随着经济的发展，人类对能源的需求如饥似渴，煤炭成为当前不可替代的一种能源.然而在煤矿建设和开采过程中，其安全问题就变得尤为突出.其中水害问题是煤矿开采过程中主要灾害这一.我国煤矿水文地质条件较为复杂，煤矿水害问题较为普遍(吴钦宝等，2005；于景邨等，2007；赵玉琳等，2008；刘瑞新，2009；辛大平等，2010).从矿井的充水特征看，有的以底板进水为主，有的以顶板进水为主，有的以断层或陷落柱出水为主，有的以地表水灌入为主，还有的以老煤窑突水为主(葛亮涛，1996).因此需要及时的查明煤矿周围含水层和富水区的范围，以便提前采取防治措施，保证煤矿的安全生产.富水地层的电阻率相对不含水地层呈现低阻，这为利用电法勘探的方法寻找富水区提供了地球物理前提.而传统的直流电阻率法由于探测深度、体积效应等的限制，难以满足生产要求.电磁类方法具有探测深度大、对低阻敏感的特点，用于煤田水文勘探的主要为瞬变电磁法(张保祥和刘春华，2004；侯彦威，2012；陈卫营和薛国强，2013).其中定源回线瞬变电磁法具有工作效率高，信号强度大，横向分辨率高等优点(冯兵等，2010).

瞬变电磁法最初由前苏联学者于20世纪30年代提出，之后又完成了瞬变电磁法的一维正反演，建立了瞬变电磁法的野外工作方法和解释方法，使得瞬变电磁法进入实用阶段.其中“长偏移”瞬变电磁法被广泛的应用于油气勘探、地壳结构勘探以及地热调查等领域(薛国强，2008).20世纪80以来随着计算机计算技术的发展，欧美学者在二、三维正演模拟方面，使用有限差分法、有限元法、积分方程法等进行电磁学数值模拟，从理论上推动了瞬变电磁法的发展.

国内瞬变电磁法的研究开始于上世纪70年代，最先开展这项研究的有牛之琏、朴华荣、蒋邦远等，并将其应用于地质填图和金属找矿.之后朴华荣用G-S变换法实现了电性源瞬变电磁的一维正演计算；方文藻等用数字滤波技术实现了中心回线点的瞬变电磁场正演计算，并将回线源瞬变电磁法广泛的应用于地下水、地热、地质灾害调查以及大地电磁数据的静态效应校正等方面，都取得了良好的效果(李貅和薛国强，2013).近年来瞬变电磁法从理论到应用都取得很大进步，实现了瞬变电磁法的一维、2.5维、三维正演(殷长春和刘斌，1994；岳建华等，2007；薛国强等，2004，2008；丁艳飞等，2012；李建慧等，2012；孟庆鑫和潘和平，2012；邱稚鹏等，2013；孙怀凤等，2013；殷长春等，2013)；一些学者提出了瞬变电磁应用及数据处理新方法(白登海等，2003；薛国强等，2006，2007，2013；郭文波等，2005；王华军，2008；李貅等，2005，2010，2012)，使得瞬变电磁法广泛应用于环境和工程领域(嵇艳鞠等，2005；韩自豪等，2008；薛国强和李貅，2008).本文采用定源回线瞬变电磁法对鄂尔多斯盆地某煤矿进行富水区勘探.

瞬变电磁法是在地表铺设不接地线框或接地电极，向地下发送一次脉冲场，在一次脉冲磁场间歇期间接收二次场，该二次场是由地下良导地质体受激励引起的涡流所产生，故可根据二次场衰减曲线特征判断地下地质体的电性、规模、产状等(李貅，2002).定源回线瞬变电磁法采用较长边的发射回线，在回线中心一定范围内观测.该装置对铺设回线的要求不是很严格，一旦回线铺好后，不仅可采用多台接收机同时工作，还可以把接收线圈排成阵列，发展成阵列式接收的观测系统(薛国强等，2007).

定源回线瞬变电磁法利用回线中心点晚期视电阻率进行解释，垂直感应电动势定义的晚期视电阻率表达式为(李貅，2002)

利用中心回线点晚期视电阻率解释，导致不满足晚期条件的早期道视电阻率计算结果偏大；当勘探区远离回线中心点时受场不均匀影响，存在“边界效应”.全区视电阻率可以较好的解决上述问题(冯兵等，2010).因此本文的数据处理均采用全区视电阻率.

鄂尔多斯煤盆地是我国迄今为止探明的最大煤盆地，也是世界最大的聚煤盆地之一，其中侏罗纪煤炭资源量为11932亿t，占全盆地资源量的72%，当前所采煤多以侏罗纪煤炭为主，矿井突水比较突出(付利群等，2000).本次工作要求查明区内某煤矿的老窑积水区或地层富水地段.

勘探区地处六盘山东麓，鄂尔多斯煤盆地之西缘，属陕甘黄土高原之一部.矿区范围内呈一走向北西、倾向南西的单斜构造，地层倾角30°左右，井田内现未发现有断裂构造.依钻孔揭露资料，本井田地层由下而上依次为：中上三叠统延长群、中侏罗统延安组、新近系干河沟组和第四系.中侏罗统延安组是本井田的含煤地层，按煤岩组合特征和沉积旋迴结构可分为三段，主要可采煤层赋存于延安组第一段，煤层平均厚度为30m.其中中上三叠统延长群、中侏罗统延安组和新近系干河沟组地层均存在承压含水层.

地表水(河流)对地下水的补给随季节变化；大气降水对潜水的影响大，地下水水位最低是在5～6月份，最高是9～11月份，比雨季滞后2个月左右；各承压含水层年水位变化幅度较小，受大气降水影响小.井田内现未发现有断裂构造，因此，可不考虑断裂构造对矿井充水的影响.表 1为钻孔及电阻率测井资料显示的该区地层分布、含水性和电性情况.

表 1(Table 1)

表 1 工区地层、含水性和电性情况 Table 1 Work area formation，containing water and electricity 地质时代 组 岩性 地下水类型 含水性 电阻率(Ω·m) 全新统 黄土 潜水含水层 富水性极弱 100~200 新近系 干河沟组第二段 砂岩、砂砾岩和砾岩 承压含水层 富水性中等 干河沟组第一段 砂质泥岩、泥岩(半胶结) 隔水层 中侏罗统 延安组第二、三段 中～粗砂岩、局部含砾 承压含水层 富水性极弱 延安组第一段(上) 煤层及顶底板泥质、砂质、炭质泥岩 隔水层 270~900 延安组第一段(下) 砂岩、砂砾岩 承压含水层 富水性极弱 55~65 中上三叠统 延长组 砂岩、砾砂岩 承压含水层 富水性极弱

表 1 工区地层、含水性和电性情况 Table 1 Work area formation，containing water and electricity

从表 1可以看出，煤层及顶底板泥质、砂质、炭质泥岩作为隔水层，其上下均是承压含水层，虽然整体富水性极弱，但存在局部富水区和老窑积水区，且延安组第一段(下)和延长组之间没有明显的隔水层，地下水流通性较好.因此在采煤巷道掘进的过程中，极有可能发生底板、顶板的进水和老窑突水；需要及时查明富水区范围.从电性特征来看，含水层表现为低阻，且地层越富水，电阻率越低，具备了本次瞬变电磁法勘查的地球物理前提.

区内共布置36条测线，测线方向均按NW 252°度布置，线距40米，点距20米，平面布置图如图 1.采用加拿大生产的PROTEM57-MKⅡ瞬变电磁仪；经过实地实验之后，确定如下工作参数：大回线框为300 m×300 m；采样频率为6.25 Hz；采样窗口时间为0.036~27.915毫秒；延时为110微妙；测道数为30道；发射电流为9 A左右；接收线圈等效面积为200 m².各项质量检查结果符合相关规范及设计要求，数据采集质量可靠.

图 1

Fig. 1

图 1 工区平面布置图Fig. 1 Work area arrangement plan

对于实测的原始数据，先做整理和预处理，再计算全区视电阻率，经过反演和滤波后，绘制视电阻率断面图并抽取顺层平面图，最后最综合解释.处理流程图见图 2.

图 2

Fig. 2

图 2 瞬变电磁资料处理流程图Fig. 2 TEM data processing flow chart

原始数据整理是将实测数据转换为可以进行预处理的数据格式；原始数据预处理包括衰减曲线的圆滑、滤波处理等；全区视电阻率则是考虑了早晚期和框内测量位置，不受边框和早晚期的影响，使得视电阻率更加客观、真实的反应地电断面；这里的反演处理主要指较准确的时深转换：先进行时深转换，再利用已知钻孔或测井资料对时深转换的深度进行校正，得到较为真实的深度，绘制断面图和平面图；最后对成果图进行综合解释.

前面工区地质与地球物理概况中已介绍过，含水层表现为低阻，且地层越富水，电阻率越低.因此工区富水区的划分遵循低阻异常的特征.首先对断面图上有低阻异常反映的区域重点分析，并在平面位置上进行圈定和组合，初步确定异常区的范围；然后与平面等值线图进行对比分析，进一步确定异常区的分布形态，并与地质成果作对应分析，根据电阻率的高低分析富水异常区的分布规律以及可靠性；最后通过对全区地质资料及绘制的各种参数图件进行综合分析，来确定富水区和划分其范围，绘制相应的成果图件.

图 3为17和18线视电阻率断面图.首先17和18相邻两线视电阻率断面图相关性较好.在断面图中，视电阻率等值线总体上呈层状，沿地层的延伸方向分布，存在局部异常.浅部为地表黄土及新近纪地层，电阻率较高；煤层由于埋深较大且厚度小，加之瞬变电磁法对高阻反映不灵敏，故表现为中阻；深部为中三叠统延长组地层，表现为中低阻；对已知采空区反映较明显，表现为低阻异常且等值线向上弯曲幅度大，说明采空区已充水且放顶塌陷范围较大.可见视电阻率断面图与实际地电断面对应较好，表明此次采集的资料是可靠的，处理流程是可行的，得到视电阻率断面图可以做进一步精细解释.

图 3

Fig. 3

图 3 17和18线视电阻率断面图 (a)17线；(b)18线.Fig. 3 The apparent resistivity profile of line 17 and line 18 (a)line 17;(b)line 18.

前面在工区地质与地球物理概况中已介绍过，煤层及顶底板泥质、砂质、炭质泥岩作为隔水层，其上下均是承压含水层.因此为了解煤层(平均30米厚)上下一定范围内富水性情况，分别顺层抽取了底板平面上延50米视电阻率平面等值线图、底板平面视电阻率平面等值线图和底板平面下延50米视电阻率平面等值线图，并根据前面所述步骤划分富水区范围，分别见图 4、图 5和图 6，三幅图相关性较好，异常较可靠.

图 4

Fig. 4

图 4 底板平面上延50米视电阻率平面等值线图Fig. 4 Bottom plane delay 50 meters apparent resistivity plane contour map

图 5

Fig. 5

图 5 底板平面视电阻率平面等值线图Fig. 5 Bottom plane apparent resistivity plane contour map

图 6

Fig. 6

图 6 底板平面下延50米视电阻率平面等值线图Fig. 6 Bottom plane delay under 50 meters of apparent resistivity plane contour map

在图 4中，平面等值线图表现为电阻率东高西低的趋势，由于底板上延50米平面延伸方向与地层延伸方向相同，所以越靠近大点号，则越接近地表，电阻率相对越高；越靠近小点号，所反映的层位越深，地下水越丰富，电阻率越低；存在连续的或者孤立的低阻异常带，是由局部富水带或者富水采空区引起.其中工区西北部存在大片的低阻异常区域，推测工区的西北部存在大片富水区，位于1-16线、62-110点之间，编号为1+50；工区西南部存在较大范围的低阻异常区域，推断西南部存在范围较大的富水区，位于23-36线、100-118点之间，编号为3+50；工区中部存在小范围的低阻异常区域，推断中部存在小范围的富水区域，位于15-18线、110-118点之间，编号为2+50.总体来看，1+50号富水区呈南西走向，2+50号和3+50号富水区呈北南走向.

在图 5中，平面等值线图依然表现为电阻率东高西低的趋势，沿底板平面抽取的平面等值线图在东侧靠近地表，电阻率较高，在西侧埋深加大，地下水丰富，电阻率越低.存在连续的低阻异常带，是由局部富水带或者富水采空区引起.其中工区西北部存在大片的低阻异常区域，推测工区的西北部有大片富水区，位于1-22线、62-118点之间，编号为1+0；工区西南部存在较大范围的低阻异常区域，推断西南部存在范围较大的富水区，位于21-36线、100-112点之间，编号为2+0；总体来看，1+0号富水区呈南西走向，2+0号富水区呈北南走向.图 5中推断富水区的连通性较图 4好，富水区面积较图 4大.

在图 6中，底板下延50米平面等值线图依然表现为电阻率东高西低的趋势，存在连续的低阻异常带，该低阻异常带贯穿整个工区，大致呈南西方向延伸，该异常带推断为连续的富水区异常，编号为1-50.可见图 6中推断的富水区较图 4、图 5中连通性更好，富水区面积更大.

因此得出结论：推测底板上覆地层的富水区面积小于下伏地层的；推断工区内富水区大致呈南西、北南走向；随着层位深度的加大，推断富水区的连通性变好.

将图 4、图 5和图 6中推断富水区范围叠在一起，圈出三个层位推断富水区重合的区域，得到图 7为工区内推断富水区平面展布图.在图 7中，存在4处富水异常区，分别编号1、2、3、4，其中1号富水区位于工区西北部，呈南西走向，连通性好、面积大；2号富水区位于1号富水区右下侧，面积小，呈南西走向；3号和4号富水区位于工区的西南部，呈北南走向，连通性好，面积较小.因此推测勘探区的西北部有大片的富水区，在勘探区的西南部存在两处较小的富水区域，应引起甲方的足够重视，并及时打钻验证.

图 7

Fig. 7

图 7 工区内推断富水区平面展布图Fig. 7 Inferring the rich water area plane distribution in the work area

值得注意的是，文中富水区的划分，依据电阻率越低越富水的原则；但电阻率的影响因素众多，再加上地质因素的复杂性和地球物理解释的多解性，推测结果可能与实际有所偏差，需要进行钻探及其他物探方法的验证.