瞬變電磁在梅斯布拉克煤礦采空區探測中的應用

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

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瞬變電磁在梅斯布拉克煤礦采空區探測中的應用

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

摘要地下煤層采空后形成的采空區，使礦山面臨很大的安全問題，本文利用瞬變電磁法來探測采空區的存在，重點闡述瞬變電磁法的原理，及應用于實際采空區中的探測，檢驗應用效果。

關鍵詞瞬變電磁法采空區視電阻率塌陷

1　前言

瞬變電磁法是當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物，研究淺至中深層地電結構。具有較高的抗干擾能力和分辨率。本文應用瞬變電磁法，運用GDP 32 II多功能電法儀，通過對采集數據的資料處理與分析，探測并圈定探測區采空區的范圍。

2　測區地質概況

拜城縣梅斯布拉克東礦區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，礦區走向呈北東向，西界與三礦區相鄰，東與怡澤煤業有限責任公司的詳查區相鄰，東礦區由原一、二礦區合并而成，合并后礦區走向長約5 km，南北寬0.70 km左右，面積3.4862 km2。

礦區內分布的地層從新到老有第四系、侏羅系下統、三疊系上統，除第四系不整合于不同時代的地層之上外，其余各套地層之間為整合接觸，地層總體走向呈近東西向，礦區位于庫-拜煤田拜城礦區的東部，拜城礦區內的總體構造形態為一向南傾斜的單斜構造，具有西陡東緩的變化規律。本礦區構造形態與礦區總體構造形態基本一致，為一向南傾斜的單斜構造，傾向160°左右，傾角61°～72°，具有西緩東陡的特征。礦區范圍無巖漿巖侵入，未發現有大的斷裂構造。

3　瞬變電磁法工作方法

3.1基本原理

時間域電磁法（Time Domain Electromagnetic Methods）或稱瞬變電磁法（Transient Electromagnetic Methods），簡寫為TEM。它是利用一接地或不接地回線發射一次磁場，在一次磁場的間歇期間利用同一回線或不同回線接收二次感應磁場。該二次電磁場是由地下良導體受激勵引起的渦流而產生的非穩磁場。由于TEM是在沒有一次場背景的情況下觀測研究二次場（純異常），因此它大大地簡化了對地質對象所產生異常場的研究，對于提高方法的探測能力更具有前景。瞬變電磁法與其它測深方法相比，它具有探測深度大、信息豐富、工作效率高等優點。

當探測地下良導電地質體時，往地面敷設的發送回線中通以一定的脈沖電流，在回線中間及周圍一定區域內便產生穩定磁場（稱一次場或激勵場），如果一次電流突然中斷，則一次磁場隨之消失，使處于該激勵場中的良導電地質體內部由于磁通量的變化而產生感應電動勢。感應電動勢在良導電地質體中產生二次渦流，二次渦流又由于焦耳熱消耗而不斷衰減，其二次磁場也隨之衰減，探測原理見圖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公司生產的GDP32-TEM測量系統。包括GDP32Ⅱ接收機、TEM3高精度磁性號接收探頭和48 V可充電電池組等。

4　資料處理

數據反演采用Zonge公司GDP-32Ⅱ系列瞬變電磁數學算法進行人工深度反演，具體過程如下：

（1）野外原始數據文件轉換為“.txt”文本格式。

（2）在EXCEL表格中打開野外原始文件.txt，進行整理，并附地形數據。

（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，便于確認物探解釋推斷成果的可靠性，繪制最終解釋成果圖。對由surfer8.0繪制的最終解釋成果圖進行數字化，綜合利用各種信息對異常原因進行解釋與推斷。

5　異常特征描述及推斷解釋

5.1解釋原則依據

（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，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、炭質泥巖→泥巖、泥質礫巖。

（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，塌陷地層密實度低于原地層，塌陷疏松程度直接影響地層密實度。

（3）地下采空區對于近水平地層垂直應力破環嚴重，時間越長，破環越嚴重，但對于不同的地層，其承受垂直應力破環的能力不同，且其產狀和厚度也決定其承受能力。第三系、第四系地層密實度相對較低，易受剪切應力破壞；侏羅系泥巖、泥質礫巖具備較高的韌性，受剪切應力破壞的承受力最強；侏羅系砂巖剛性強，承載力較大，但受剪切應力破壞的承受力相對較弱。

5.2視電阻率擬斷面圖推斷解釋

如圖2所示，3線TEM測深剖面長340 m，點距20 m，控制探測深度在300 m左右，電阻率變化在37～98 Ωm之間。地表未出現地裂縫和塌陷坑等現象。

此條剖面從整個電阻率擬斷面圖的反應情況來看，低電阻率范圍變小。

圖2　TEM測深3線電阻率擬斷面及推斷解釋圖

在剖面左側0～100 m標高1 940 m的剖面位置上，出現一電阻率小于50 Ωm的低阻異常，據已知資料顯示，地下水位在標高1 944 m的位置上，所以初步推斷為地下含水層。剖面左側區域電阻率大于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，標高1 910 m的位置上低電阻區域有向高阻部位凹陷的趨勢，推斷此處采空區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～280 m點的位置，采空區雖然目前還沒有影響到地表，但存在時間較長可能會出現采空塌陷等地質災害現象，需立即進行環境治理。

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

此條剖面從整個電阻率擬斷面圖的反應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。據已知資料顯示，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，均以開采至標高1 810 m的位置。在剖面200 m點的位置上，低阻異常有向上凹陷的趨勢，所以初步推斷此處存在采空區，采空區可能充水，在地表出現地裂縫和局部塌陷的現象，說明采空區已出現局部塌陷。由此我們大致可推斷其采空范圍在地面140 m點～280 m點的位置，采空區雖然目前還沒有影響到地表，但存在時間較長可能會出現采空塌陷等地質災害現象，需立即進行環境治理。

圖3　TEM測深5線電阻率擬斷面及推斷解釋圖

6　結論

本次勘探工作充分利用以往的工作資料，通過瞬變電磁測深手段，初步查明了勘查區范圍內煤層和采空區的對應關系，大致推斷采空區的位置和影響范圍。工作資料嚴格按照規范操作，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，采空區所處地層為一個中高阻的環境，局部采空區有充水和塌陷的可能。一般情況下采空區應成為最高阻的電性特征，侏羅系粉砂巖、細砂巖具有含水的能力，使采空區處于一個潮濕的環境中，影響其最高阻的電性特征，使其呈現中低阻特征。

⑵3號、5號剖面根據其異常形態推斷，采空區可能出現局部塌陷或疏松，雖然目前不能影響至地表，但存在時間較長，采空區會出現塌陷，最終將影響至地表。

參考文獻

［1］張勝業，潘玉玲.應用地球物理學原理［M］.武漢:中國地質大學出版社，2004.

［2］樸化榮.電磁勘探法原理.北京:地質出版社，1990.

［3］方文藻，等.瞬變電磁測深法原理.西安:西北工業大學出版社，1993.

收稿：2015-12-30

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