代飛龍，郭 恒，王海博

（1.新疆天池能源有限責任公司，新疆 昌吉 831100；2.中煤科工集團西安研究院（集團）有限公司，陜西 西安 710077）

將軍戈壁二號露天煤礦位于準噶爾盆地東南，預計2024 年北幫地表開采至礦區(qū)西側燒變巖富水區(qū)域，首采開挖后燒變巖水會順勢流入礦坑，引發(fā)邊坡失穩(wěn)等開采隱患[1-3]。以電阻率差異為勘探基礎的電法勘探方法一般可以對燒變巖富水區(qū)取得較好的探測效果；這是因為巖體在燒變后孔洞裂隙發(fā)育，在不富水時電阻率明顯增高；在富水時電阻率則顯著降低。為了保證礦區(qū)西幫首采的安全生產，以電阻率差異為基礎的高密度電阻率法與瞬變電磁法2 種地球物理方法被應用于勘查工作中。瞬變電磁法勘探深度大，高密度電阻率法則對淺部地層分辨率更高；2 種方法互為補充，相互驗證，有效識別了研究區(qū)內燒變巖富水區(qū)分布狀況[4]。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于將軍戈壁二號露天煤礦西部，該區(qū)域為燒變巖與正常地層過渡帶。研究區(qū)內地層由老到新主要為三疊系、侏羅系、第四系。地表出露地層包括：①第四系覆蓋：主要分布在區(qū)域內的低洼地帶，一般可分為洪沖積層、季節(jié)性洪水滯留層，主要由淤泥、砂土、砂質黏土構成；②侏羅系中—上統(tǒng)石樹溝群：在區(qū)內大面積出露，主要巖性為砂巖、泥巖、粉砂巖，與下伏西山窯呈平行不整合接觸；③在北部邊緣、西部邊緣及東南部邊緣有侏羅系中統(tǒng)西山窯組、下統(tǒng)三工河組出露，巖性為泥巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖。

侏羅系西山窯組為本區(qū)內的含煤地層，礦田內控制西山窯組編號煤層7 層，從上至下編號為B7、B5、B3、B2、B2下、B1上、B1，其中可采主要煤層為B5、B3、B2煤層，B5煤層為結構較簡單的大部可采的穩(wěn)定?。藓衩簩?，埋深一般為40～70 m，B3、B2煤層為結構簡單、較簡單全區(qū)可采的穩(wěn)定?。藓衩簩?。埋深一般90～130 m。B5煤燒變巖富水性是本次研究的重點。

礦田地表無常年水流，也無泉水點。水流多為夏季降雨或偶降暴雨形成的暫時性水流，使礦田內形成多處淤積泥板地（俗稱白板地）。礦田內主要劃分5 個含（隔）水層（段）：①第四系透水不含水層；②侏羅系中-上統(tǒng)石樹溝群裂隙孔隙弱承壓含水層；③侏羅系中統(tǒng)西山窯組裂隙孔隙弱承壓含水層，小面積出露于礦田北部邊緣、西部邊緣；④下侏羅統(tǒng)三工河組相對隔水層；⑤燒變巖裂隙潛水弱含水層。

2 地球物理方法原理及方案

2.1 高密度電阻率法

高密度電阻率法（Electrical resistivity tomography），簡稱ERT，通過觀測和研究人工建立的穩(wěn)定電場在地面的分布來獲取目標體的電性信息。基本原理與傳統(tǒng)電阻率法一致，即通過1 組供電電極向地下供入電流I，通過1 組測量電極測得電位差U，由此得到，電流有效作用范圍內的巖土體的總體電阻率ρ，（視電阻率ρ）ρ＝K·U/I，K 為與電極排列相關的裝置系數。高密度電阻率法與傳統(tǒng)電阻率法的差異在于其通過將全部電極置于測線上，使用程控電極轉換開關與電腦控制實現了數據的快速、自動采集[5-6]。

本次勘探區(qū)面積為7.5 km2，共設計高密度電阻率法測線67 條，測網密度為80 m×10 m，即：線距80 m，電極距10 m。所有測線均采用溫納裝置采集。所有測線數據采集完成后，對視電阻率數據進行去除飛點、濾波等預處理。然后采用Res2dinv 軟件對視電阻率數據進行平滑約束反演。

2.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法（Transient electromagnetic methods），簡稱TEM，屬于電磁感應類探測方法，工作原理為利用1 個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)射靜磁場作為激發(fā)場源（習慣上稱為“一次場”），在一次場間歇期間觀測感應二次場。根據法拉第電磁感應定律，靜磁場結束以后，大地及探測目標體在一次場的作用下，內部產生感生的渦流，這種渦流有空間特性和時間特性，渦流強度與諸多因素有關，如目標體的空間特征、電性特征及激發(fā)場的特征等，而且因為熱損耗的緣故會逐漸減弱直至消失。利用專門儀器觀測這種渦流產生的電磁場（稱為“二次場”）的強弱、空間和時間分布特征，從中提取目標體的電性信息并加以綜合分析，從而達到解決地質問題的目的[7-9]。

本次研究設計瞬變電磁法測網密度為40 m×20 m，即：線距40 m，點距20 m，坐標點共計9 547 個。數據采集根據現場試驗工作采用中心回線裝置、發(fā)射電流不小于15 A、發(fā)射線框邊長為240 m、收發(fā)頻率為25 Hz 時。實測所采集的數據滿足信噪比要求，電阻率變化特征真實反映了地下地質情況。

瞬變電磁法野外觀測的主要參數為采樣時間、發(fā)射電流、歸一化感應電動勢等。數據處理主要進行了數據預處理（數據編錄、質量檢查、不合格數據剔除）、數據濾波、視電阻率視深度參數轉換、地形校正處理、定量的反演計算。

3 燒變巖富水區(qū)勘探結果

3.1 高密度電阻率法典型斷面成果

高密度電阻率法46 線反演電阻率斷面圖如圖1。

圖1 高密度電阻率法46 線反演電阻率斷面圖

該測線位于高密度電法勘察區(qū)域北側，走向為西－東走向，測線全長2 190 m，對應地表地形整體平坦。該斷面圖反映了標高＋380～＋580 m 之間地層電性的分布特征，測線的斷面覆蓋了火燒區(qū)及正常地層。其中測線里程500～1 900 m 為燒變巖區(qū)域內的電性特征，火燒區(qū)內，正常地層的“低阻～高阻”特征丟失，橫向明顯錯斷，地電結構相對更加復雜[10-12]。

在燒變巖區(qū)域內，地表至地下40～50 m 出現了明顯的高電阻率特征，該高電阻率區(qū)域底板位置基本對應地下潛水面埋深。結合地質資料分析可知，在燒變程度較強的區(qū)域，水位以上燒變巖體表現明顯的高電阻率特征；水位以下體現為明顯的低阻特征。里程1 500～1 900 m，從地表至含煤地層的電性結構均體現為低阻特征，推斷是燒變巖內富水性較強所導致。

3.2 瞬變電磁法典型斷面成果分析

瞬變電磁法70 線反演電阻率斷面圖如圖2。

圖2 瞬變電磁法70 線反演電阻率斷面圖

該測線位于研究區(qū)中部，斷面長度1 340 m，地表高程變化較平緩，自小號點向大號點有稍微減小的趨勢，最大高程差約22 m。斷面圖在縱向上電性層分布與實際地層電性分布特征一致，橫向上反映了實際地層產狀。根據鉆孔資料和磁法勘探成果，該測線8～49 點之間存在火燒地層，主要火燒煤層包括B5、B3、B2煤。從反演電阻率斷面圖中可以看到，在目標煤層附近29～64 點之間的電性整體表現為相對低阻，各煤層存在差異，其中29～49 點之間推測為火燒區(qū)富水，49～64 點之間推測為西山窯組各煤層的頂板砂巖含水層富水。

3.3 綜合成果分析

提取B5、B3、B2煤層對應的高密度電阻率法和瞬變電磁法的反演電阻率值，繪制反演電阻率平面切片圖[13]，高密度電阻率法、瞬變電磁法平面異常對應如圖3。

圖3 高密度電阻率法、瞬變電磁法平面異常對應

異常的平面分布主要集中在區(qū)域A 和區(qū)域B。該2 處區(qū)域中，2 種方法均在B5煤段表現為明顯低阻區(qū)，異常區(qū)位置整體較吻合。其中高密度電阻率法、瞬變電磁法在該區(qū)域內清晰地顯示了水位以上燒變巖與水位以下燒變巖的強電阻率差異。指示了燒變巖孔洞裂隙極為發(fā)育（水位以上電阻率極高，正常值100 倍左右），水位以下的燒變巖區(qū)顯然富水性極好，導致電阻率迅速降低。2 種方法在該區(qū)域內體現為明顯的低阻異常，異常深度大。

綜合2 種方法異常對應情況，結合已有鉆孔資料，推斷劃分了B5 煤相對強富水區(qū)即弱富水區(qū)分布。物探推斷B5 煤富水區(qū)分布圖如圖4。

圖4 物探推斷B5 煤富水區(qū)分布圖

由圖4，根據統(tǒng)計結果，推斷B5 煤相對強富水區(qū)為總面積為407 467.517 6 m2，B5 煤相對弱富水區(qū)總面積303 857.958 3 m2。

4 結語

高密度電阻率法與瞬變電磁法2 種地球物理方法被應用于將軍戈壁二號露天煤礦西部燒變巖富水區(qū)勘查工作中，2 種方法有效識別了燒變巖富水區(qū)的電性異常。勘查結果，發(fā)現了研究區(qū)內存在2 處燒變巖富水區(qū)，并依據物探結果劃分了富水區(qū)邊界。