煤矿水文地质电法勘探的三种方法探析

　　1 引言。

　　基于地下各种物质的导电和导磁性的差异，可以利用电场或磁场探测仪器对其进行勘查。利用电磁学原理，利用物质不同的导电性进行地下物质勘探的方法称作电法勘探，根据电磁场的特性，可分作高密度电阻率法、瞬变电磁法、CSAMT法。本文就这三种电法勘探做一个解说与比较。

　　2 高密度电阻率法。

　　1） 理论基础。高密度电阻率法以不同物质具有不同的电阻率为理论基础，以下面的静电场物理公式为根据：

　　公式中ρs是电阻率，△U是不同电极间电位差，I是向地下输出的电流。K是系数。

　　2） 特点。高密度电阻率法，在于电极布设的密度高，运用计算机进行处理的数据多，以视参数剖面图、断面等值线图等形式给出。高密度电阻率法可一次性布极，多种装置同时开展测量工作，具有施工成本低，探测效率高，采集的信息丰富，对目标体解释直观，成像模型精准度高等优点。

　　3） 勘探操作。以E60C型高密度电法仪为例，该仪器通过智能分布式电极开关，对串行的电缆实现有效控制，可以一次性布设完毕数十根电极，最大通道数达到65535个，一次布设可完成数十公里的高密度勘查任务。布设测线间距平均为50m,点距10m;对地下不同深度的电阻率值进行采集，选用三极滚动装置对所设置的电极进行扫描，采集到地下不同深度视电阻率值，受输出电流额度的影响，在500m以内的地下勘探中，精确度较高。

　　3 瞬变电磁法。

　　1） 理论基础。瞬变电磁法简称为TDEM或TEM.在探测区设置不接地线圈、电偶源、磁偶源、中心回线等仪器设施，输入阶跃电流，然后突然断掉中心回线的电流，在此瞬间产生感应涡流，接着，感应涡流形成等效涡流环，随之向下向外扩展，通过不接地线圈、电偶源、磁偶源探测记录二次涡流磁场或电场的变化情况，从而可以探知地下深层的电磁情况，通过数据解读与分析，绘制出地下勘查图。

　　2） 特点。瞬变电磁是一种宽频带电磁波，具有垂向分辨率高、穿透阻层能力强、干扰影响小、静态位移影响小、几乎不受地形影响等特点。与高密度电阻率法相比较，瞬变电磁法的探测时间更短，探测深度更大，探测精度更为精确。例如：对于探测1000m深的同一个点，使用瞬变电磁法，只需1~2分钟即可顺利完成；使用高密度电阻率法，需要40分钟以上，且勘探图不精确。瞬变电磁法具有对良导地质体反映敏感、横向分辨力高、适应性强、成果解析准确度高的特点，该法已被广泛地应用于地质勘探的大部分领域，同时是煤矿水文地质勘探的主要方法之一。

　　3） 勘探操作。 我国煤矿含水层多呈现为层状分布，深度多位于地下800m左右，因此，瞬变电磁法已成为煤矿防治水的主要勘探方法。

　　瞬变电磁法是否精确有效，关键在于发射回线的边长。回线边长越大，探测灵敏度越强，但达到饱和值之后，探测到的各种干扰信号 （天电场、工业电气、地质噪声等） 的强度也会增大，反而会影响精确性。根据实践经验，最佳回线边长为达到0.8Vmax的回线边长值。实验表明，当L/h=0.9-1.5时，所得到的响应值大于0.8Vmax（Vmax为响应信号最大值，L为回线边长，h为目的层深度）。对测网密度的选择主要考虑地质任务，对普查而言，测网密度计算公式为：线距×点距 =L×L/2-L/4;对详查而言，测网密度计算公式为：L/2-L/4×L/6-L/10（L为线距）。对测区的确定，应遵循以下原则：物探测区面积≥已知地质异常区面积×2;同时保证最少有3~5个探测点处于地质异常区内。瞬变电磁法的水文信息解释方法有一维反演与高精度水文信息解释技术。

　　4 CSAMT 法。

　　4.1 理论基础。

　　CSAMT法的全称是控源音频大地电磁法，它以有限长接地导线为场源，在距偶极中心一定距离（收发距γ） 处同时观测电场（EΧ）、磁场（HY） 参数的一种电磁测深方法。CSAMT法的理论基础是电磁波传播理论和麦克斯韦方程组，另根据电磁波的趋肤效应理论，得到趋肤深度公式：

　　式中：H为探测深度；p为地层电阻；f为频率。

　　4.2 特点。

　　当设置探测深度（H） 一定，电磁波的发射频率（）f 一定的时候，在不同的探测区域，就会有不同的地层电阻（p），根据电阻值（p） 的不同，就可以解析出地质结构。CSAMT法具有探测深度大（可达地下1500m），不受地形地貌限制、分辨率较高、施工效率高等特点，可以广泛用于地下各种气、液、固体等多种资源的勘探，也可应用于煤矿采空区、集水区、交通隧道等灾害地质区的勘查。

　　4.3 勘探操作。

　　CSAMT法的必备仪器设备有：多功能电法仪，发射机、接收机、GPS同步时钟等。野外数据采集参数为：收发距γ=10.5-12km;接收极距 MN=40m;发射电流 I=6-17A;工作频率 f=0.5-9600Hz,探测网设置为40m×20m,线距40m,点距20m,测线方向垂直于煤层走向。在资料反演期间，首先使用CMTPro软件对原始数据进行废排列 （道） 剔除、排列名称修改、坐标修改等技术处理。其次使用Mtsoft2D软件进行编辑平滑、静态校正、近场改正和空问滤波处理。

　　最后采用一维反演与高精度水文信息解释技术，并辅之以人工判断，导出反演结果，绘制视电阻率断面图件。

　　5 结论。

　　综上所述，高密度电阻率法、瞬变电磁法、CSAMT法，各具优点，同时存在各自的缺点。高密度电阻率法存在工作效率低、工作量大的缺点；瞬变电磁法存在受地表设施干扰大、浅部勘探多盲区的缺点；CSAMT法存在受地表过渡区影响大、资料处理复杂的缺点。因此，在勘探工作中，应该结合实际环境，合理选择，必要的时候综合运用多种方法，通过优势互补提高勘探的可靠性。

　　[参考文献]

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　　[2] 李相民。可控源音频大地电磁法在变质岩地区找水一例[J].地质学刊，20l0.

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　　[4] 宋希利，宫述林，刑立亭。高密度电法在地下空洞探测中的应用研究[J].工程地球物理学报，2010.