将军戈壁一号煤矿烧变岩界线及地下积水区域分布研究

朱 涛，孙进步

（新疆天池能源有限责任公司，新疆 昌吉 831100）

新疆天池能源有限责任公司将军戈壁一号露天煤矿（简称“将一矿”）位于新疆准东奇台县城北东90 km 处，极值地理坐标：东经90°08′12″～90°16′30″，北纬44°33′45″～44°39′45″，中心坐标东经90°12′21″，北纬44°36′00″。矿田位于勘查区的东部，矿区内呈东、南两面略高，西北面稍低的宽缓盆地，地貌形态为残丘状剥蚀平原，海拔537～616 m，相对高差一般在30～50 m 左右。

矿田属大陆干旱荒漠气候，区内地表无常年水流和泉水点，水流多为夏季降雨形成的暂时性水流，向西北流出，或者滞留在低洼地段渗入地下、就地蒸发。年温差和昼夜温差较大，6—8 月为夏季，气候炎热，11 月至次年2 月为冬季，气候严寒，绝对最低气温达-49.8 ℃。年平均降水量105.8 mm，年最大日降水量22 mm，年蒸发量达到了1 202～2 382 mm。

地层主要有第四系松散岩类、侏罗系碎屑岩类。矿田大面积被第四系覆盖，西部侏罗系石树沟群地层大面积出露，矿田的北部西山窑组出露区地层遭受不同程度的火烧。火烧区集中在矿田的北部，煤层顶底板经火烧改变了性质，变得破碎、裂隙及孔隙发育，易接受外部水的补给形成烧变岩裂隙潜水。据前期勘探时抽水试验成果，烧变岩裂隙潜水弱含水层富水性弱。该含水层的水以储存量为主，可持续顺势补给赋煤地层。虽然富水性弱，但烧变岩区具备良好的导水通道和储水空间，当矿田开挖后，烧变岩中赋存的地下水顺势向低洼地汇聚，对未来矿田开采构成威胁。

将军戈壁一号煤矿（下称将一矿）计划在近年开工建设，拉沟位置位于烧变岩附近，但北帮水文地质勘探资料较少，无法深入掌握烧变岩层地下水分布规律以及烧变区域，为避免未来开采过程中火烧区赋水涌入采场，对安全生产造成较大影响。需要对将一矿北帮的地下积水范围及烧变岩界线进行调查，总结工作区电性特征，基本圈定地下积水范围及烧变岩界线，规避地质灾害风险。

1 工作方法

1.1 瞬变电磁法

瞬变电磁法属于电磁感应类探测方法，其工作原理就是导电介质在电磁场激发下而产生的涡流场效应，即利用一个接地线源电偶极子向地下发射脉冲电磁波作为激发场源，根据法拉第电磁感应定律，脉冲电磁波结束以后，大地或探测目标体在激发场作用下，其内部会产生感生的涡流，此涡流具有空间和时间特性[1]。涡流大小与很多因素有关，如目标体的空间特征、电性特征和激发场的特征等，并且会因为热损耗逐渐减弱直至消失[2]。

针对一次场脉冲信号，二次场电压U 为：

式中：μ0为磁导率，H/m；M 为发射线圈磁矩，A·m2；q 为接收线圈等效面积，m2；ρ 为目标体电阻率，Ω·m；t 为信号延时时间，ms。

涡流信号与探测目标的规模、埋藏深度、导电性有很大的关系，一般情况下，目标越大、埋藏深度越深、导电性越好，涡流信号就越强、持续时间越长。通过研究涡流的空间分布和时间特性，推测地质目标体的特征[3]。

1.2 高密度电法

20 世纪80 年代中期英国科学家借助电极转换板实现了野外高密度电法的数据采集，我国从20 世纪末期开始研究高密度电法，从理论方法和实际应用的角度进行了完善，是近几十年发展起来的一种电法勘探新技术。高密度电法基本原理与传统的电阻率法相同，所不同的是高密度电法的测点密度较高，现场测量时将全部电极布置在测点上，然后观测数据。利用不同岩石导电性差异，通过观测研究电场的分布规律来解决工程地质问题[4]。高密度电法采用直流供电，不易于受高压线和金属设备的干扰，对地质异常的反映明显，但该方法探测深度较浅。为保证探测深度，测线必须延伸一定的长度，数据边缘损失较大。

2 物探概况

瞬变电磁法探测区域共布置测线4.3 km2，基本测网线距40 m、点距20 m，采用连续偶数对测点和测线进行编号。全区完成瞬变电磁法测线108 条，生产物理点数5 112 个，检查物理点数173，质检率为3.17%，全区检查点均方相对误差为6.38%级别为Ⅰ类，满足设计及规范要求。

高密度电法在瞬变电磁法探测区域内共布设，电极间距10 m，测点4 510 个，其中质检测点170个，占总数3.77%，完成规范3%～5%的要求。剖面相对均方误差为0.05%，满足规范要求小于±1.5%，达Ⅰ级精度。

参照测区施工环境和地球物理条件以及西邻将军戈壁二号露天煤矿物探经验，使用瞬变电磁法和高密度电法探查烧变岩界线及地下积水区域。

2.1 瞬变电磁法试验

1）仪器稳定性试验。在同一点使用相同参数多次进行重复测量，2 组原始采样数据感应电动势及视电阻率值较稳定，符合野外采集要求。

2）重复频率及噪声试验。根据瞬变电磁工作的方法及原理，分别采用4、8、16、32 Hz 频率进行试验。分别观测相同发射框大小、相同的发射电流在不同的发射频率下感应电动势与未通电时观测背景噪声的对比曲线图。频率在4、8、16 Hz 晚期道数据小于背景场值，在进行数据反演时，晚期道数据会干扰深部信息。频率32 Hz 晚期道数据大于背景场值，选用频率32 Hz 进行数据采集观测。感应电动势曲线衰减较慢，是由低阻层致使感应电动势衰减较缓，符合工作区地质特征。

3）不同发射框试验。经项目技术委员会与专家组综合考虑，结合多年煤矿勘探经验、工作效率及工期起止时间，推荐发射框选用120 m×800 m。对发射框120 m×800 m 与240 m×800 m 发射框进行对比试验。根据试验结果得出，2 个不同的发射框信号衰减正常，120 m×800 m 发射框早期道数据信号强于240 m×800 m 发射框早期道数据。

2.2 高密度电法试验

高密度电法采用温纳四极装置，比常规的电阻率法增加了测点密度，采取了更加有效的测量方法设计，使采集的数据有更高的精度和客观性。一次可以完成纵横二维的勘探过程，所以观测精度较高。与偶极、微分和联合三级等常用装置相比较，温纳四极装置具有受地表起伏影响小、测量深度大的优点，故本次高密度电法最终采用温纳四极装置进行施工。

3 成果资料的解释推断

3.1 瞬变电磁资料的解释

3.1.1 典型剖面解释

本次瞬变电磁勘探线剖面约110 条，剖面线较多，选取具有代表性的272 勘探线剖面进行解释，该剖面位于测区的中部偏西。剖面长920 m，方位角为4.26°。272 勘探线剖面断面电性特征及推断示意图如图1。

图1 272 勘探线剖面断面电性特征及推断示意图

由图1 可见，该剖面断面电性特征共分4 层，电性特征由浅至深依次为相对高阻-中低阻-高阻-中低阻特征。结合实际地质特征及地层柱状图推测：浅部0～30 m 高阻特征是由干燥的砂土和细砂岩引起；20～50 m 相对低阻异常结合等值线形态较平缓，推测是由细砂岩及赋水区域引起；50～140 m 相对高阻区等值线形态完整闭合，推测为烧变岩区及含煤地层；高阻异常下部等值线形态呈锯齿状，推测是由煤层然后不均匀引起的，符合客观事实；深部中低阻岩推测为火烧区，推测由砂岩及粉砂岩互层引起的中低阻异常[5]；深部低阻异常区根据等值线形态推测是由砂岩及局部赋水引起，等值线形态发生扭曲或梯度值变化较大，推测该位置为赋水；低阻区等值线形态变化较平缓，推测是由地层砂岩引起。

3.1.2 资料综合分析与成果

瞬变电磁45 m 等深度视电阻率等值线平面图如图2。

图2 瞬变电磁45 m 等深度视电阻率等值线平面图

依据本次瞬变电磁探测成果，图幅由北至南电性变化特征为相对中高阻-低阻-中阻-低阻-高阻。图幅东西为相对中高阻特征，推测为正常地层或不含水火烧区。由图4 得出：工作区北侧及南侧有明显的低阻异常带，根据煤层火烧后，局部区域富水后打破正常地层的电性特征[6]，视电阻率为低阻特征，推测2 个富水区域，编号由北至南依次为Ⅰ、Ⅱ。根据地球物理特征及前人资料，煤层的电性特征为相对中高阻，推测火烧区边界位于工作区的南侧（黑色实线表示）。

3.2 高密度电法资料的解释推断

3.2.1 典型高密度测深异常断面特征

工作区地层比较稳定，纵向层位变化不大，高密度测线分布广，比较密集，异常解释推断挑取比较有代表的、与瞬变电磁剖面在同一位置的272 典型断面进行异常解释推断，综合验证解释。该高密度电法剖面点距10 m，电极数为90 个，剖面长度900 m，物探剖面成果图推断解释如下：整条剖面探测深度约80 m，视电阻率值在1.46～234.03 Ω·m 之间变化，剖面位于工作区中西部，浅地表第四系覆盖，剖面沿戈壁低洼处分布，局部梭梭植被分布较多。

从剖面整体形态分析，该剖面出地质界线较清楚，地质结构较稳定。在剖面上0～320 m 深部10～15 m 为干燥第四系覆盖层，相对中高阻，异常形态呈层状；剖面上320～900 m 深部0～30 m 为相对中高阻，异常形态呈层状，为第四系及地表砂岩、砂土引起；在剖面320～400 m 位置20 m 往深部为疑似层状高阻层，推测为砂岩中分布不规则的干燥泥岩、烧变岩、砂砾岩层（含煤地层）引起。

3.2.2 烧变岩界线及地下积水范围

根据45 m 等深度视电阻率变化趋势，结合已有钻孔资料，依照本次高密度电法测量成果，按照视电阻率值不大于16 Ω·m，在本次高密度电法工作区45 m 等深度范围内共划分2 处低阻异常区，编号Ⅰ、Ⅱ。推测烧变岩界线及地下积水区域如图3。

图3 推测烧变岩界线及地下积水区域

1）Ⅰ号低阻区。位于工作区西北部，往西北继续延伸，未圈闭，根据已有资料核实，深部低阻区主要为砂岩、粗砂岩，由于受地表补给水的影响，呈现低阻，推测为浅地表富水区域[7]。

2）Ⅱ号低阻区。位于整个工作区南部，往东西两侧延伸，未圈闭，深部低阻区主要为砂岩、粗砂岩、烧变岩组合，局部泥岩和泥质砂岩互层，由于受地表补给水的影响，呈现低阻，推测为浅地表富水区域。

烧变岩界线位于工作区南部，根据以往测井资料，烧变岩电阻率高于围岩，且煤层的电阻率也略高于孔隙度较大的砂岩。推测南部高阻界线即为烧变岩南部界线，北侧富水界线即为北部烧变岩界线，围岩受煤层自燃烘烤，后期沿着孔隙度增添水、或者泥质物质，整体呈现低阻。

3.3 烧变岩界线及地下积水区域

通过对瞬变电磁法和高密度电法2 种物探方法资料的研究解释，推测圈定了2 处积水区域（编号Ⅰ、Ⅱ），划分了不同深度的烧变岩界线。通过对整个工作区物探测量成果的研究，结合地质资料综合推断，对工作区地层及电性分布特征有了系统的认识。

1）整个物探区内地质构造发育弱，地质结构比较稳定，工作区整体地层呈低阻特征，电阻率值相对较低。通过瞬变电磁相对高低阻异常及电阻率等值线形态及特征推测火烧区边界及富水烧变岩区。

2）近地表相对高阻层是由第四系砂土及砾石层引起，在整个物探区20～50 m 范围内为1 个层状低阻层，推测为浅地表补给含水层，局部受层间破碎带的影响，地表补给水下渗，低阻层有往深部连通的趋势[8]。

3）通过本次瞬变电磁及高密度电法工作推测2个近东向地下积水区域（编号Ⅰ、Ⅱ）。

4）推测了45、100、150、240 m 等深度火烧区边界，烧变岩界线推测为工作区南部及整个北部相对高阻与低阻的分界线，即推测的含水区域与相对高阻区的分界线。

4 结语

在收集和研究已有资料成果基础上，运用瞬变电磁测量、高密度电法测量等方法手段，完成了对将军戈壁一号露天煤矿矿田北部的地下积水范围及烧变岩界线调查工作，在物探区西北部及南部共圈定2 处地下富水区域，并对不同层位的积水及火烧边界进行了推测，为进一步的工程施工勘查提供了依据，也为设计编制、项目建设提供详细的技术资料。