瞬變電磁法在新疆吐魯番市硝爾布拉克煤礦區采空區的應用

【摘 要】新疆吐魯番市硝爾布拉克煤礦區內有6個廢棄的小煤窯，由于廢棄煤窯關閉時間長，各煤窯開采深度、巷道采長不詳。為了解決采空區問題，本次工作采用了瞬變電磁法，利用巖石孔隙、裂隙中含水量大小的不同，以及含水量相同的不同巖石礦化程度不同，巖石的電阻率也不同這一物性特征，來對煤礦采空區范圍、深度及賦水情況進行查明。

【關鍵詞】瞬變電磁 TEM 采空區 電阻率

新疆吐魯番市硝爾布拉克煤礦區位于吐魯番市偏西北方向，大河沿鎮以北18千米處。地處吐魯番盆地北緣，博格達山南麓的低山丘陵地帶，總體呈現北高南低的緩波狀地形。區內出露地層有侏羅系下統三工河組，侏羅系中統西山窯組、頭屯河組，新近系上更新統葡萄溝組和第四系。本區的構造主要位于大河沿河東背、向斜區域構造部位。勘查區構造形態為一傾沒的倒轉向斜和背斜。

自1979年到2001年初，礦區內先后有年產1-2萬噸小煤窯6個，主采B2、B3、B4號煤層，開采范圍均在煤層露頭以下200米以淺。2001年這6個小煤窯先后全部關閉停產。由于關停廢棄小煤窯廢棄時間長，關閉時間、水平深度，巷道采長不詳。根據走訪和調查，個別小煤窯還存在大水淹井、小面積著火的情況，因此，無法采用巷道測量法來確定采空區的范圍。為了解決這一采空區范圍問題，結合礦井的實際情況，采用了國內應用較多且較為準確的瞬變電磁法來查明，并用鉆探輔以證明。

1 煤礦區內地球物理特性

電法勘探主要研究的物性參數是電阻率。理論上講，干燥的巖石和空氣的導電性極差，其電阻率值趨向無窮大。但實際上巖石孔隙、裂隙總是含水的，并且隨著巖石含水量的增大，其電阻率值會急劇變低。而含水量相同的不同巖石由于礦化程度的不同，其電阻率值也可能差別很大。另外斷層的電阻率值根據其破碎帶寬度和含水量大小有不同程度的變化，不含水的溶洞電阻率值極高而含水溶洞的電阻率值很低。因此根據斷層和巖層等的電阻率值大小，也就可以間接了解其賦水情況，這就是利用電法勘探的地球物理依據。

區內為典型的戈壁灘地貌，地表多為碎石、煤屑、砂土所覆蓋，局部為火燒區，還有大小不同的塌陷、裂隙和煤洞，從搜集到的北翼N23線附近的5-1、5-2號鉆孔和南翼S10線附近的1-1號鉆孔的測井資料來看，煤層、侏羅系下統三工河組和侏羅系中統西山窯組地層在標高1100以上的側向電阻率值很低。如果巷道或采空區不含水或含水較少則電阻率值應該較高，就與未經開采的煤層和圍巖存在明顯的物性差異，這為利用電法勘探查明采空區提供了較可靠的物理前提。

2 工作方法

2.1 測網布置

根據圈定的工作范圍，測線布設為沿地層向斜兩翼垂直地層走向布設。基本測網密度設計為40m×10m，即線距40m，點距10m。在測區北翼設計南北向測線31條，在測區南翼設計東西向測線31條，共布設測線62條，設計測點1160個，質量檢測點37個。

2.2 試驗參數選擇

通過分析煤礦區的有關地質、地表條件，然后確定最佳施工裝置為大定回線裝置，發射回線大小選擇為300m×300m和360m×360m進行試驗。本次工作的目標深度為200m，因此選擇8.333Hz和25Hz的發射頻率進行試驗，以便在保證數據信噪比的同時又能達到勘探目的層。

（1）在北翼5線附近沿測線方向，發射線框分別為300m×300m和360m×360m，發射頻率為25Hz，電流分別為17.8A和19.3A，各完成測點12個，采集時間為80秒～120秒，疊加次數超過1000次。

（2）在南翼23線附近垂直測線方向，發射線框為360m×360m，發射頻率分別為25Hz和8.333Hz，電流均為15.1A，分別完成測點9個和18個，采集時間為96秒～156秒，疊加次數超過1000次。

2.3 野外采集工作質量評述

野外采集的數據質量以總的平均均方誤差來衡量，其計算公式為：

式中 、 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，n為參加計算的道數。M為總的平均均方相對誤差。

將37個檢查點與對應的原始數據按1～20道進行統計計算后，得到其平均均方相對誤差為 1.432%，符合規范中不超過 15%的要求，說明野外觀測數據準確可靠，質量較高。

3 數據處理與解釋

3.1 數據處理

野外采集的數據處理前，首先對其逐點進行整理和預處理，即利用預處理軟件檢查數據質量，剔除不合格數據，并對其進行編錄，整理成專用數據處理軟件所需要的順序和格式，接著每個測點的數據進行去跳點，以去除受干擾影響明顯的測道，然后利用反演軟件選擇不同的參數建立地電模型擬合原始曲線，并在此基礎上根據有關地質和鉆探資料再做必要的深度校正，將所得到的最合適的參數用于整條測線進行反演，對所有測線選擇參數進行反演后將得到的數據以視電阻率斷面圖、平面等值線圖的形式繪制出來，這些圖件即是今后資料分析解釋的基礎材料。

3.2 數據解釋

資料的解釋和處理工作其實是同時進行的，它們之間存在一種從實踐到認識的提高過程，如上訴資料處理步驟中的深度校正就存在一個初步解釋過程。瞬變電磁法勘探資料的解釋仍遵循與其它電法相同的規律與程序，即依據所測得的視電阻率變化規律，結合已知地質、鉆孔資料，從已知到未知，從簡單到復雜，進行綜合對比分析解釋。根據本次電法勘探的任務，依據鉆孔資料確定目的層所對應的電性層位，結合定性圖件和已知地質資料分析含水層和采空區的大致范圍，再通過綜合分析及反演得到的視電阻率斷面圖和平面圖，最終解釋富水區和采空區的位置和深度。

4 結語

根據收集到的以往地質工作資料，結合本次瞬變電磁法工作成果，分析了視電阻率斷面圖和平面圖，劃分了異常范圍，其中南翼的高阻采空異常主要分布在S13線～S39線之間，面積約為209435m2，北翼的N1～N26線之間，面積約為76473m2，深度范圍均主要在150m以淺。

參考文獻：

[1]新疆煤田地質局綜合地質勘查隊.新疆吐魯番市硝爾布拉克煤礦勘探報告.

[2]《地面瞬變電磁法技術規程》.DZ_T 0187-1997.

作者簡介：賴章勁（1988-），男，新疆阜康市人，助理工程師，2010年畢業于遼寧工程技術大學地質工程專業，從事煤田地質勘探工作。