瞬變電磁地球物理勘探在露天礦采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用

劉愛兄

（神華準(zhǔn)能集團(tuán)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300）

近幾年，隨著我國(guó)對(duì)煤炭資源整合力度[1]的加強(qiáng)，許多小型地下開采的礦井整合成大型露天煤礦。但整合型之前在礦區(qū)分布著多家民營(yíng)采礦企業(yè)，開采對(duì)象主要是煤層埋深淺、煤質(zhì)發(fā)熱量高的煤層，這些礦山當(dāng)年獲批的礦區(qū)面積狹小，幾個(gè)礦在同一區(qū)域、不同位置開采，在沿水平和垂直方向采空區(qū)聯(lián)通、空間形態(tài)、采空高度缺乏歷史資料，詳細(xì)情況不明，嚴(yán)重威脅到露天開采剝離及煤炭資源高效回收工作，給采空區(qū)上方作業(yè)的人員及設(shè)備造成重大安全隱患。利用瞬變電磁法勘探技術(shù)在原地形對(duì)采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)，既不影響礦山日常生產(chǎn)，又能查明采空區(qū)范圍，為礦山安全生產(chǎn)[2]提供一定的技術(shù)支撐。

1 礦區(qū)概況

哈爾烏素露天煤礦隸屬國(guó)家能源集團(tuán)有限公司，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾煤田中部，20 世紀(jì)中期至21 世紀(jì)初，陸續(xù)在哈爾烏素露天煤礦礦區(qū)范圍內(nèi)建礦開采煤炭，由于當(dāng)時(shí)采用較為落后的井下爆破開采工藝，再加上地下開采規(guī)模有限，采空區(qū)大多數(shù)以未完全塌陷的充水、充氣、水氣共存的半充填狀態(tài)存在。

為提高煤炭資源回收率，有效利用不可再生煤炭資源，礦區(qū)內(nèi)原有小煤窯于2005 年之前均已依法關(guān)停。目前，哈爾烏素露天煤礦上部剝離臺(tái)階即將進(jìn)入大陰塔小煤窯采空區(qū)上方作業(yè)，按照“有疑必探，先探后采”的既定原則，采用瞬變電磁探測(cè)技術(shù)，提前查明采空區(qū)范圍，為采空區(qū)安全生產(chǎn)提供保障。

2 瞬變電磁地球物理勘探原理

瞬變電磁法（TEM）[3]是電磁感應(yīng)類探測(cè)方法之一，它遵循電磁感應(yīng)原理，其機(jī)理就是導(dǎo)電介質(zhì)在階躍變化的電磁場(chǎng)激發(fā)下而產(chǎn)生的渦流場(chǎng)效應(yīng)，即利用1 個(gè)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(chǎng)源（習(xí)慣上稱為“一次場(chǎng)”），根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，脈沖電磁波結(jié)束以后，探測(cè)目標(biāo)在激發(fā)場(chǎng)（即“一次場(chǎng)”）的作用下，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生感生的渦流。人們雖然不能直接測(cè)量這種渦流的大小，但是可以利用專門儀器觀測(cè)這種渦流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)（稱為“二次場(chǎng)”[4]）的強(qiáng)弱、空間分布特性和時(shí)間特性。

一般來說，探測(cè)目標(biāo)的幾何規(guī)模越大、埋藏越淺、導(dǎo)電性越好則二次場(chǎng)的信號(hào)越強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，反之，探測(cè)目標(biāo)的幾何規(guī)模越小、埋藏越深、導(dǎo)電性越差則二次場(chǎng)的信號(hào)越弱持續(xù)時(shí)間越短。通過觀測(cè)和研究“二次場(chǎng)”的空間分布特性和時(shí)間特性，可以推測(cè)解譯地層或目標(biāo)體地質(zhì)的幾何和物性特征[5]。

3 探測(cè)過程

3.1 設(shè)計(jì)工作量與技術(shù)措施

1）設(shè)計(jì)工作量。哈爾烏素露天煤礦大陰塔采空區(qū)采用瞬變電磁法探測(cè)，設(shè)計(jì)測(cè)線線距50 m，測(cè)線18 條，點(diǎn)距5 m，測(cè)點(diǎn)2 900 個(gè)。

2）嚴(yán)格按國(guó)家煤炭工業(yè)局2000 年頒發(fā)的MT/T 898—2000 煤炭電法勘探規(guī)范、DZ/T 0187—2016 地面磁性源瞬變電磁法技術(shù)規(guī)程和原煤炭工業(yè)部制定的《煤炭資源勘探工程測(cè)量規(guī)程》及設(shè)計(jì)進(jìn)行，嚴(yán)格按ISO9001:2008 質(zhì)量認(rèn)證體系要求施工[6]。

3）收集了本區(qū)及鄰區(qū)生產(chǎn)補(bǔ)充勘探鉆孔資料及各種水文地質(zhì)資料，充分利用鄰區(qū)的勘探方法，做到心中有數(shù)，有利于對(duì)電法勘探分辨率的分析，對(duì)施工參數(shù)進(jìn)行合理的選擇[7]。數(shù)據(jù)的采集，首先應(yīng)進(jìn)行測(cè)量工作，對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)的高程進(jìn)行實(shí)測(cè)，當(dāng)觀測(cè)點(diǎn)位置確定后，確定儀器因素，主要試驗(yàn)工作是儀器的穩(wěn)定性及施工參數(shù)試驗(yàn)，最終確定適合本次電法勘探的施工參數(shù)。

3.2 數(shù)據(jù)處理過程

當(dāng)日采集的原始數(shù)據(jù)用專業(yè)軟件打印出野外采集原始單枝衰減曲線進(jìn)行驗(yàn)收評(píng)級(jí)，并計(jì)算其對(duì)應(yīng)的視電阻率。

1）常規(guī)處理。對(duì)驗(yàn)收合格的原始資料，應(yīng)用計(jì)算機(jī)計(jì)算各測(cè)點(diǎn)的視電阻率值，并繪制視電阻率斷面圖，做為下一步定性分析和定量解釋提供基礎(chǔ)圖件。

2）預(yù)處理。對(duì)驗(yàn)收合格的原始數(shù)據(jù)，及時(shí)進(jìn)行了預(yù)處理，根據(jù)數(shù)據(jù)評(píng)級(jí)的結(jié)果，對(duì)信噪比較低的數(shù)據(jù)進(jìn)行了濾波，對(duì)干擾嚴(yán)重的數(shù)據(jù)道進(jìn)行了剔除，并將數(shù)據(jù)格式進(jìn)行了轉(zhuǎn)換，將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為處理軟件處理的格式，為下一步工作打好基礎(chǔ)。

3）地形校正。地形影響在TEM 剖面圖上顯示為視電阻率走勢(shì)和地形趨勢(shì)相似，“逢溝必低”現(xiàn)象顯著。為了避免與減小地形影響、取得良好的校正效果，采用鉆孔標(biāo)志層深度刻度的方法來進(jìn)行單點(diǎn)系數(shù)法校正。首先利用GRAF 和SURFER 軟件繪制定性圖件視電阻率擬斷面草圖，然后針對(duì)個(gè)別受干擾點(diǎn)進(jìn)行濾波、圓滑或剔除處理，接著根據(jù)生產(chǎn)勘探鉆孔資料對(duì)斷面圖中的標(biāo)志電性層位進(jìn)行標(biāo)定刻度，對(duì)不符合電性層位規(guī)律的進(jìn)行校正，最后生成視電阻率斷面圖，用于后續(xù)圖件編制和各目的層采空區(qū)的分析和解釋。

4 數(shù)據(jù)解譯

針對(duì)本次地面瞬變電磁勘探目標(biāo)，根據(jù)瞬變電磁的視電阻率數(shù)據(jù)，分析其變化規(guī)律，結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)及已知鉆孔資料，綜合分析對(duì)比，解釋確定主要煤層的采空范圍[8]。

4.1 定性解譯

依據(jù)瞬變電磁方法及理論，以物性為前提，結(jié)合地質(zhì)、鉆探及其它物探方法等進(jìn)行。根據(jù)剖面曲線特性以及相應(yīng)的平面特征，進(jìn)行定性解譯。

1）正常場(chǎng)的確定。正常場(chǎng)的確定本身就是一項(xiàng)解釋，一般選擇地層分布均勻、裂隙不發(fā)育、影響因素小的地區(qū)，選擇瞬變響應(yīng)衰減迅速、規(guī)律性好、相同規(guī)律范圍大的曲線作為背景場(chǎng)。

2）異常場(chǎng)的分析及確定。分析確定正常場(chǎng)，對(duì)比分析斷、剖面圖及視電阻率等值線平面圖特征，查明異常軸、確定異常帶；根據(jù)地質(zhì)地形圖以及野外記錄，剔除干擾異常，比如輸大型車輛、礦用導(dǎo)電電纜、高壓線等電力設(shè)備；仔細(xì)分析異常帶，辨別出覆蓋層不均勻性引起的異常、斷裂構(gòu)造異常和含水層含水有關(guān)的異常；根據(jù)異常特征，結(jié)合探測(cè)區(qū)異常的剖面及平面分布特征，和異常產(chǎn)狀在地質(zhì)上的可能性，綜合分析解釋，然后確定異常場(chǎng)。

3）電性解釋與綜合地質(zhì)分析相結(jié)合。充分研究目的層、目標(biāo)物及相關(guān)地層對(duì)應(yīng)物性標(biāo)志，同時(shí)進(jìn)行點(diǎn)線面對(duì)比解釋，并注意各標(biāo)志縱橫向聯(lián)系。對(duì)獲取的單支曲線、物性參數(shù)剖面進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，分析各種地質(zhì)特征在圖件上所表現(xiàn)出的特征。

4.2 定量解譯

對(duì)采空區(qū)的解釋不僅從定性圖件上進(jìn)行分析，而且要結(jié)合單點(diǎn)數(shù)據(jù)和單枝衰減曲線進(jìn)行定量解譯。采用定性圖件和已知地質(zhì)資料分析煤層采空情況，結(jié)合計(jì)算的視電阻率和已知鉆孔資料，提高解釋精度。以S16 線為例分析，S16 線視電阻率斷面圖如圖1。

圖1 S16 線視電阻率斷面圖

從圖1 中可以看出，視電阻率值電性分層明顯。上部地表埋深在50 m 以內(nèi)空白部分是瞬變電磁探測(cè)的盲區(qū)；淺部埋深在1 050 m 以淺，視電阻率值相對(duì)較低、視電阻率值由淺到深依次遞增，分析是二疊系砂泥質(zhì)沉積及碎屑巖沉積層。巖性上部以泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂巖為主；下部以粗粒砂巖、含礫粗粒砂巖、細(xì)礫砂巖為主。埋深在1 050 m 以下，是石炭系太原組地層，巖性以砂巖、中、粗粒石英砂巖及煤層組成，視電阻率值相對(duì)升高，是本區(qū)最主要的含煤地層。

4.3 綜合解譯

本探測(cè)區(qū)位于哈爾烏素露天礦首采區(qū)，其含煤地層為山西組和太原組，太原組是本區(qū)主要含煤地層。區(qū)內(nèi)主采煤層共計(jì)2 層，其中5#煤層局部可采，6#煤層全區(qū)可采。本次主要對(duì)6#煤層小煤窯采空區(qū)分布形態(tài)進(jìn)行探測(cè)分析。

探測(cè)區(qū)內(nèi)的含煤地層主要為山西組及太原組，煤層穩(wěn)定性較好。相對(duì)于圍巖來說，低密度、較高電阻率的煤層，與圍巖的物性差異顯著。電法對(duì)煤層采空區(qū)的解釋依據(jù)為物的電性差異，地下煤層采空后，固有物性變化規(guī)律將被打破，導(dǎo)致采空區(qū)與周圍巖層差異突出。不含水，則采空區(qū)表現(xiàn)為高電阻率特征；積水，則電性相對(duì)較低。正是這種電性的變化，使采空區(qū)表現(xiàn)出與周圍巖層有較大差異。

電法資料的解釋推斷遵守從已知到未知、從點(diǎn)到面、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從局部到全區(qū)的原則，通過觀測(cè)和研究“二次場(chǎng)”的空間分布特性，推測(cè)解譯地層或地質(zhì)目標(biāo)體的幾何和物性特征。結(jié)合視電阻率斷面圖綜合分析采空區(qū)的分布形態(tài)。本區(qū)所有瞬變電磁測(cè)線均繪制了視電阻率斷面圖。

S17 線視電阻率斷面圖如圖2，圖中在17＃～35＃號(hào)點(diǎn)、75?！?6＃點(diǎn)之間，埋深在6#煤層附近，視電阻率值相對(duì)較高，視電阻率等值線分布不均，分析是由于煤層的采空，破壞了地層電性在橫向上的均一性，導(dǎo)致視電阻率值變化起伏較大，且分布不均勻，是典型的采空區(qū)的電性反映，將其劃分為疑似采空區(qū)段。

圖2 S17 線視電阻率斷面圖

S10 測(cè)線的視電阻率斷面圖如圖3。圖中在51#～60#點(diǎn)、83#～120#點(diǎn)之間，埋深在6#煤層附近，視電阻率值相對(duì)較高，視電阻率等值線分布不均，是典型的采空區(qū)的電性反映，結(jié)合野外施工的實(shí)際情況，施工期間，在此區(qū)間段施工車輛過往頻繁，且無法避讓，給野外施工造成很大的干擾，所以此區(qū)間段不排除是受干擾引起的高阻異常區(qū)，故將其劃分為解釋異常區(qū)。在160#～214#點(diǎn)之間的區(qū)段，視電阻率值較低，視電阻率等值線分布異常，結(jié)合實(shí)際情況，分析是由于地表存在高壓電纜網(wǎng)，在電纜網(wǎng)附近受其干擾造成的低阻異常區(qū)。

根據(jù)各測(cè)線視電阻率斷面圖及目的層所對(duì)應(yīng)的瞬變電磁采樣道（深度），抽取目的層位的視電阻率值作順層平面圖，然后對(duì)比視電阻率斷面圖的電阻率變化情況，并結(jié)合已知水文地質(zhì)及野外調(diào)查資料，初步劃分了6#煤層疑似采空區(qū)范圍。根據(jù)視電阻率變化情況并結(jié)合已知水文地質(zhì)資料及野外調(diào)查資料綜合分析，初步劃分了6#煤層疑似采空區(qū)范圍，其中將視電阻率值大于400 Ω·m 劃分為6#煤層疑似采空區(qū)域；將受干擾區(qū)域劃分為解釋異常區(qū)[9]。

圖3 S10 線視電阻率斷面圖

4.4 數(shù)據(jù)解譯成果分析

探測(cè)結(jié)果采空區(qū)平面分布圖如圖4。

圖4 探測(cè)結(jié)果采空區(qū)平面分布圖

本次地面物探經(jīng)過緊張有序的野外施工，圓滿完成了本區(qū)相關(guān)合同及設(shè)計(jì)中提出的工作量。在施工過程中，嚴(yán)格執(zhí)行了《煤炭電法勘探規(guī)范》、《地面磁性源瞬變電磁法技術(shù)規(guī)程》等相關(guān)要求，確保原始數(shù)據(jù)可靠。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，本區(qū)實(shí)際完成測(cè)線17 條，完成瞬變電磁物理點(diǎn)3 000 個(gè)；完成勘探面積6.5 萬m2。在資料整理、分析和解釋過程中，盡可能收集以往區(qū)內(nèi)、鄰區(qū)的地質(zhì)、鉆探、水文資料，經(jīng)過對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)處理后，獲得終了解釋圖件。初步劃分出6#煤層疑似采空區(qū)及解釋異常區(qū)的分布范圍，勘探范圍內(nèi)解釋6#煤層疑似采空區(qū)2 個(gè)區(qū)塊，疑似采空區(qū)1 面積約38 892 m2，可靠程度為較可靠；疑似采空區(qū)2 面積約10 255 m2，可靠程度為較可靠，分布在測(cè)區(qū)南部及東部勘探范圍邊界附近。受測(cè)區(qū)內(nèi)地表地物及施工車輛的干擾影響，解釋6#煤層異常區(qū)2個(gè)區(qū)塊，異常區(qū)1 面積約5 826 m2，可靠程度較差；異常區(qū)2 面積約57 966 m2，可靠程度較差，分布在測(cè)區(qū)的中部及中南部區(qū)域。

5 結(jié)論

1）采用地球物理勘探方法探查煤礦采空區(qū)，是煤礦采空區(qū)安全治理的一項(xiàng)重要工作，瞬變電磁法是煤礦采空區(qū)探查行之有效的方法之一。

2）基于瞬變電磁法對(duì)哈爾烏素露天煤礦大陰塔采空區(qū)分布范圍進(jìn)行了研究。分析結(jié)果表明：探測(cè)區(qū)6#煤東南部2 個(gè)區(qū)塊電阻率變化異常，可能存在采空區(qū)。

3）根據(jù)《煤礦地質(zhì)規(guī)定》中“保障安全”的原則，需對(duì)圈定出電阻率異常的區(qū)域，采取必要手段進(jìn)行驗(yàn)證，確保礦山安全生產(chǎn)。