瞬變電磁在梅斯布拉克煤礦采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用

薛彥兵（新疆維吾爾自治區(qū)有色地質(zhì)勘查局地球物理探礦隊(duì)　烏魯木齊　830011）

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瞬變電磁在梅斯布拉克煤礦采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用

薛彥兵
（新疆維吾爾自治區(qū)有色地質(zhì)勘查局地球物理探礦隊(duì)烏魯木齊830011）

摘要地下煤層采空后形成的采空區(qū)，使礦山面臨很大的安全問題，本文利用瞬變電磁法來探測(cè)采空區(qū)的存在，重點(diǎn)闡述瞬變電磁法的原理，及應(yīng)用于實(shí)際采空區(qū)中的探測(cè)，檢驗(yàn)應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞瞬變電磁法采空區(qū)視電阻率塌陷

1　前言

瞬變電磁法是當(dāng)前我國物探工作的重要手段，它基于電性差異，主要用于尋找低阻目標(biāo)物，研究淺至中深層地電結(jié)構(gòu)。具有較高的抗干擾能力和分辨率。本文應(yīng)用瞬變電磁法，運(yùn)用GDP 32 II多功能電法儀，通過對(duì)采集數(shù)據(jù)的資料處理與分析，探測(cè)并圈定探測(cè)區(qū)采空區(qū)的范圍。

2　測(cè)區(qū)地質(zhì)概況

拜城縣梅斯布拉克東礦區(qū)位于拜城縣縣城北東方向70 km的梅斯布拉克村、梅斯布拉克河一帶，礦區(qū)走向呈北東向，西界與三礦區(qū)相鄰，東與怡澤煤業(yè)有限責(zé)任公司的詳查區(qū)相鄰，東礦區(qū)由原一、二礦區(qū)合并而成，合并后礦區(qū)走向長(zhǎng)約5 km，南北寬0.70 km左右，面積3.4862 km2。

礦區(qū)內(nèi)分布的地層從新到老有第四系、侏羅系下統(tǒng)、三疊系上統(tǒng)，除第四系不整合于不同時(shí)代的地層之上外，其余各套地層之間為整合接觸，地層總體走向呈近東西向，礦區(qū)位于庫-拜煤田拜城礦區(qū)的東部，拜城礦區(qū)內(nèi)的總體構(gòu)造形態(tài)為一向南傾斜的單斜構(gòu)造，具有西陡東緩的變化規(guī)律。本礦區(qū)構(gòu)造形態(tài)與礦區(qū)總體構(gòu)造形態(tài)基本一致，為一向南傾斜的單斜構(gòu)造，傾向160°左右，傾角61°～72°，具有西緩東陡的特征。礦區(qū)范圍無巖漿巖侵入，未發(fā)現(xiàn)有大的斷裂構(gòu)造。

3　瞬變電磁法工作方法

3.1基本原理

時(shí)間域電磁法（Time Domain Electromagnetic Methods）或稱瞬變電磁法（Transient Electromagnetic Methods），簡(jiǎn)寫為TEM。它是利用一接地或不接地回線發(fā)射一次磁場(chǎng)，在一次磁場(chǎng)的間歇期間利用同一回線或不同回線接收二次感應(yīng)磁場(chǎng)。該二次電磁場(chǎng)是由地下良導(dǎo)體受激勵(lì)引起的渦流而產(chǎn)生的非穩(wěn)磁場(chǎng)。由于TEM是在沒有一次場(chǎng)背景的情況下觀測(cè)研究二次場(chǎng)（純異常），因此它大大地簡(jiǎn)化了對(duì)地質(zhì)對(duì)象所產(chǎn)生異常場(chǎng)的研究，對(duì)于提高方法的探測(cè)能力更具有前景。瞬變電磁法與其它測(cè)深方法相比，它具有探測(cè)深度大、信息豐富、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)。

當(dāng)探測(cè)地下良導(dǎo)電地質(zhì)體時(shí)，往地面敷設(shè)的發(fā)送回線中通以一定的脈沖電流，在回線中間及周圍一定區(qū)域內(nèi)便產(chǎn)生穩(wěn)定磁場(chǎng)（稱一次場(chǎng)或激勵(lì)場(chǎng)），如果一次電流突然中斷，則一次磁場(chǎng)隨之消失，使處于該激勵(lì)場(chǎng)中的良導(dǎo)電地質(zhì)體內(nèi)部由于磁通量的變化而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在良導(dǎo)電地質(zhì)體中產(chǎn)生二次渦流，二次渦流又由于焦耳熱消耗而不斷衰減，其二次磁場(chǎng)也隨之衰減，探測(cè)原理見圖1。

圖1　TEM法工作原理示意圖

3.2使用儀器

瞬變電磁工作采用美國Gonge公司生產(chǎn)的GDP32-TEM測(cè)量系統(tǒng)。包括GDP32Ⅱ接收機(jī)、TEM3高精度磁性號(hào)接收探頭和48 V可充電電池組等。

4　資料處理

數(shù)據(jù)反演采用Zonge公司GDP-32Ⅱ系列瞬變電磁數(shù)學(xué)算法進(jìn)行人工深度反演，具體過程如下：

（1）野外原始數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為“.txt”文本格式。

（2）在EXCEL表格中打開野外原始文件.txt，進(jìn)行整理，并附地形數(shù)據(jù)。

（3）在surfer8.0軟件中繪制視電阻率擬斷面圖，去除因外界干擾引起的異常，便于確認(rèn)物探解釋推斷成果的可靠性，繪制最終解釋成果圖。對(duì)由surfer8.0繪制的最終解釋成果圖進(jìn)行數(shù)字化，綜合利用各種信息對(duì)異常原因進(jìn)行解釋與推斷。

5　異常特征描述及推斷解釋

5.1解釋原則依據(jù)

（1）TEM擬斷面圖上電阻率特征主要是地層電阻率特性所反應(yīng)，地層電阻率值由高到低依次為：煤層→戈壁砂礫石層→侏羅系砂巖→粉砂巖、炭質(zhì)泥巖→泥巖、泥質(zhì)礫巖。

（2）不充水空洞為高阻，疏松不充水地層電阻率高于同層原地層，塌陷充水地層電阻率低于同層原地層，塌陷地層密實(shí)度低于原地層，塌陷疏松程度直接影響地層密實(shí)度。

（3）地下采空區(qū)對(duì)于近水平地層垂直應(yīng)力破環(huán)嚴(yán)重，時(shí)間越長(zhǎng)，破環(huán)越嚴(yán)重，但對(duì)于不同的地層，其承受垂直應(yīng)力破環(huán)的能力不同，且其產(chǎn)狀和厚度也決定其承受能力。第三系、第四系地層密實(shí)度相對(duì)較低，易受剪切應(yīng)力破壞；侏羅系泥巖、泥質(zhì)礫巖具備較高的韌性，受剪切應(yīng)力破壞的承受力最強(qiáng)；侏羅系砂巖剛性強(qiáng)，承載力較大，但受剪切應(yīng)力破壞的承受力相對(duì)較弱。

5.2視電阻率擬斷面圖推斷解釋

如圖2所示，3線TEM測(cè)深剖面長(zhǎng)340 m，點(diǎn)距20 m，控制探測(cè)深度在300 m左右，電阻率變化在37～98 Ωm之間。地表未出現(xiàn)地裂縫和塌陷坑等現(xiàn)象。

此條剖面從整個(gè)電阻率擬斷面圖的反應(yīng)情況來看，低電阻率范圍變小。

圖2　TEM測(cè)深3線電阻率擬斷面及推斷解釋圖

在剖面左側(cè)0～100 m標(biāo)高1 940 m的剖面位置上，出現(xiàn)一電阻率小于50 Ωm的低阻異常，據(jù)已知資料顯示，地下水位在標(biāo)高1 944 m的位置上，所以初步推斷為地下含水層。剖面左側(cè)區(qū)域電阻率大于90 Ωm，初步推斷為礫巖、砂礫巖地層的電性反映。該剖面可采煤層主要以A3、A5和A7煤層為主，據(jù)資料顯示煤層已開采至1 810 m水平。在物探剖面中的200 m點(diǎn)，標(biāo)高1 910 m的位置上低電阻區(qū)域有向高阻部位凹陷的趨勢(shì)，推斷此處采空區(qū)可能具有充水或者是塌陷含水。由此我們大致可推斷其采空范圍在地面120 m點(diǎn)～280 m點(diǎn)的位置，采空區(qū)雖然目前還沒有影響到地表，但存在時(shí)間較長(zhǎng)可能會(huì)出現(xiàn)采空塌陷等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，需立即進(jìn)行環(huán)境治理。

如圖3所示，5線TEM測(cè)深剖面總長(zhǎng)340 m，點(diǎn)距20 m，控制探測(cè)深度在300 m左右，電阻率變化在37～ 114 Ωm之間，局部出現(xiàn)地裂縫及塌陷，在勘探之前均已回填。

此條剖面從整個(gè)電阻率擬斷面圖的反應(yīng)情況和已知資料顯示，剖面地層主要以粗砂巖、中砂巖地層為主，局部夾有粉砂巖、細(xì)砂巖低阻地層。剖面中部高阻異常斷開成為兩部分，剖面上部與下部電阻率在低處均有凹陷和連接的趨勢(shì)。據(jù)已知資料顯示，此處有一含礫巖破碎帶，成為地下水的通道，向基巖含水層補(bǔ)給。開采煤層主要以A3、A5和A7為主，其中A3、A5煤層較厚，均以開采至標(biāo)高1 810 m的位置。在剖面200 m點(diǎn)的位置上，低阻異常有向上凹陷的趨勢(shì)，所以初步推斷此處存在采空區(qū)，采空區(qū)可能充水，在地表出現(xiàn)地裂縫和局部塌陷的現(xiàn)象，說明采空區(qū)已出現(xiàn)局部塌陷。由此我們大致可推斷其采空范圍在地面140 m點(diǎn)～280 m點(diǎn)的位置，采空區(qū)雖然目前還沒有影響到地表，但存在時(shí)間較長(zhǎng)可能會(huì)出現(xiàn)采空塌陷等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，需立即進(jìn)行環(huán)境治理。

圖3　TEM測(cè)深5線電阻率擬斷面及推斷解釋圖

6　結(jié)論

本次勘探工作充分利用以往的工作資料，通過瞬變電磁測(cè)深手段，初步查明了勘查區(qū)范圍內(nèi)煤層和采空區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，大致推斷采空區(qū)的位置和影響范圍。工作資料嚴(yán)格按照規(guī)范操作，取得以下成果：

⑴通過瞬變電磁初步推斷侏羅系礫巖、砂巖、粗砂巖地層電阻率最高，采空區(qū)所處地層為一個(gè)中高阻的環(huán)境，局部采空區(qū)有充水和塌陷的可能。一般情況下采空區(qū)應(yīng)成為最高阻的電性特征，侏羅系粉砂巖、細(xì)砂巖具有含水的能力，使采空區(qū)處于一個(gè)潮濕的環(huán)境中，影響其最高阻的電性特征，使其呈現(xiàn)中低阻特征。

⑵3號(hào)、5號(hào)剖面根據(jù)其異常形態(tài)推斷，采空區(qū)可能出現(xiàn)局部塌陷或疏松，雖然目前不能影響至地表，但存在時(shí)間較長(zhǎng)，采空區(qū)會(huì)出現(xiàn)塌陷，最終將影響至地表。

參考文獻(xiàn)

［1］張勝業(yè)，潘玉玲.應(yīng)用地球物理學(xué)原理［M］.武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2004.

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收稿：2015-12-30

DOI:10.16206/j.cnki.65-1136/tg.2016.03.006