劉國春

(新疆煤田地質(zhì)局綜合地質(zhì)勘查隊(duì) 烏魯木齊 830000)

新疆拜城東礦區(qū)阿依冬可檔煤礦區(qū)，位于新疆拜城縣城北東約45°方向天山南麓的阿依冬可檔，距新疆拜城縣縣城直線距離60 km，距克孜爾鄉(xiāng)的直線距離為30 km。礦區(qū)為長方形，東西長約為2.40 km，南北寬0.46 km，面積1.11 km2，井田范圍由4個(gè)拐點(diǎn)圈定。井田四條邊界中南北分別為三疊系地層及阿合組地層，西以新疆拜城縣鑫源煤礦的東界為界，東以新疆拜城縣弘利煤礦的西界西150 m為界。行政區(qū)劃隸屬新疆拜城縣克孜爾鄉(xiāng)管轄。

在煤礦區(qū)中西部有一報(bào)廢礦井即梅斯不拉克煤礦1號斜井和在井田中東部有一報(bào)廢礦井即梅斯不拉克煤礦3號立井。根據(jù)走訪和調(diào)查，由于該廢窯廢棄時(shí)間長，關(guān)閉時(shí)間、主井采長、水平不詳。該廢窯曾發(fā)生過瓦斯爆炸，無法確定傷亡情況。雖然該礦井已廢棄，但由于長時(shí)間接受大氣降水等補(bǔ)給，廢窯中賦存有一定量的地下水。在此基礎(chǔ)上采用瞬變電磁為主要手段，對新疆拜城東礦區(qū)阿依冬可檔煤礦區(qū)探測煤層采空區(qū)范圍及深度，鉆探輔以驗(yàn)證。

1 地球物理電性特性

1.1 瞬變電磁法前提條件

不同的巖層具有不同的電阻率，電法勘探就是通過測定地下不同地點(diǎn)不同深度的電阻率的差異來達(dá)到尋找目標(biāo)地質(zhì)體的目的,利用瞬變電磁勘探來解決地質(zhì)問題的前提條件是目標(biāo)地質(zhì)體與圍巖存在電性差異。

瞬變電磁工作的任務(wù)是探測煤礦區(qū)煤層采空區(qū)范圍及深度。當(dāng)煤層采空區(qū)充水時(shí)，其導(dǎo)電性會(huì)顯著增強(qiáng)，視電阻率值明顯降低，在視電阻率剖面圖上會(huì)形成橫向上的低阻異常；當(dāng)采空區(qū)半充水或無水的情況下，其電導(dǎo)性明顯減弱，視電阻率值會(huì)特高。這樣瞬變電磁法勘探的地質(zhì)任務(wù)就轉(zhuǎn)換為：尋找測區(qū)目標(biāo)層相對低阻異常分布或測區(qū)目標(biāo)體相對特高異常的分布。所以，該礦區(qū)具備利用瞬變電磁法解決地質(zhì)問題的前提條件。

1.2 地球物理電性特征

根據(jù)以往新疆煤田地質(zhì)局綜合地質(zhì)勘查隊(duì)在梅斯布拉克的物探資料，測區(qū)內(nèi)各地層之間（垂向上）均有較明顯的電性差異，在正常情況下，第四系地層電阻率值較高，侏羅系地層電阻率較低，三疊系上部地層電阻率中等。

2 工作方法與技術(shù)

2.1 作業(yè)依據(jù)

施工要嚴(yán)格按照《DZ_T 0187-1997地面瞬變電磁法技術(shù)規(guī)程》、《煤田資源勘探工程測量規(guī)定》、《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》以及本次合同和設(shè)計(jì)進(jìn)行。

2.2 瞬變電磁法方法簡介

瞬變電磁法（Transient-electromagnetic method）又稱時(shí)間域電磁法（Time domain electromagnetic method），簡稱TEM，屬于電磁感應(yīng)類探測方法，它遵循電磁感應(yīng)原理，其機(jī)理就是導(dǎo)電介質(zhì)在階躍變化的電磁場激發(fā)下而產(chǎn)生的渦流場效應(yīng)，即利用一個(gè)不接地的回線或磁偶極子（也可以用接地線源電偶極子）向地下發(fā)射脈沖電磁波作為激發(fā)場源（習(xí)慣上稱為“一次場”），根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，脈沖電磁波結(jié)束以后，大地或探測目標(biāo)體在激發(fā)場（即“一次場”）的作用下，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生感生的渦流，這種渦流有空間特性和時(shí)間特性。其大小與諸多因素有關(guān)，如目標(biāo)體的空間特征和電性特征、激發(fā)場的特征等，而且因?yàn)闊釗p耗的緣故會(huì)逐漸減弱直至消失。人們雖然不能直接測量這種渦流的大小，但是可以利用專門儀器觀測這種渦流產(chǎn)生的電磁場（稱為“二次場”）的強(qiáng)弱、空間分布特性和時(shí)間特性。

2.3 測網(wǎng)布置與工作量

根據(jù)任務(wù)要求，本礦區(qū)地層走向近東西向，巖層為一向南傾斜的單斜構(gòu)造，因此測線布設(shè)為垂直地層走向布設(shè)。測網(wǎng)密度為40 m×10 m,測線方向呈南北向，共布設(shè)瞬變電磁測線43條，設(shè)計(jì)坐標(biāo)點(diǎn)953個(gè)，檢測點(diǎn)48個(gè)（按總坐標(biāo)點(diǎn)5%計(jì)算）。另由于原工程布置對0號勘探線控制不理想，因此根據(jù)地質(zhì)工作的需要，在各方研究確認(rèn)的情況下增加8條電法剖面，分別為J1-J8線。單剖面長220 m，物理點(diǎn)184個(gè)。

圖1 地形地質(zhì)圖

2.4 測量定點(diǎn)

測量工作從駐地地質(zhì)工作人員處收集到6個(gè)已知點(diǎn)。本次選用其中3個(gè)控制點(diǎn)作為工作的檢查。

⑴收集、檢查測區(qū)等級控制點(diǎn)；

⑵完成了51條瞬變電法剖面、6條發(fā)射外邊框的放樣工作，總共線長19.68 km，點(diǎn)數(shù)1336個(gè)。

依據(jù)測量規(guī)范要求剖面點(diǎn)精度按圖上比例0.6 mm距離平面中誤差，高程誤差1/3 m等高距。

2.5 實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇

⑴裝置選擇

瞬變場的裝置種類較多，通過分析施工區(qū)域的地質(zhì)、地表?xiàng)l件，確定最佳施工裝置為大定回線裝置，根據(jù)目的深度發(fā)射回線邊長選擇為240 m×240 m和360 m×360 m進(jìn)行試驗(yàn)。

⑵發(fā)射機(jī)調(diào)試

通過TMR電流盒子記錄的全通道波形圖，表明本次勘查工作使用的儀器發(fā)射電流波形正常（發(fā)射機(jī)工作狀態(tài)穩(wěn)定，接收道信號強(qiáng))。

⑶發(fā)射頻率試驗(yàn)

本次目的層約為200 m，選擇基本頻率8.333 Hz和25 Hz進(jìn)行試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)區(qū)域?yàn)?-6線80-150號點(diǎn)，發(fā)射線框分別為240 m×240 m和360 m×360 m，頻率為8.333 Hz、25 Hz，電流分別為15.5 A和20.4 A，各完成測點(diǎn)21個(gè)，采集有效時(shí)間超過60 s；8.333 Hz疊加次數(shù)大于500次，25 Hz疊加次數(shù)大于1500次。

2.6 質(zhì)量評述

野外采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量以總的平均均方誤差來衡量，其計(jì)算公式為：

式中，Vj(ti)、Vj′(ti)分別表示第 j點(diǎn)第 i道的原始觀測和檢測觀測值；m為檢查點(diǎn)數(shù)；n為參加計(jì)算的道數(shù)；M為總的平均均方相對誤差。

將56個(gè)檢查點(diǎn)與對應(yīng)的原始數(shù)據(jù)按1～20道進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算后，得到其平均均方相對誤差為±2.563%，符合規(guī)范中不超過±15%的要求，說明野外觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠。

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集人員與現(xiàn)場監(jiān)理對瞬變電磁法勘探的質(zhì)量評級標(biāo)準(zhǔn)對本次采集的野外數(shù)據(jù)進(jìn)行評級，結(jié)果1200個(gè)物理點(diǎn)中甲級品1177為個(gè)，占物理總點(diǎn)數(shù)的98.%；乙級品9個(gè)，占物理總點(diǎn)數(shù)的0.75%，廢棄點(diǎn)14，占物理點(diǎn)數(shù)的1.16%，小于2%。按照規(guī)范中的全區(qū)質(zhì)量評級標(biāo)準(zhǔn)，本次瞬變電磁法勘探的全區(qū)質(zhì)量評級為優(yōu)秀，可供下一步室內(nèi)處理使用。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

瞬變電磁法觀測的數(shù)據(jù)是各測點(diǎn)各個(gè)時(shí)窗（測道）的瞬變感應(yīng)電壓，需換算成視電阻率、視深度等參數(shù)，才能對資料進(jìn)行下一步解釋。處理步驟主要分為三步：

⑴濾波：在資料處理前首先要對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，消除干擾，對資料進(jìn)行去偽存真；

⑵時(shí)深轉(zhuǎn)換：瞬變電磁儀器野外觀測到的是二次場電位隨時(shí)間變化，為便于對資料的認(rèn)識，需要將這些數(shù)據(jù)變換成電阻率隨深度的變化，本次資料處理主要采用美國INTERPEX公司的TEMIX XL v3.36進(jìn)行。

⑶繪制各種參數(shù)圖件：首先從全區(qū)采集的數(shù)據(jù)中選出每條測線的數(shù)據(jù)，繪制各測線視電阻率剖面圖，即沿每條測線電性隨深度的變化情況；然后，結(jié)合已知地質(zhì)資料，分析電性異常確定地質(zhì)異常。

經(jīng)上述處理得到視電阻率、視深度等基本參數(shù)，根據(jù)資料的實(shí)際情況還需選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)，反復(fù)進(jìn)行濾波、一維層狀模型的正、反演等處理，直至獲得合適的解釋數(shù)據(jù)。

3.2 衰減曲線分析與畸變點(diǎn)處理

⑴衰減曲線分析

歸一化衰減曲線，橫軸為二次場的持續(xù)時(shí)間，縱軸為歸一化二次場的大小，曲線的首支可以直觀反映淺部導(dǎo)電性強(qiáng)弱，尾支反映深部地層的導(dǎo)電性強(qiáng)弱以及測區(qū)噪聲背景電平的高低，曲線位置高低、衰減快慢反映出整個(gè)地層組合導(dǎo)電性強(qiáng)弱，但一般難以從單一的衰減曲線劃分地層的地電結(jié)構(gòu)，但是遵守能量衰減與視電阻率的反比相關(guān)性；即低阻快速衰減，高阻緩慢衰減。所以當(dāng)?shù)貙佑袠O低阻地層時(shí)，會(huì)產(chǎn)生低阻屏蔽效應(yīng)，影響深部地層的反應(yīng)。

橫軸為二次場時(shí)間，縱軸為巖層晚期視電阻率。時(shí)間的早晚與探測深度對應(yīng)，利用ρa(bǔ)-t、ρa(bǔ)-D曲線可以初步劃分曲線類型和地層的基本分層組合。如圖通過分析與預(yù)處理截取合理的時(shí)窗，通過多時(shí)窗的對比分析選擇合理的時(shí)間道。由于本礦區(qū)地層傾角大，根據(jù)多時(shí)窗曲線的對比，40道數(shù)據(jù)更加圓滑，連續(xù)性好能更詳細(xì)的反應(yīng)地層的變化，因此選擇40道數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，時(shí)窗范圍0.05～6 ms。

⑵畸變點(diǎn)處理

瞬變電磁法響應(yīng)為體積效應(yīng)，因此通過分析衰減曲線畸變點(diǎn)的原因，結(jié)合已知地質(zhì)資料和原始班報(bào)，作合理的處理。主要采取剔除和圓滑處理。在作圓滑或差值處理時(shí)應(yīng)當(dāng)避免引入假異常。

3.3 視電阻率斷面圖

最終斷面圖繪制采用Surfer 8.0，以測線長度為橫軸，反演改正高程為縱坐軸，同時(shí)利用軟件地形校正功能繪制測線視電阻率反演斷面圖。它可以從橫、縱兩個(gè)方向上同時(shí)反應(yīng)地層的電性變化，提供層位劃分、層位追蹤、深度確定、異常圈定的依據(jù)。同時(shí)可以結(jié)合已知鉆孔、煤層、測井曲線等其他特征層信息，構(gòu)成標(biāo)定綜合斷面圖。

圖2是帶地形校正的視電阻率斷面，明確的刻畫了地層的電性規(guī)律，并且地層傾角也明顯的反應(yīng)，表現(xiàn)為在深度方向延伸的長條形高阻異常區(qū)。斷面是一套由低、中、高、中阻組合地層。

圖2

3.4 順層切片平面圖

視電阻率順層切片平面圖的縱、橫坐標(biāo)數(shù)據(jù)采用測量成果的實(shí)際坐標(biāo)組網(wǎng)，可以完全反映不規(guī)則測網(wǎng)的平面關(guān)系。本次通過淺、中、深視電阻率順層切片平面圖反應(yīng)不同深度上的異常分布，標(biāo)高分別為2065±5 m、2020±5 m、1960±5 m。通過平面等值線圖劃分低阻異常區(qū)和高阻異常區(qū)，同時(shí)能揭示平面上的走向異常。最后結(jié)合掌握地質(zhì)資料、測線視電阻率斷面圖，圈定最終的采空區(qū)、賦水區(qū)。

4 等深度平面圖異常圈定與賦水評價(jià)

圖3為等深度(標(biāo)高2065±5 m)水平切片等值線圖，由于測區(qū)整體地形趨勢為西高東低，反應(yīng)斷面通過地形改正后，在對齊切取深度上有±5 m的變化。該等值線圖揭示的是標(biāo)高2065 m的視電阻率分布情況，根據(jù)標(biāo)高2065 m等值線圖，采用220 Ωm閥值圈定結(jié)果顯示，從J8線-18線的淺表層均表現(xiàn)為低阻，有一定的賦水存在，局部區(qū)域采用60 Ωm閥值圈定，為較強(qiáng)的賦水區(qū)。

5 結(jié)論

根據(jù)前期地質(zhì)工作及瞬變電磁法工作成果，對區(qū)內(nèi)高阻范圍內(nèi)的中低阻異常區(qū)進(jìn)行圈定，劃分出2塊異常區(qū)，分別為Ⅰ、Ⅱ號區(qū)域，初步確認(rèn)Ⅰ、Ⅱ號區(qū)域?yàn)椴煽张c賦水綜合異常。通過收集1、2號勘探線鉆探成果，最終確認(rèn)Ⅰ號區(qū)為賦水采空區(qū)，空間范圍投影到平面圖上的位置在地質(zhì)1線西20 m到地質(zhì)1線向東200 m（電法線11線）左右，ZK1-3在69 m左右獲得驗(yàn)證，采空區(qū)為充水或半充水狀態(tài)，與煤層、煤系地層整體呈現(xiàn)中低阻反應(yīng)。Ⅱ號區(qū)域通過在主要位置ZK2-4、2-3、2-1的施工，區(qū)內(nèi)未見采空區(qū)，但是通過電法工作的成果發(fā)現(xiàn)，在地質(zhì)2線左右向東160 m有一個(gè)高阻范圍內(nèi)的中低阻異常區(qū)。把Ⅱ號區(qū)域定為賦水異常區(qū)。

[1]地面瞬變電磁法技術(shù)規(guī)程.DZ_T 0187-1997.

[2]煤田資源勘探工程測量規(guī)定.

[3]全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范.

[4]新疆煤田地質(zhì)局綜合地質(zhì)勘查隊(duì).新疆拜城縣阿依冬可檔勘探報(bào)告.