瞬變電磁法在新疆拜城縣阿依冬可檔煤礦區(qū)采空區(qū)運用

劉國春

(新疆煤田地質(zhì)局綜合地質(zhì)勘查隊 烏魯木齊 830000)

新疆拜城東礦區(qū)阿依冬可檔煤礦區(qū)，位于新疆拜城縣城北東約45°方向天山南麓的阿依冬可檔，距新疆拜城縣縣城直線距離60 km，距克孜爾鄉(xiāng)的直線距離為30 km。礦區(qū)為長方形，東西長約為2.40 km，南北寬0.46 km，面積1.11 km2，井田范圍由4個拐點圈定。井田四條邊界中南北分別為三疊系地層及阿合組地層，西以新疆拜城縣鑫源煤礦的東界為界，東以新疆拜城縣弘利煤礦的西界西150 m為界。行政區(qū)劃隸屬新疆拜城縣克孜爾鄉(xiāng)管轄。

在煤礦區(qū)中西部有一報廢礦井即梅斯不拉克煤礦1號斜井和在井田中東部有一報廢礦井即梅斯不拉克煤礦3號立井。根據(jù)走訪和調(diào)查，由于該廢窯廢棄時間長，關閉時間、主井采長、水平不詳。該廢窯曾發(fā)生過瓦斯爆炸，無法確定傷亡情況。雖然該礦井已廢棄，但由于長時間接受大氣降水等補給，廢窯中賦存有一定量的地下水。在此基礎上采用瞬變電磁為主要手段，對新疆拜城東礦區(qū)阿依冬可檔煤礦區(qū)探測煤層采空區(qū)范圍及深度，鉆探輔以驗證。

1 地球物理電性特性

1.1 瞬變電磁法前提條件

不同的巖層具有不同的電阻率，電法勘探就是通過測定地下不同地點不同深度的電阻率的差異來達到尋找目標地質(zhì)體的目的,利用瞬變電磁勘探來解決地質(zhì)問題的前提條件是目標地質(zhì)體與圍巖存在電性差異。

瞬變電磁工作的任務是探測煤礦區(qū)煤層采空區(qū)范圍及深度。當煤層采空區(qū)充水時，其導電性會顯著增強，視電阻率值明顯降低，在視電阻率剖面圖上會形成橫向上的低阻異常；當采空區(qū)半充水或無水的情況下，其電導性明顯減弱，視電阻率值會特高。這樣瞬變電磁法勘探的地質(zhì)任務就轉(zhuǎn)換為：尋找測區(qū)目標層相對低阻異常分布或測區(qū)目標體相對特高異常的分布。所以，該礦區(qū)具備利用瞬變電磁法解決地質(zhì)問題的前提條件。

1.2 地球物理電性特征

根據(jù)以往新疆煤田地質(zhì)局綜合地質(zhì)勘查隊在梅斯布拉克的物探資料，測區(qū)內(nèi)各地層之間（垂向上）均有較明顯的電性差異，在正常情況下，第四系地層電阻率值較高，侏羅系地層電阻率較低，三疊系上部地層電阻率中等。

2 工作方法與技術

2.1 作業(yè)依據(jù)

施工要嚴格按照《DZ_T 0187-1997地面瞬變電磁法技術規(guī)程》、《煤田資源勘探工程測量規(guī)定》、《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》以及本次合同和設計進行。

2.2 瞬變電磁法方法簡介

瞬變電磁法（Transient-electromagnetic method）又稱時間域電磁法（Time domain electromagnetic method），簡稱TEM，屬于電磁感應類探測方法，它遵循電磁感應原理，其機理就是導電介質(zhì)在階躍變化的電磁場激發(fā)下而產(chǎn)生的渦流場效應，即利用一個不接地的回線或磁偶極子（也可以用接地線源電偶極子）向地下發(fā)射脈沖電磁波作為激發(fā)場源（習慣上稱為“一次場”），根據(jù)法拉第電磁感應定律，脈沖電磁波結(jié)束以后，大地或探測目標體在激發(fā)場（即“一次場”）的作用下，其內(nèi)部會產(chǎn)生感生的渦流，這種渦流有空間特性和時間特性。其大小與諸多因素有關，如目標體的空間特征和電性特征、激發(fā)場的特征等，而且因為熱損耗的緣故會逐漸減弱直至消失。人們雖然不能直接測量這種渦流的大小，但是可以利用專門儀器觀測這種渦流產(chǎn)生的電磁場（稱為“二次場”）的強弱、空間分布特性和時間特性。

2.3 測網(wǎng)布置與工作量

根據(jù)任務要求，本礦區(qū)地層走向近東西向，巖層為一向南傾斜的單斜構(gòu)造，因此測線布設為垂直地層走向布設。測網(wǎng)密度為40 m×10 m,測線方向呈南北向，共布設瞬變電磁測線43條，設計坐標點953個，檢測點48個（按總坐標點5%計算）。另由于原工程布置對0號勘探線控制不理想，因此根據(jù)地質(zhì)工作的需要，在各方研究確認的情況下增加8條電法剖面，分別為J1-J8線。單剖面長220 m，物理點184個。

圖1 地形地質(zhì)圖

2.4 測量定點

測量工作從駐地地質(zhì)工作人員處收集到6個已知點。本次選用其中3個控制點作為工作的檢查。

⑴收集、檢查測區(qū)等級控制點；

⑵完成了51條瞬變電法剖面、6條發(fā)射外邊框的放樣工作，總共線長19.68 km，點數(shù)1336個。

依據(jù)測量規(guī)范要求剖面點精度按圖上比例0.6 mm距離平面中誤差，高程誤差1/3 m等高距。

2.5 實驗參數(shù)選擇

⑴裝置選擇

瞬變場的裝置種類較多，通過分析施工區(qū)域的地質(zhì)、地表條件，確定最佳施工裝置為大定回線裝置，根據(jù)目的深度發(fā)射回線邊長選擇為240 m×240 m和360 m×360 m進行試驗。

⑵發(fā)射機調(diào)試

通過TMR電流盒子記錄的全通道波形圖，表明本次勘查工作使用的儀器發(fā)射電流波形正常（發(fā)射機工作狀態(tài)穩(wěn)定，接收道信號強)。

⑶發(fā)射頻率試驗

本次目的層約為200 m，選擇基本頻率8.333 Hz和25 Hz進行試驗。實驗區(qū)域為1-6線80-150號點，發(fā)射線框分別為240 m×240 m和360 m×360 m，頻率為8.333 Hz、25 Hz，電流分別為15.5 A和20.4 A，各完成測點21個，采集有效時間超過60 s；8.333 Hz疊加次數(shù)大于500次，25 Hz疊加次數(shù)大于1500次。

2.6 質(zhì)量評述

野外采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量以總的平均均方誤差來衡量，其計算公式為：

式中，Vj(ti)、Vj′(ti)分別表示第 j點第 i道的原始觀測和檢測觀測值；m為檢查點數(shù)；n為參加計算的道數(shù)；M為總的平均均方相對誤差。

將56個檢查點與對應的原始數(shù)據(jù)按1～20道進行統(tǒng)計計算后，得到其平均均方相對誤差為±2.563%，符合規(guī)范中不超過±15%的要求，說明野外觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠。

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集人員與現(xiàn)場監(jiān)理對瞬變電磁法勘探的質(zhì)量評級標準對本次采集的野外數(shù)據(jù)進行評級，結(jié)果1200個物理點中甲級品1177為個，占物理總點數(shù)的98.%；乙級品9個，占物理總點數(shù)的0.75%，廢棄點14，占物理點數(shù)的1.16%，小于2%。按照規(guī)范中的全區(qū)質(zhì)量評級標準，本次瞬變電磁法勘探的全區(qū)質(zhì)量評級為優(yōu)秀，可供下一步室內(nèi)處理使用。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)預處理

瞬變電磁法觀測的數(shù)據(jù)是各測點各個時窗（測道）的瞬變感應電壓，需換算成視電阻率、視深度等參數(shù)，才能對資料進行下一步解釋。處理步驟主要分為三步：

⑴濾波：在資料處理前首先要對采集到的數(shù)據(jù)進行濾波，消除干擾，對資料進行去偽存真；

⑵時深轉(zhuǎn)換：瞬變電磁儀器野外觀測到的是二次場電位隨時間變化，為便于對資料的認識，需要將這些數(shù)據(jù)變換成電阻率隨深度的變化，本次資料處理主要采用美國INTERPEX公司的TEMIX XL v3.36進行。

⑶繪制各種參數(shù)圖件：首先從全區(qū)采集的數(shù)據(jù)中選出每條測線的數(shù)據(jù)，繪制各測線視電阻率剖面圖，即沿每條測線電性隨深度的變化情況；然后，結(jié)合已知地質(zhì)資料，分析電性異常確定地質(zhì)異常。

經(jīng)上述處理得到視電阻率、視深度等基本參數(shù)，根據(jù)資料的實際情況還需選擇適當?shù)膮?shù)，反復進行濾波、一維層狀模型的正、反演等處理，直至獲得合適的解釋數(shù)據(jù)。

3.2 衰減曲線分析與畸變點處理

⑴衰減曲線分析

歸一化衰減曲線，橫軸為二次場的持續(xù)時間，縱軸為歸一化二次場的大小，曲線的首支可以直觀反映淺部導電性強弱，尾支反映深部地層的導電性強弱以及測區(qū)噪聲背景電平的高低，曲線位置高低、衰減快慢反映出整個地層組合導電性強弱，但一般難以從單一的衰減曲線劃分地層的地電結(jié)構(gòu)，但是遵守能量衰減與視電阻率的反比相關性；即低阻快速衰減，高阻緩慢衰減。所以當?shù)貙佑袠O低阻地層時，會產(chǎn)生低阻屏蔽效應，影響深部地層的反應。

橫軸為二次場時間，縱軸為巖層晚期視電阻率。時間的早晚與探測深度對應，利用ρa-t、ρa-D曲線可以初步劃分曲線類型和地層的基本分層組合。如圖通過分析與預處理截取合理的時窗，通過多時窗的對比分析選擇合理的時間道。由于本礦區(qū)地層傾角大，根據(jù)多時窗曲線的對比，40道數(shù)據(jù)更加圓滑，連續(xù)性好能更詳細的反應地層的變化，因此選擇40道數(shù)據(jù)進行反演，時窗范圍0.05～6 ms。

⑵畸變點處理

瞬變電磁法響應為體積效應，因此通過分析衰減曲線畸變點的原因，結(jié)合已知地質(zhì)資料和原始班報，作合理的處理。主要采取剔除和圓滑處理。在作圓滑或差值處理時應當避免引入假異常。

3.3 視電阻率斷面圖

最終斷面圖繪制采用Surfer 8.0，以測線長度為橫軸，反演改正高程為縱坐軸，同時利用軟件地形校正功能繪制測線視電阻率反演斷面圖。它可以從橫、縱兩個方向上同時反應地層的電性變化，提供層位劃分、層位追蹤、深度確定、異常圈定的依據(jù)。同時可以結(jié)合已知鉆孔、煤層、測井曲線等其他特征層信息，構(gòu)成標定綜合斷面圖。

圖2是帶地形校正的視電阻率斷面，明確的刻畫了地層的電性規(guī)律，并且地層傾角也明顯的反應，表現(xiàn)為在深度方向延伸的長條形高阻異常區(qū)。斷面是一套由低、中、高、中阻組合地層。

圖2

3.4 順層切片平面圖

視電阻率順層切片平面圖的縱、橫坐標數(shù)據(jù)采用測量成果的實際坐標組網(wǎng)，可以完全反映不規(guī)則測網(wǎng)的平面關系。本次通過淺、中、深視電阻率順層切片平面圖反應不同深度上的異常分布，標高分別為2065±5 m、2020±5 m、1960±5 m。通過平面等值線圖劃分低阻異常區(qū)和高阻異常區(qū)，同時能揭示平面上的走向異常。最后結(jié)合掌握地質(zhì)資料、測線視電阻率斷面圖，圈定最終的采空區(qū)、賦水區(qū)。

4 等深度平面圖異常圈定與賦水評價

圖3為等深度(標高2065±5 m)水平切片等值線圖，由于測區(qū)整體地形趨勢為西高東低，反應斷面通過地形改正后，在對齊切取深度上有±5 m的變化。該等值線圖揭示的是標高2065 m的視電阻率分布情況，根據(jù)標高2065 m等值線圖，采用220 Ωm閥值圈定結(jié)果顯示，從J8線-18線的淺表層均表現(xiàn)為低阻，有一定的賦水存在，局部區(qū)域采用60 Ωm閥值圈定，為較強的賦水區(qū)。

5 結(jié)論

根據(jù)前期地質(zhì)工作及瞬變電磁法工作成果，對區(qū)內(nèi)高阻范圍內(nèi)的中低阻異常區(qū)進行圈定，劃分出2塊異常區(qū)，分別為Ⅰ、Ⅱ號區(qū)域，初步確認Ⅰ、Ⅱ號區(qū)域為采空與賦水綜合異常。通過收集1、2號勘探線鉆探成果，最終確認Ⅰ號區(qū)為賦水采空區(qū)，空間范圍投影到平面圖上的位置在地質(zhì)1線西20 m到地質(zhì)1線向東200 m（電法線11線）左右，ZK1-3在69 m左右獲得驗證，采空區(qū)為充水或半充水狀態(tài)，與煤層、煤系地層整體呈現(xiàn)中低阻反應。Ⅱ號區(qū)域通過在主要位置ZK2-4、2-3、2-1的施工，區(qū)內(nèi)未見采空區(qū)，但是通過電法工作的成果發(fā)現(xiàn)，在地質(zhì)2線左右向東160 m有一個高阻范圍內(nèi)的中低阻異常區(qū)。把Ⅱ號區(qū)域定為賦水異常區(qū)。

[1]地面瞬變電磁法技術規(guī)程.DZ_T 0187-1997.

[2]煤田資源勘探工程測量規(guī)定.

[3]全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范.

[4]新疆煤田地質(zhì)局綜合地質(zhì)勘查隊.新疆拜城縣阿依冬可檔勘探報告.