瞬變電磁法及大功率激電測深在礦山采空區調查中的應用研究

郭鵬文，陳興峰

（天津華北地質勘查局核工業二四七大隊，天津 301800）

一直以來，我國對礦產的開采和需求量都很大，由于大量的礦產開采，形成了大量礦山采空區，礦山采空區對當地居民的生活安全以及對地質環境造成了很大的影響，所以查明重要礦區采空區、了解采空區（老空）積水現狀，地質災害、土地資源破壞等基本特征；對礦山采空區進行物探測量分析研究，對礦區破壞土地恢復治理及礦區綜合治理提出規劃建議，為礦山土地類型、地質環境功能修復提供依據。

1 調查區地質環境概況

調查區位于軒崗鎮馬圈到黃甲堡一帶，屬中山和低中山區。東面與西北部山勢陡峻，山體走向北東-南西，東南陡坡基巖裸露；西北坡緩，多被黃土覆蓋。

區內出露地層由老至新依次為中奧統馬家溝組、石炭系本溪組、太原組、二疊系山西組、下石盒子組、上市盒子組和石千峰組，第三系上新統、及第四系黃土及沖積層，地層中旋徊結構清晰，標志層特征明顯，變化不大，層位穩定，巖層組合等都有較大區別，故地層對比比較可靠，特別是礦系地層的劃分和主要礦層，對比可靠，黃甲堡井田含煤地層為二疊系山西組和石炭系太原組、本溪組。含礦兩層，自上而下為1號，2號礦層，其中2號礦為礦井主要可采礦層，全區或基本全區可采。黃甲堡井田處在黃甲堡斷層之間，這兩條斷層傾向相反，斷距較大，斷層分布在井田東南邊緣，為東南盤下降的正斷層，黃家堡以北，斷層走向NE35°～40°，黃甲堡以南轉向SN40°左右，全長16km，在井田內延伸約5km。斷層傾角62°～80°。

2 瞬變電磁法及大功率激電測深

2.1 瞬變電磁測深理論依據

根據地質資料可知勘探區內地層完整，沒有地質構造及采空破壞時，電阻率斷面電性特征明顯從上到下逐漸升高。地下的煤層被采出后，在巖層內形成一個有一定規模的空間，與圍巖相比，采空區的電阻率為無窮大，會出現相對高阻異常區。但是隨著時間的推移，上覆巖層就會在地球重力的作用下逐漸斷裂、塌陷，地下水就會侵入，采空區的電阻率隨著發生變化，會出現相對低阻異常區[1]。因為采空區存在這樣電阻率差異的前提，整套地層的電阻率在縱向上呈現為低～中～高的特征反映，為A型（如表1），瞬變電磁勘探背景條件較好，具備瞬變電磁勘探的地球物理前提，因此本次勘探選擇對電阻率差異反映比較敏感的瞬變電磁法測深進行調查。

表1 測區地層電性一覽表

2.2 大功率激電測深理論依據

本方法是供電電極AB和測量電極MN在同一條直線上，以測點為中心左右對稱，在同一個測點上，按一定比例逐漸加大供電電極距，進行視電阻率測量。隨著供電電極距AB的加大，電流場明顯作用范圍加深變廣，因為不同的地層及地質條件，反應出不同的電性差異，測得的視電阻率值反映了測深點下方沿垂直方向上的電性變化情況［3］，能夠明了的看出地下采空區的范圍位置，所以采用大功率激電測深法調查研究。本次物探勘測不僅觀測反映巖礦石導電性能的視電阻率，同時也可觀測巖礦石激發極化性質的視極化率。

3 采空區斷面解釋

3.1 采礦層特征

本調查區太原組為礦田的主要含礦地層1號，2號煤層為可采礦層，它們的特征是：1號礦層厚2.48m～7.32m，平均5.88m，比較穩定。礦層的直接頂板以砂質泥巖為主，也有泥巖或者粘土頁巖，局部有0.35m的偽頂，老頂是砂巖。底板為中、細粒砂巖。2號礦層厚0.2m～26m，平均為9.13m，由南向北變薄，南部厚度較穩定，其厚10m～15m。

3.2 采空區異常特征及解釋原則

依據測量結果總結出的采空（破壞）區上方的TEM異常特征和對稱四極激電測深特征，對TEM視電阻率斷面圖及對稱四極激電測深視電阻率斷面圖進行解釋，劃出斷面圖上異常區的分布。結合地面調查結果圈出采空（破壞）區異常的平面分布。對稱四極測深解釋結果彌補了由于電磁噪聲過大及房柱式采礦對瞬變電磁解釋精度不利影響。從全區TEM視電阻率斷面圖縱向上看，從淺到深其視電阻率呈現中～低～高的電性特征［2］。由于瞬變電磁法缺失淺部地層地質信息。試驗總結出采空區TEM異常特征為：①視電阻率的橫向分帶性，視電阻率值沿測線具有一定的變化；②低阻異常特征；③形態上表現為向下彎曲的低阻及相對低阻。因此在TEM視電阻率斷面圖上具有上述特征的異常均推斷為采空區。結合地面調查結果、采空區異常特征及異常解釋的原則對全區TEM視電阻率斷面及對稱四極激電測深視電阻率斷面進行解釋。

3.3 采空區推斷解釋

為了查明調查采空區的富水情況和垂向分布特征，布設1條瞬變電磁測深（2800線），點距40m，在相同位置布設對稱四極激電測深，分別為27，28，29線。現就重點斷面解釋如下：

圖1為2800線TEM視電阻率擬斷面圖，該范圍內1號礦層埋深較淺，在3360-3440號測點之間1號礦層層位出現風氧化帶；在2200-2800、3240-3360號測點之間視電阻率等值線表現為向下凹陷且等值線變密特征；2號礦層層位視電阻率等值線出現畸變的區段主要集中在2200-2520、2840-3120、3240-3440號測點之間，視電阻率值相對較低，推測在該區段內1號礦層、2號礦層存在采空區，且局部可能有積水。

圖1 2800線TEM視電阻率擬斷面圖

根據對本次勘探區內各條測線等值線擬斷面圖的分析，依據采空區在視電阻率斷面圖上的等值線特征、相鄰斷面對比的原則以及結合實際采掘情況綜合分析，本次勘探范圍為1號、2號礦層基本全部采空，部分視電阻率值相對較低的區域，存在采空積水的可能相對較大。

圖2為直流激電測深測線視電阻率，從圖中可以看出，在1號礦層、2號礦層位視電阻率斷面圖中表現為相對中低阻，另外觀察對應的視極化率斷面圖在該層位表現為相對高極化，且1號礦層層位視極化率比2號礦層層位視極化率值較高；根據調查資料及瞬變電磁探測結果顯示，該范圍內1號礦層、2號礦層均已采空，因此推測該范圍內1號礦層、2號礦層層位采空區局部存在積水。

圖2 激電測深視電阻率斷面圖

4 結論

瞬變電磁法及對稱四極激電測深工作能夠大概了解了礦山采空區及采空區富水情況，對稱四極激電測深法能夠在極化效應較弱的情況下進行測量，可能發現較小的地質目標，并且有較大的勘探深度，瞬變電磁法作為一種時間域的電磁勘探方法，具有信噪比高、穿透高阻能力強等優點，能夠有效反映深部采空區信息。通過兩種方法的優勢，一定程度可有效圈定礦山采空區及積水重點地段，在煤礦采空區調查中，瞬變電磁法和對稱四極激電測深是一種高效的物探測量方法。