瞬变电磁法在新疆拜城县阿依冬可档煤矿区采空区运用

刘国春

(新疆煤田地质局综合地质勘查队 乌鲁木齐 830000)

新疆拜城东矿区阿依冬可档煤矿区，位于新疆拜城县城北东约45°方向天山南麓的阿依冬可档，距新疆拜城县县城直线距离60 km，距克孜尔乡的直线距离为30 km。矿区为长方形，东西长约为2.40 km，南北宽0.46 km，面积1.11 km2，井田范围由4个拐点圈定。井田四条边界中南北分别为三叠系地层及阿合组地层，西以新疆拜城县鑫源煤矿的东界为界，东以新疆拜城县弘利煤矿的西界西150 m为界。行政区划隶属新疆拜城县克孜尔乡管辖。

在煤矿区中西部有一报废矿井即梅斯不拉克煤矿1号斜井和在井田中东部有一报废矿井即梅斯不拉克煤矿3号立井。根据走访和调查，由于该废窑废弃时间长，关闭时间、主井采长、水平不详。该废窑曾发生过瓦斯爆炸，无法确定伤亡情况。虽然该矿井已废弃，但由于长时间接受大气降水等补给，废窑中赋存有一定量的地下水。在此基础上采用瞬变电磁为主要手段，对新疆拜城东矿区阿依冬可档煤矿区探测煤层采空区范围及深度，钻探辅以验证。

1 地球物理电性特性

1.1 瞬变电磁法前提条件

不同的岩层具有不同的电阻率，电法勘探就是通过测定地下不同地点不同深度的电阻率的差异来达到寻找目标地质体的目的,利用瞬变电磁勘探来解决地质问题的前提条件是目标地质体与围岩存在电性差异。

瞬变电磁工作的任务是探测煤矿区煤层采空区范围及深度。当煤层采空区充水时，其导电性会显著增强，视电阻率值明显降低，在视电阻率剖面图上会形成横向上的低阻异常；当采空区半充水或无水的情况下，其电导性明显减弱，视电阻率值会特高。这样瞬变电磁法勘探的地质任务就转换为：寻找测区目标层相对低阻异常分布或测区目标体相对特高异常的分布。所以，该矿区具备利用瞬变电磁法解决地质问题的前提条件。

1.2 地球物理电性特征

根据以往新疆煤田地质局综合地质勘查队在梅斯布拉克的物探资料，测区内各地层之间（垂向上）均有较明显的电性差异，在正常情况下，第四系地层电阻率值较高，侏罗系地层电阻率较低，三叠系上部地层电阻率中等。

2 工作方法与技术

2.1 作业依据

施工要严格按照《DZ_T 0187-1997地面瞬变电磁法技术规程》、《煤田资源勘探工程测量规定》、《全球定位系统（GPS）测量规范》以及本次合同和设计进行。

2.2 瞬变电磁法方法简介

瞬变电磁法（Transient-electromagnetic method）又称时间域电磁法（Time domain electromagnetic method），简称TEM，属于电磁感应类探测方法，它遵循电磁感应原理，其机理就是导电介质在阶跃变化的电磁场激发下而产生的涡流场效应，即利用一个不接地的回线或磁偶极子（也可以用接地线源电偶极子）向地下发射脉冲电磁波作为激发场源（习惯上称为“一次场”），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（即“一次场”）的作用下，其内部会产生感生的涡流，这种涡流有空间特性和时间特性。其大小与诸多因素有关，如目标体的空间特征和电性特征、激发场的特征等，而且因为热损耗的缘故会逐渐减弱直至消失。人们虽然不能直接测量这种涡流的大小，但是可以利用专门仪器观测这种涡流产生的电磁场（称为“二次场”）的强弱、空间分布特性和时间特性。

2.3 测网布置与工作量

根据任务要求，本矿区地层走向近东西向，岩层为一向南倾斜的单斜构造，因此测线布设为垂直地层走向布设。测网密度为40 m×10 m,测线方向呈南北向，共布设瞬变电磁测线43条，设计坐标点953个，检测点48个（按总坐标点5%计算）。另由于原工程布置对0号勘探线控制不理想，因此根据地质工作的需要，在各方研究确认的情况下增加8条电法剖面，分别为J1-J8线。单剖面长220 m，物理点184个。

图1 地形地质图

2.4 测量定点

测量工作从驻地地质工作人员处收集到6个已知点。本次选用其中3个控制点作为工作的检查。

⑴收集、检查测区等级控制点；

⑵完成了51条瞬变电法剖面、6条发射外边框的放样工作，总共线长19.68 km，点数1336个。

依据测量规范要求剖面点精度按图上比例0.6 mm距离平面中误差，高程误差1/3 m等高距。

2.5 实验参数选择

⑴装置选择

瞬变场的装置种类较多，通过分析施工区域的地质、地表条件，确定最佳施工装置为大定回线装置，根据目的深度发射回线边长选择为240 m×240 m和360 m×360 m进行试验。

⑵发射机调试

通过TMR电流盒子记录的全通道波形图，表明本次勘查工作使用的仪器发射电流波形正常（发射机工作状态稳定，接收道信号强)。

⑶发射频率试验

本次目的层约为200 m，选择基本频率8.333 Hz和25 Hz进行试验。实验区域为1-6线80-150号点，发射线框分别为240 m×240 m和360 m×360 m，频率为8.333 Hz、25 Hz，电流分别为15.5 A和20.4 A，各完成测点21个，采集有效时间超过60 s；8.333 Hz叠加次数大于500次，25 Hz叠加次数大于1500次。

2.6 质量评述

野外采集的数据质量以总的平均均方误差来衡量，其计算公式为：

式中，Vj(ti)、Vj′(ti)分别表示第 j点第 i道的原始观测和检测观测值；m为检查点数；n为参加计算的道数；M为总的平均均方相对误差。

将56个检查点与对应的原始数据按1～20道进行统计计算后，得到其平均均方相对误差为±2.563%，符合规范中不超过±15%的要求，说明野外观测数据质量可靠。

现场数据采集人员与现场监理对瞬变电磁法勘探的质量评级标准对本次采集的野外数据进行评级，结果1200个物理点中甲级品1177为个，占物理总点数的98.%；乙级品9个，占物理总点数的0.75%，废弃点14，占物理点数的1.16%，小于2%。按照规范中的全区质量评级标准，本次瞬变电磁法勘探的全区质量评级为优秀，可供下一步室内处理使用。

3 数据处理

3.1 数据预处理

瞬变电磁法观测的数据是各测点各个时窗（测道）的瞬变感应电压，需换算成视电阻率、视深度等参数，才能对资料进行下一步解释。处理步骤主要分为三步：

⑴滤波：在资料处理前首先要对采集到的数据进行滤波，消除干扰，对资料进行去伪存真；

⑵时深转换：瞬变电磁仪器野外观测到的是二次场电位随时间变化，为便于对资料的认识，需要将这些数据变换成电阻率随深度的变化，本次资料处理主要采用美国INTERPEX公司的TEMIX XL v3.36进行。

⑶绘制各种参数图件：首先从全区采集的数据中选出每条测线的数据，绘制各测线视电阻率剖面图，即沿每条测线电性随深度的变化情况；然后，结合已知地质资料，分析电性异常确定地质异常。

经上述处理得到视电阻率、视深度等基本参数，根据资料的实际情况还需选择适当的参数，反复进行滤波、一维层状模型的正、反演等处理，直至获得合适的解释数据。

3.2 衰减曲线分析与畸变点处理

⑴衰减曲线分析

归一化衰减曲线，横轴为二次场的持续时间，纵轴为归一化二次场的大小，曲线的首支可以直观反映浅部导电性强弱，尾支反映深部地层的导电性强弱以及测区噪声背景电平的高低，曲线位置高低、衰减快慢反映出整个地层组合导电性强弱，但一般难以从单一的衰减曲线划分地层的地电结构，但是遵守能量衰减与视电阻率的反比相关性；即低阻快速衰减，高阻缓慢衰减。所以当地层有极低阻地层时，会产生低阻屏蔽效应，影响深部地层的反应。

横轴为二次场时间，纵轴为岩层晚期视电阻率。时间的早晚与探测深度对应，利用ρa-t、ρa-D曲线可以初步划分曲线类型和地层的基本分层组合。如图通过分析与预处理截取合理的时窗，通过多时窗的对比分析选择合理的时间道。由于本矿区地层倾角大，根据多时窗曲线的对比，40道数据更加圆滑，连续性好能更详细的反应地层的变化，因此选择40道数据进行反演，时窗范围0.05～6 ms。

⑵畸变点处理

瞬变电磁法响应为体积效应，因此通过分析衰减曲线畸变点的原因，结合已知地质资料和原始班报，作合理的处理。主要采取剔除和圆滑处理。在作圆滑或差值处理时应当避免引入假异常。

3.3 视电阻率断面图

最终断面图绘制采用Surfer 8.0，以测线长度为横轴，反演改正高程为纵坐轴，同时利用软件地形校正功能绘制测线视电阻率反演断面图。它可以从横、纵两个方向上同时反应地层的电性变化，提供层位划分、层位追踪、深度确定、异常圈定的依据。同时可以结合已知钻孔、煤层、测井曲线等其他特征层信息，构成标定综合断面图。

图2是带地形校正的视电阻率断面，明确的刻画了地层的电性规律，并且地层倾角也明显的反应，表现为在深度方向延伸的长条形高阻异常区。断面是一套由低、中、高、中阻组合地层。

图2

3.4 顺层切片平面图

视电阻率顺层切片平面图的纵、横坐标数据采用测量成果的实际坐标组网，可以完全反映不规则测网的平面关系。本次通过浅、中、深视电阻率顺层切片平面图反应不同深度上的异常分布，标高分别为2065±5 m、2020±5 m、1960±5 m。通过平面等值线图划分低阻异常区和高阻异常区，同时能揭示平面上的走向异常。最后结合掌握地质资料、测线视电阻率断面图，圈定最终的采空区、赋水区。

4 等深度平面图异常圈定与赋水评价

图3为等深度(标高2065±5 m)水平切片等值线图，由于测区整体地形趋势为西高东低，反应断面通过地形改正后，在对齐切取深度上有±5 m的变化。该等值线图揭示的是标高2065 m的视电阻率分布情况，根据标高2065 m等值线图，采用220 Ωm阀值圈定结果显示，从J8线-18线的浅表层均表现为低阻，有一定的赋水存在，局部区域采用60 Ωm阀值圈定，为较强的赋水区。

5 结论

根据前期地质工作及瞬变电磁法工作成果，对区内高阻范围内的中低阻异常区进行圈定，划分出2块异常区，分别为Ⅰ、Ⅱ号区域，初步确认Ⅰ、Ⅱ号区域为采空与赋水综合异常。通过收集1、2号勘探线钻探成果，最终确认Ⅰ号区为赋水采空区，空间范围投影到平面图上的位置在地质1线西20 m到地质1线向东200 m（电法线11线）左右，ZK1-3在69 m左右获得验证，采空区为充水或半充水状态，与煤层、煤系地层整体呈现中低阻反应。Ⅱ号区域通过在主要位置ZK2-4、2-3、2-1的施工，区内未见采空区，但是通过电法工作的成果发现，在地质2线左右向东160 m有一个高阻范围内的中低阻异常区。把Ⅱ号区域定为赋水异常区。

[1]地面瞬变电磁法技术规程.DZ_T 0187-1997.

[2]煤田资源勘探工程测量规定.

[3]全球定位系统（GPS）测量规范.

[4]新疆煤田地质局综合地质勘查队.新疆拜城县阿依冬可档勘探报告.