將軍戈壁一號煤礦燒變巖界線及地下積水區域分布研究

朱 濤，孫進步

（新疆天池能源有限責任公司，新疆 昌吉 831100）

新疆天池能源有限責任公司將軍戈壁一號露天煤礦（簡稱“將一礦”）位于新疆準東奇臺縣城北東90 km 處，極值地理坐標：東經90°08′12″～90°16′30″，北緯44°33′45″～44°39′45″，中心坐標東經90°12′21″，北緯44°36′00″。礦田位于勘查區的東部，礦區內呈東、南兩面略高，西北面稍低的寬緩盆地，地貌形態為殘丘狀剝蝕平原，海拔537～616 m，相對高差一般在30～50 m 左右。

礦田屬大陸干旱荒漠氣候，區內地表無常年水流和泉水點，水流多為夏季降雨形成的暫時性水流，向西北流出，或者滯留在低洼地段滲入地下、就地蒸發。年溫差和晝夜溫差較大，6—8 月為夏季，氣候炎熱，11 月至次年2 月為冬季，氣候嚴寒，絕對最低氣溫達-49.8 ℃。年平均降水量105.8 mm，年最大日降水量22 mm，年蒸發量達到了1 202～2 382 mm。

地層主要有第四系松散巖類、侏羅系碎屑巖類。礦田大面積被第四系覆蓋，西部侏羅系石樹溝群地層大面積出露，礦田的北部西山窯組出露區地層遭受不同程度的火燒。火燒區集中在礦田的北部，煤層頂底板經火燒改變了性質，變得破碎、裂隙及孔隙發育，易接受外部水的補給形成燒變巖裂隙潛水。據前期勘探時抽水試驗成果，燒變巖裂隙潛水弱含水層富水性弱。該含水層的水以儲存量為主，可持續順勢補給賦煤地層。雖然富水性弱，但燒變巖區具備良好的導水通道和儲水空間，當礦田開挖后，燒變巖中賦存的地下水順勢向低洼地匯聚，對未來礦田開采構成威脅。

將軍戈壁一號煤礦（下稱將一礦）計劃在近年開工建設，拉溝位置位于燒變巖附近，但北幫水文地質勘探資料較少，無法深入掌握燒變巖層地下水分布規律以及燒變區域，為避免未來開采過程中火燒區賦水涌入采場，對安全生產造成較大影響。需要對將一礦北幫的地下積水范圍及燒變巖界線進行調查，總結工作區電性特征，基本圈定地下積水范圍及燒變巖界線，規避地質災害風險。

1 工作方法

1.1 瞬變電磁法

瞬變電磁法屬于電磁感應類探測方法，其工作原理就是導電介質在電磁場激發下而產生的渦流場效應，即利用一個接地線源電偶極子向地下發射脈沖電磁波作為激發場源，根據法拉第電磁感應定律，脈沖電磁波結束以后，大地或探測目標體在激發場作用下，其內部會產生感生的渦流，此渦流具有空間和時間特性[1]。渦流大小與很多因素有關，如目標體的空間特征、電性特征和激發場的特征等，并且會因為熱損耗逐漸減弱直至消失[2]。

針對一次場脈沖信號，二次場電壓U 為：

式中：μ0為磁導率，H/m；M 為發射線圈磁矩，A·m2；q 為接收線圈等效面積，m2；ρ 為目標體電阻率，Ω·m；t 為信號延時時間，ms。

渦流信號與探測目標的規模、埋藏深度、導電性有很大的關系，一般情況下，目標越大、埋藏深度越深、導電性越好，渦流信號就越強、持續時間越長。通過研究渦流的空間分布和時間特性，推測地質目標體的特征[3]。

1.2 高密度電法

20 世紀80 年代中期英國科學家借助電極轉換板實現了野外高密度電法的數據采集，我國從20 世紀末期開始研究高密度電法，從理論方法和實際應用的角度進行了完善，是近幾十年發展起來的一種電法勘探新技術。高密度電法基本原理與傳統的電阻率法相同，所不同的是高密度電法的測點密度較高，現場測量時將全部電極布置在測點上，然后觀測數據。利用不同巖石導電性差異，通過觀測研究電場的分布規律來解決工程地質問題[4]。高密度電法采用直流供電，不易于受高壓線和金屬設備的干擾，對地質異常的反映明顯，但該方法探測深度較淺。為保證探測深度，測線必須延伸一定的長度，數據邊緣損失較大。

2 物探概況

瞬變電磁法探測區域共布置測線4.3 km2，基本測網線距40 m、點距20 m，采用連續偶數對測點和測線進行編號。全區完成瞬變電磁法測線108 條，生產物理點數5 112 個，檢查物理點數173，質檢率為3.17%，全區檢查點均方相對誤差為6.38%級別為Ⅰ類，滿足設計及規范要求。

高密度電法在瞬變電磁法探測區域內共布設，電極間距10 m，測點4 510 個，其中質檢測點170個，占總數3.77%，完成規范3%～5%的要求。剖面相對均方誤差為0.05%，滿足規范要求小于±1.5%，達Ⅰ級精度。

參照測區施工環境和地球物理條件以及西鄰將軍戈壁二號露天煤礦物探經驗，使用瞬變電磁法和高密度電法探查燒變巖界線及地下積水區域。

2.1 瞬變電磁法試驗

1）儀器穩定性試驗。在同一點使用相同參數多次進行重復測量，2 組原始采樣數據感應電動勢及視電阻率值較穩定，符合野外采集要求。

2）重復頻率及噪聲試驗。根據瞬變電磁工作的方法及原理，分別采用4、8、16、32 Hz 頻率進行試驗。分別觀測相同發射框大小、相同的發射電流在不同的發射頻率下感應電動勢與未通電時觀測背景噪聲的對比曲線圖。頻率在4、8、16 Hz 晚期道數據小于背景場值，在進行數據反演時，晚期道數據會干擾深部信息。頻率32 Hz 晚期道數據大于背景場值，選用頻率32 Hz 進行數據采集觀測。感應電動勢曲線衰減較慢，是由低阻層致使感應電動勢衰減較緩，符合工作區地質特征。

3）不同發射框試驗。經項目技術委員會與專家組綜合考慮，結合多年煤礦勘探經驗、工作效率及工期起止時間，推薦發射框選用120 m×800 m。對發射框120 m×800 m 與240 m×800 m 發射框進行對比試驗。根據試驗結果得出，2 個不同的發射框信號衰減正常，120 m×800 m 發射框早期道數據信號強于240 m×800 m 發射框早期道數據。

2.2 高密度電法試驗

高密度電法采用溫納四極裝置，比常規的電阻率法增加了測點密度，采取了更加有效的測量方法設計，使采集的數據有更高的精度和客觀性。一次可以完成縱橫二維的勘探過程，所以觀測精度較高。與偶極、微分和聯合三級等常用裝置相比較，溫納四極裝置具有受地表起伏影響小、測量深度大的優點，故本次高密度電法最終采用溫納四極裝置進行施工。

3 成果資料的解釋推斷

3.1 瞬變電磁資料的解釋

3.1.1 典型剖面解釋

本次瞬變電磁勘探線剖面約110 條，剖面線較多，選取具有代表性的272 勘探線剖面進行解釋，該剖面位于測區的中部偏西。剖面長920 m，方位角為4.26°。272 勘探線剖面斷面電性特征及推斷示意圖如圖1。

圖1 272 勘探線剖面斷面電性特征及推斷示意圖

由圖1 可見，該剖面斷面電性特征共分4 層，電性特征由淺至深依次為相對高阻-中低阻-高阻-中低阻特征。結合實際地質特征及地層柱狀圖推測：淺部0～30 m 高阻特征是由干燥的砂土和細砂巖引起；20～50 m 相對低阻異常結合等值線形態較平緩，推測是由細砂巖及賦水區域引起；50～140 m 相對高阻區等值線形態完整閉合，推測為燒變巖區及含煤地層；高阻異常下部等值線形態呈鋸齒狀，推測是由煤層然后不均勻引起的，符合客觀事實；深部中低阻巖推測為火燒區，推測由砂巖及粉砂巖互層引起的中低阻異常[5]；深部低阻異常區根據等值線形態推測是由砂巖及局部賦水引起，等值線形態發生扭曲或梯度值變化較大，推測該位置為賦水；低阻區等值線形態變化較平緩，推測是由地層砂巖引起。

3.1.2 資料綜合分析與成果

瞬變電磁45 m 等深度視電阻率等值線平面圖如圖2。

圖2 瞬變電磁45 m 等深度視電阻率等值線平面圖

依據本次瞬變電磁探測成果，圖幅由北至南電性變化特征為相對中高阻-低阻-中阻-低阻-高阻。圖幅東西為相對中高阻特征，推測為正常地層或不含水火燒區。由圖4 得出：工作區北側及南側有明顯的低阻異常帶，根據煤層火燒后，局部區域富水后打破正常地層的電性特征[6]，視電阻率為低阻特征，推測2 個富水區域，編號由北至南依次為Ⅰ、Ⅱ。根據地球物理特征及前人資料，煤層的電性特征為相對中高阻，推測火燒區邊界位于工作區的南側（黑色實線表示）。

3.2 高密度電法資料的解釋推斷

3.2.1 典型高密度測深異常斷面特征

工作區地層比較穩定，縱向層位變化不大，高密度測線分布廣，比較密集，異常解釋推斷挑取比較有代表的、與瞬變電磁剖面在同一位置的272 典型斷面進行異常解釋推斷，綜合驗證解釋。該高密度電法剖面點距10 m，電極數為90 個，剖面長度900 m，物探剖面成果圖推斷解釋如下：整條剖面探測深度約80 m，視電阻率值在1.46～234.03 Ω·m 之間變化，剖面位于工作區中西部，淺地表第四系覆蓋，剖面沿戈壁低洼處分布，局部梭梭植被分布較多。

從剖面整體形態分析，該剖面出地質界線較清楚，地質結構較穩定。在剖面上0～320 m 深部10～15 m 為干燥第四系覆蓋層，相對中高阻，異常形態呈層狀；剖面上320～900 m 深部0～30 m 為相對中高阻，異常形態呈層狀，為第四系及地表砂巖、砂土引起；在剖面320～400 m 位置20 m 往深部為疑似層狀高阻層，推測為砂巖中分布不規則的干燥泥巖、燒變巖、砂礫巖層（含煤地層）引起。

3.2.2 燒變巖界線及地下積水范圍

根據45 m 等深度視電阻率變化趨勢，結合已有鉆孔資料，依照本次高密度電法測量成果，按照視電阻率值不大于16 Ω·m，在本次高密度電法工作區45 m 等深度范圍內共劃分2 處低阻異常區，編號Ⅰ、Ⅱ。推測燒變巖界線及地下積水區域如圖3。

圖3 推測燒變巖界線及地下積水區域

1）Ⅰ號低阻區。位于工作區西北部，往西北繼續延伸，未圈閉，根據已有資料核實，深部低阻區主要為砂巖、粗砂巖，由于受地表補給水的影響，呈現低阻，推測為淺地表富水區域[7]。

2）Ⅱ號低阻區。位于整個工作區南部，往東西兩側延伸，未圈閉，深部低阻區主要為砂巖、粗砂巖、燒變巖組合，局部泥巖和泥質砂巖互層，由于受地表補給水的影響，呈現低阻，推測為淺地表富水區域。

燒變巖界線位于工作區南部，根據以往測井資料，燒變巖電阻率高于圍巖，且煤層的電阻率也略高于孔隙度較大的砂巖。推測南部高阻界線即為燒變巖南部界線，北側富水界線即為北部燒變巖界線，圍巖受煤層自燃烘烤，后期沿著孔隙度增添水、或者泥質物質，整體呈現低阻。

3.3 燒變巖界線及地下積水區域

通過對瞬變電磁法和高密度電法2 種物探方法資料的研究解釋，推測圈定了2 處積水區域（編號Ⅰ、Ⅱ），劃分了不同深度的燒變巖界線。通過對整個工作區物探測量成果的研究，結合地質資料綜合推斷，對工作區地層及電性分布特征有了系統的認識。

1）整個物探區內地質構造發育弱，地質結構比較穩定，工作區整體地層呈低阻特征，電阻率值相對較低。通過瞬變電磁相對高低阻異常及電阻率等值線形態及特征推測火燒區邊界及富水燒變巖區。

2）近地表相對高阻層是由第四系砂土及礫石層引起，在整個物探區20～50 m 范圍內為1 個層狀低阻層，推測為淺地表補給含水層，局部受層間破碎帶的影響，地表補給水下滲，低阻層有往深部連通的趨勢[8]。

3）通過本次瞬變電磁及高密度電法工作推測2個近東向地下積水區域（編號Ⅰ、Ⅱ）。

4）推測了45、100、150、240 m 等深度火燒區邊界，燒變巖界線推測為工作區南部及整個北部相對高阻與低阻的分界線，即推測的含水區域與相對高阻區的分界線。

4 結語

在收集和研究已有資料成果基礎上，運用瞬變電磁測量、高密度電法測量等方法手段，完成了對將軍戈壁一號露天煤礦礦田北部的地下積水范圍及燒變巖界線調查工作，在物探區西北部及南部共圈定2 處地下富水區域，并對不同層位的積水及火燒邊界進行了推測，為進一步的工程施工勘查提供了依據，也為設計編制、項目建設提供詳細的技術資料。