天然电场选频物探法在煤矿水文地质中的应用

　　摘要：天然电场选频物探法是利用大地电磁场为工作场源，以地下岩矿石电阻率差异为基础，在地面上测量大地电磁场产生的几个（或几十个）不同频率的电场分量的变化规律来研究地下地电断面的电性变化，达到解决地质问题的一种交流电勘探方法。能适应较复杂的场地，与常规物探方法相比，具有快速、省力、独特的地质效果，在工程物探中有着较广泛的应用。本文作者将此法应用于煤矿水文地质工作中，借用该法所得结果分析研究区水文地质特征，为矿区开采提供依据。
　　关键词：天然电场选频物探法；水文地质；煤矿
　　
　　天然电场选频物探法是以大地电磁场为工作场源，利用岩（矿）石电学性质的差异，测量地下岩性分界面对天然地磁场的反射信息来探查不同深度的地质构造，达到解决地质问题的一种交变电流勘探方法[1]。常规电法勘探由于需要长距离拉线，设备笨重等，工作效率低，不能满足现代快速普查的需求。并且，在山区等地形复杂地区，由于地形地质变化大，或是在城市，由于钢筋混凝土高楼林立，空中、地面及地下的工业电流和地下管道网干扰，使得常规电法勘探受到严重影响，资料不可靠，老方法也无用武之地。而天然电场选频物探法能够克服地形、工业电流的干扰进行物探找水工作，方便水文地质工作者在地形复杂的山区和建筑群密布的城镇开展水文地质工作[2][3]。
　　1天然电场选频物探法原理
　　天然电场选频物探法利用大地电磁场作为工作场源，测量大地断面的电分量的变化，是一种交变电流勘探方法[4][5]。由于大地电磁场的场源频率范围较宽，可通过选择频率提高抗干扰能力；探测不同的深度，增加解释的可靠性。
　　这种电磁场在距场源较远的地方可视为平面电磁波场，它垂直于地面，变化规律服从麦克斯韦方程组，仪器探测深度的理论公式为：
　　
　　式中ρ——岩层视电阻率(欧姆•米)，f——频率（赫兹），h——探测深度（米)
　　天然电场选频仪工作频率选择旋钮共分为6档（0～5档），相应的频率分别为f0=14Hz，f1=75.5Hz，f2=155Hz，f3=220Hz，f4=326Hz，f5=700Hz，根据公式可知，高频反映浅部物性，低频率反映深部的物性，这样通过选频，每个测点可得六种不同深度的电性参数。根据经验，若选用0档观测，在第四系松散层最大探测深度可达300余米，在石灰岩分布区可达600m左右。水文地质工作者可以根据实际需要灵活选用。一般工作过程中，通常在每个观测点上分别读取所有6档的值，对比一条剖面上不同深度的曲线变化，从而更准确地判断地质构造异常点，以及粗略推断该异常区域范围。用电分量中电位差与电阻的关系可以定性说明测得的异常是高阻还是低阻异常，这就是本方法异常曲线定性解释的基本原理。
　　因地下水与介质接触，溶解了其中的Ca2+、Mg2+、K+、HCO3-、SO42-及Cl-等离子，使地下水成为导体，电阻率大幅降低。相反，干燥地层导电性差，电阻大。出于电阻与电位呈正相关，所以只要测得地下电位异常也就可推知电阻的异常情况。通过天然电场选频仪对电场中各种不同频率的电位差进行准确测量，对比一条剖面上电场大小的关系便可以发现地质构造异常，如断层破碎带水、裂隙水、岩溶水、第四系水源等。
　　本方法是通过仪器测得电阻值作为数据点，对某一区域作电剖图（如图1），进而了解该地区的地质构造（如断层、破碎带、岩溶，厚沙层等）。分析这些构造的曲线特征，从而确定断层、破碎带、采空区等具体位置。
　　但应当指出，物探方法往往具有多解性，低阻并不一定都是由含水层或含水构造所引起，如人防工作、古墓、土洞、干溶洞以及水泥排水管道都会显示高阻异常特征，究竟是什么引起的，必须加以分辩，排除其干扰和影响。因此,在进行成果资料解释时，必须结合地质和其它物性条件作出合理或较为合理的解释。
　　
　　图1某区域电剖图
　　利用本法解译电剖图曲线的原理及方法有如下几点，本文就是依据这些方法来判断地质构造异常点等，并提出相应的分析。
　　①对某一频率而言如测得的数据很大或很小，做出的△U图为一平直线，说明剖面经过处无构造；只有测量的数值有大有小形成几倍到几十倍的差值而且有一定规律（即不是一个点而是几个点为最小值）此曲线才有意义。其高低值的交汇处即为构造带的边缘。
　　②为了确定构造带在地面的走向。可以平行原剖面一定距离在作剖面(二条到三条)每条剖面上电位最低点的连线，即为构造走向。
　　③对某一构造的产状。可以通过各频率曲线的异常位(即构造带位)来确定。但产状的角度不可知。
　　④各频率所反映的深度不一样。它是从某一深度到地面的综合反应。频率越低．反映深度越大。频率越高，反映深度越浅。例如：假设0档反映300米到地面的情况而一档反映200米到地面的情况。在200米到300米之间的情况0档可以反映，而一档就反映不了。其他情况也是如此。根据不同频率的曲线特征来推断地质构造的深度。
　　2天然选频法应用实例
　　河南永安煤矿位于河南省巩义市。其区位优越，交通便利。煤矿面积1.1803km2，本次勘查的主要目的是进行永安煤矿11010工作面超前地球物理勘查，探明其前方主要水文地质特征。
　　该勘探区村庄密集地形复杂，高压电线多。采用MN测量电极沿测线移动法（如图2）进行数据观测。野外工作时测量电极距采用10米，在某些可能异常点可采用回测或者增大测点密度的方法，以此来提高测量结果的准确性。该测量方法的操作要点是：操作员将仪器稳挂胸前，手拿测量电极M，另一跑极员拿N极在前，再一人记录作曲线或由跑极员兼任。测得MN之间各频率对应的△U值，然后蛙跳式移动MN极再测△U值。按极距作图，以△U为纵坐标，以测线为横坐标，依据探测目的层深度，作出六条电位差曲线。这也是目前应用最为广泛的一种测量方法。
　　
　　图2MN测量电极沿测线移动法原理图
　　笔者在该区进行了为期一周的水文地质勘探工作，在11010工作面顺槽、皮带上山、轨道上山及切眼四个巷道掘进方向各布设测线，累计372个测点（包含异常加密点），通过测量、记录并绘制出相应的△U成果图。鉴于篇幅有限，现选取以下两个具有代表意义剖面的实测△U曲线图进行分析，曲线图见图3、图4。
　　
　　图3顺槽剖面部分点曲线图图4皮带上山巷剖面部分点曲线图
　　3资料解释
　　顺槽方向分别在32-36m，152-163m，190-210m附近出现低阻异常，图3即为异常点32-36m处附近的曲线图，其中用黑色垂线标明的即为其异常点（点号为43）。从图中可以看出，△U曲线总体大致呈上升趋势，但中部岩层（图中表现为f2、f3、f4三条曲线）在该点处发现异常，在与该测线相距10m的两侧各布设一条测线，结果在17-26m处、52-62m处也发现了低阻异常，初步认定其为一个倒“S”形的富水带，该区域内的中部岩层含水量增加。结合其他几种物探手段综合分析，认为应该是视密度变小含水量增加的反映。
　　皮带上山巷道掘进方向即在S14点向前15米处是掘进头，S14向前500米范围内发现四段低阻异常，分别在25-35m，202-213m，293-313m，418-435m附近图4即为异常点25-35m处附近的曲线图，从右到左点号依次为1-10，其△U值整体呈下降趋势。其中在2-4号点三点处，6条△U均出现显著的低阻异常，用黑色垂线标明的即为4号点。在与该测线相距10m的两侧各布设一条测线，均在该点附近发现了低阻异常。结合其他几种物探手段综合分析，认为其为相对含水区域。
　　4结论
　　天然电场选频物探法是地球物理勘探的一个分支。由于它不需要人工场源、成本低廉，具有较大的勘探深度；仪器轻便、操作简单、高效快速、工作强度小，可快速确定目标物的位置、估算其埋深；不受高阻层的屏蔽影响，对低阻层有较高的分辨能力；不受测量范围的限制，可快速确定井位、估算目的层的埋深及寻找构造破碎带、城市防空洞、地下矿洞等优势，可广泛应用工程物探、水文地质、工程地质等方面。该法是一种较为实用的好方法，其特点也决定了其必将受到广大生产单位和工程技术人员的喜爱。
　　但是，虽然选频法分辨能力较高，并且不受地形、地物影响，但在无已知资料情况下，本法的测量有些不力，而且不具有认识物质属性的地质效能。因此，在应用本法的过程中应尽量利用各种已知资料和钻探结果，进行校准，在实践工作中，应通过仔细对比，以获更佳效果与更准确的结论。
　　参考文献
　　[1]董松贵．天然交变电场选频法及在找水中的初步应用[J]．工程物探，1991，1（3）：1-5．
　　[2]曹英武．天然电场选频法在找水中的应用[J]．国土资源导刊，2006，3（3）：142-143．
　　[3]杨昌武．天然电场选频法在水文地质和工程地质中的应用[J]．西部探矿工程，2004，No.5：86-88．
　　[4]张明锋，张水根，叶海燕．天然电场选频法在地下水资源探测中的应用[J]．江西煤炭科技，2003，No.1：24-25．
　　[5]蔡力挺，韩玉庆．天然电场选频法在工程物探中的应用效果[J]．西部探矿工程，2009，No.4：151-153．
　　[6]雷卓翰，潘玉玲，等．地球物理勘探及地球化学勘探方法在城市建设中的应用[M]．北京：地质出版
　　社，2006．