瞬变电磁在梅斯布拉克煤矿采空区探测中的应用

薛彦兵（新疆维吾尔自治区有色地质勘查局地球物理探矿队　乌鲁木齐　830011）



瞬变电磁在梅斯布拉克煤矿采空区探测中的应用

薛彦兵
（新疆维吾尔自治区有色地质勘查局地球物理探矿队乌鲁木齐830011）

摘要地下煤层采空后形成的采空区，使矿山面临很大的安全问题，本文利用瞬变电磁法来探测采空区的存在，重点阐述瞬变电磁法的原理，及应用于实际采空区中的探测，检验应用效果。

关键词瞬变电磁法采空区视电阻率塌陷

1　前言

瞬变电磁法是当前我国物探工作的重要手段，它基于电性差异，主要用于寻找低阻目标物，研究浅至中深层地电结构。具有较高的抗干扰能力和分辨率。本文应用瞬变电磁法，运用GDP 32 II多功能电法仪，通过对采集数据的资料处理与分析，探测并圈定探测区采空区的范围。

2　测区地质概况

拜城县梅斯布拉克东矿区位于拜城县县城北东方向70 km的梅斯布拉克村、梅斯布拉克河一带，矿区走向呈北东向，西界与三矿区相邻，东与怡泽煤业有限责任公司的详查区相邻，东矿区由原一、二矿区合并而成，合并后矿区走向长约5 km，南北宽0.70 km左右，面积3.4862 km2。

矿区内分布的地层从新到老有第四系、侏罗系下统、三叠系上统，除第四系不整合于不同时代的地层之上外，其余各套地层之间为整合接触，地层总体走向呈近东西向，矿区位于库-拜煤田拜城矿区的东部，拜城矿区内的总体构造形态为一向南倾斜的单斜构造，具有西陡东缓的变化规律。本矿区构造形态与矿区总体构造形态基本一致，为一向南倾斜的单斜构造，倾向160°左右，倾角61°～72°，具有西缓东陡的特征。矿区范围无岩浆岩侵入，未发现有大的断裂构造。

3　瞬变电磁法工作方法

3.1基本原理

时间域电磁法（Time Domain Electromagnetic Methods）或称瞬变电磁法（Transient Electromagnetic Methods），简写为TEM。它是利用一接地或不接地回线发射一次磁场，在一次磁场的间歇期间利用同一回线或不同回线接收二次感应磁场。该二次电磁场是由地下良导体受激励引起的涡流而产生的非稳磁场。由于TEM是在没有一次场背景的情况下观测研究二次场（纯异常），因此它大大地简化了对地质对象所产生异常场的研究，对于提高方法的探测能力更具有前景。瞬变电磁法与其它测深方法相比，它具有探测深度大、信息丰富、工作效率高等优点。

当探测地下良导电地质体时，往地面敷设的发送回线中通以一定的脉冲电流，在回线中间及周围一定区域内便产生稳定磁场（称一次场或激励场），如果一次电流突然中断，则一次磁场随之消失，使处于该激励场中的良导电地质体内部由于磁通量的变化而产生感应电动势。感应电动势在良导电地质体中产生二次涡流，二次涡流又由于焦耳热消耗而不断衰减，其二次磁场也随之衰减，探测原理见图1。

图1　TEM法工作原理示意图

3.2使用仪器

瞬变电磁工作采用美国Gonge公司生产的GDP32-TEM测量系统。包括GDP32Ⅱ接收机、TEM3高精度磁性号接收探头和48 V可充电电池组等。

4　资料处理

数据反演采用Zonge公司GDP-32Ⅱ系列瞬变电磁数学算法进行人工深度反演，具体过程如下：

（1）野外原始数据文件转换为“.txt”文本格式。

（2）在EXCEL表格中打开野外原始文件.txt，进行整理，并附地形数据。

（3）在surfer8.0软件中绘制视电阻率拟断面图，去除因外界干扰引起的异常，便于确认物探解释推断成果的可靠性，绘制最终解释成果图。对由surfer8.0绘制的最终解释成果图进行数字化，综合利用各种信息对异常原因进行解释与推断。

5　异常特征描述及推断解释

5.1解释原则依据

（1）TEM拟断面图上电阻率特征主要是地层电阻率特性所反应，地层电阻率值由高到低依次为：煤层→戈壁砂砾石层→侏罗系砂岩→粉砂岩、炭质泥岩→泥岩、泥质砾岩。

（2）不充水空洞为高阻，疏松不充水地层电阻率高于同层原地层，塌陷充水地层电阻率低于同层原地层，塌陷地层密实度低于原地层，塌陷疏松程度直接影响地层密实度。

（3）地下采空区对于近水平地层垂直应力破环严重，时间越长，破环越严重，但对于不同的地层，其承受垂直应力破环的能力不同，且其产状和厚度也决定其承受能力。第三系、第四系地层密实度相对较低，易受剪切应力破坏；侏罗系泥岩、泥质砾岩具备较高的韧性，受剪切应力破坏的承受力最强；侏罗系砂岩刚性强，承载力较大，但受剪切应力破坏的承受力相对较弱。

5.2视电阻率拟断面图推断解释

如图2所示，3线TEM测深剖面长340 m，点距20 m，控制探测深度在300 m左右，电阻率变化在37～98 Ωm之间。地表未出现地裂缝和塌陷坑等现象。

此条剖面从整个电阻率拟断面图的反应情况来看，低电阻率范围变小。

图2　TEM测深3线电阻率拟断面及推断解释图

在剖面左侧0～100 m标高1 940 m的剖面位置上，出现一电阻率小于50 Ωm的低阻异常，据已知资料显示，地下水位在标高1 944 m的位置上，所以初步推断为地下含水层。剖面左侧区域电阻率大于90 Ωm，初步推断为砾岩、砂砾岩地层的电性反映。该剖面可采煤层主要以A3、A5和A7煤层为主，据资料显示煤层已开采至1 810 m水平。在物探剖面中的200 m点，标高1 910 m的位置上低电阻区域有向高阻部位凹陷的趋势，推断此处采空区可能具有充水或者是塌陷含水。由此我们大致可推断其采空范围在地面120 m点～280 m点的位置，采空区虽然目前还没有影响到地表，但存在时间较长可能会出现采空塌陷等地质灾害现象，需立即进行环境治理。

如图3所示，5线TEM测深剖面总长340 m，点距20 m，控制探测深度在300 m左右，电阻率变化在37～ 114 Ωm之间，局部出现地裂缝及塌陷，在勘探之前均已回填。

此条剖面从整个电阻率拟断面图的反应情况和已知资料显示，剖面地层主要以粗砂岩、中砂岩地层为主，局部夹有粉砂岩、细砂岩低阻地层。剖面中部高阻异常断开成为两部分，剖面上部与下部电阻率在低处均有凹陷和连接的趋势。据已知资料显示，此处有一含砾岩破碎带，成为地下水的通道，向基岩含水层补给。开采煤层主要以A3、A5和A7为主，其中A3、A5煤层较厚，均以开采至标高1 810 m的位置。在剖面200 m点的位置上，低阻异常有向上凹陷的趋势，所以初步推断此处存在采空区，采空区可能充水，在地表出现地裂缝和局部塌陷的现象，说明采空区已出现局部塌陷。由此我们大致可推断其采空范围在地面140 m点～280 m点的位置，采空区虽然目前还没有影响到地表，但存在时间较长可能会出现采空塌陷等地质灾害现象，需立即进行环境治理。

图3　TEM测深5线电阻率拟断面及推断解释图

6　结论

本次勘探工作充分利用以往的工作资料，通过瞬变电磁测深手段，初步查明了勘查区范围内煤层和采空区的对应关系，大致推断采空区的位置和影响范围。工作资料严格按照规范操作，取得以下成果：

⑴通过瞬变电磁初步推断侏罗系砾岩、砂岩、粗砂岩地层电阻率最高，采空区所处地层为一个中高阻的环境，局部采空区有充水和塌陷的可能。一般情况下采空区应成为最高阻的电性特征，侏罗系粉砂岩、细砂岩具有含水的能力，使采空区处于一个潮湿的环境中，影响其最高阻的电性特征，使其呈现中低阻特征。

⑵3号、5号剖面根据其异常形态推断，采空区可能出现局部塌陷或疏松，虽然目前不能影响至地表，但存在时间较长，采空区会出现塌陷，最终将影响至地表。

参考文献

［1］张胜业，潘玉玲.应用地球物理学原理［M］.武汉:中国地质大学出版社，2004.

［2］朴化荣.电磁勘探法原理.北京:地质出版社，1990.

［3］方文藻，等.瞬变电磁测深法原理.西安:西北工业大学出版社，1993.

收稿：2015-12-30

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