伸的趋势，推测为地下水体沿裂隙向下部地层渗透的电性反应。

　　D1300测线中部桩号1640~1660，标高750m~780m之间区域出现一处明显低阻异常区，由浅地表延伸至深部地层，该异常为围岩中的水沿裂隙进入采空区，形成低阻异常区，或者是原有开采巷道在封闭时间过长后渗水潮湿引起的低阻异常。

　　6.2切片电性分析

　　(1)目的层上覆含水层K8层顺层切片分析。含水层K8层，位于目的层上部约27~32m，岩性以中-细粒砂岩为主，属于弱富水性的承压含水层。电阻率值变化范围约在10Ω·m~120Ω·m之间，地层整体向西倾斜，电性上东部视电阻率值较低，西部视电阻率值相对较高。

　　(2)目的层顺层视电阻率切片分析。目的层顺层切片视电阻率范围一般约在30Ω·m~140Ω·m之间，切片视电阻率趋势变化比较明显，西北部及西南部视电阻率相对较高，中部及东部出现范围较大的相对低阻区域，其走向约为北东-南西向；在测区中部出现的相对低阻区域，可能与原来采掘活动有关；根据已知资料该煤层围岩主要以黑色泥岩、灰黑色粉砂岩及灰色细粒砂岩为主。当煤层采掘后，造成地质应力变化，其围岩可能出现裂隙而导致上部含水层或者降水补给后流向下部充填于采空部分。测区东南部整体呈现低阻状态，电性均一，并表现低视电阻率特征。

　　(3)目的层下伏含水层K7顺层视电阻率切片分析。山西组K7砂岩层，岩性为中-细粒砂岩层，厚度0.3m~13.37m，一般3.05m，距上部目的层厚度约为20.60m~22.38m，一般12.83m，属于承压弱富水性含水层。本区视电阻率范围一般约在50Ω·m~150Ω·m之间，切片整体视电阻率相对目的层切片视电阻率值较高，无明显变化趋势。在整个切片，西部呈现相对高阻区域，而在东南部区域存在视电阻率相对较低区域，可能受到地表人文设施影响有关。

　　6.3目的层及其上、下含水层富水异常区域分布

　　(1)目的层上覆含水层K8层富水性。本层K8层岩性以中-细粒砂岩为主，是目的层的上覆岩层。视电阻率值变化范围约在10Ω·m~120Ω·m之间，地层整体向西倾斜。富水性视裂隙发育程度而不同，属于弱富水性的承压含水层。本层综合推断解释富水异常区32处，史水河附近区域为富水性区域。

　　(2)目的层围岩层富水性。本层的视电阻率变化范围一般约在30Ω·m~140Ω·m之间，视电阻率趋势变化比较明显，西北部及西北部相对视电阻率较高，中部出现范围较大的相对低阻区域，其走向约为东北-西南向；在测区中部出现的相对低阻区域，东部电性上呈现均一性且以低阻为主。本层综合推断解释采空区(未积水)一处，积水区一处，富水异常区16处。

　　(3)目的层下伏含水层K7层富水性。本层K7层岩性为中-细粒砂岩，是目的层的下伏岩层。视电阻率约在50Ω·m~150Ω·m之间，整体视电阻率相对较高，无明显变化趋势，厚度0.3m~13.37m，一般3.05m，距上部目的层约为0.60m~22.38m，一般12.83m，本层综合推断解释富水异常区域28处。

　　综上所述，目的层上覆K8含水层、下伏K7含水层水力联系较少，各层之间分别为相对独立的含水层段，各层之间电性变化无明显联系。K8层至K7层电性变化呈逐渐上升趋势，可能与地层的赋水性有关。目的层上、下地层以及周围围岩较稳定，在目的层中间出现大面积低阻区，解释为采空积水区。

　　6.4取得的成果

　　(1)解释井田测区内目的层上覆含水层K8相对富水异常区32处，并圈定位置及范围。

　　(2)解释井田测区内目的层采空区一处，采空积水区一处，相对富水异常区16处，并圈定位置及范围。

　　(3)解释井田测区内目的层下伏含水层K7相对强富水异常区28处，并圈定位置及范围。

　　7结语

　　瞬变电磁法对低阻体敏感，施工效率高，适应地表条件能力强，使得它在矿区水文地质勘探中成为首选方法，在探查采空区以及采空区富水性勘探中得到广泛应用。但值得注意的是，当测区周围有大量金属结构、高压电线及埋置电缆、光缆时，测得的数据不可靠，需引入直流电测深法或其它物探方法，综合多种方法来更精准地实现矿区采空区水文地质勘探。