劉愛兄

（神華準能集團有限責任公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300）

近幾年，隨著我國對煤炭資源整合力度[1]的加強，許多小型地下開采的礦井整合成大型露天煤礦。但整合型之前在礦區(qū)分布著多家民營采礦企業(yè)，開采對象主要是煤層埋深淺、煤質(zhì)發(fā)熱量高的煤層，這些礦山當年獲批的礦區(qū)面積狹小，幾個礦在同一區(qū)域、不同位置開采，在沿水平和垂直方向采空區(qū)聯(lián)通、空間形態(tài)、采空高度缺乏歷史資料，詳細情況不明，嚴重威脅到露天開采剝離及煤炭資源高效回收工作，給采空區(qū)上方作業(yè)的人員及設備造成重大安全隱患。利用瞬變電磁法勘探技術在原地形對采空區(qū)進行探測，既不影響礦山日常生產(chǎn)，又能查明采空區(qū)范圍，為礦山安全生產(chǎn)[2]提供一定的技術支撐。

1 礦區(qū)概況

哈爾烏素露天煤礦隸屬國家能源集團有限公司，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)準格爾煤田中部，20 世紀中期至21 世紀初，陸續(xù)在哈爾烏素露天煤礦礦區(qū)范圍內(nèi)建礦開采煤炭，由于當時采用較為落后的井下爆破開采工藝，再加上地下開采規(guī)模有限，采空區(qū)大多數(shù)以未完全塌陷的充水、充氣、水氣共存的半充填狀態(tài)存在。

為提高煤炭資源回收率，有效利用不可再生煤炭資源，礦區(qū)內(nèi)原有小煤窯于2005 年之前均已依法關停。目前，哈爾烏素露天煤礦上部剝離臺階即將進入大陰塔小煤窯采空區(qū)上方作業(yè)，按照“有疑必探，先探后采”的既定原則，采用瞬變電磁探測技術，提前查明采空區(qū)范圍，為采空區(qū)安全生產(chǎn)提供保障。

2 瞬變電磁地球物理勘探原理

瞬變電磁法（TEM）[3]是電磁感應類探測方法之一，它遵循電磁感應原理，其機理就是導電介質(zhì)在階躍變化的電磁場激發(fā)下而產(chǎn)生的渦流場效應，即利用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)射脈沖電磁波作為激發(fā)場源（習慣上稱為“一次場”），根據(jù)法拉第電磁感應定律，脈沖電磁波結(jié)束以后，探測目標在激發(fā)場（即“一次場”）的作用下，其內(nèi)部會產(chǎn)生感生的渦流。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”[4]）的強弱、空間分布特性和時間特性。

一般來說，探測目標的幾何規(guī)模越大、埋藏越淺、導電性越好則二次場的信號越強、持續(xù)時間越長，反之，探測目標的幾何規(guī)模越小、埋藏越深、導電性越差則二次場的信號越弱持續(xù)時間越短。通過觀測和研究“二次場”的空間分布特性和時間特性，可以推測解譯地層或目標體地質(zhì)的幾何和物性特征[5]。

3 探測過程

3.1 設計工作量與技術措施

1）設計工作量。哈爾烏素露天煤礦大陰塔采空區(qū)采用瞬變電磁法探測，設計測線線距50 m，測線18 條，點距5 m，測點2 900 個。

2）嚴格按國家煤炭工業(yè)局2000 年頒發(fā)的MT/T 898—2000 煤炭電法勘探規(guī)范、DZ/T 0187—2016 地面磁性源瞬變電磁法技術規(guī)程和原煤炭工業(yè)部制定的《煤炭資源勘探工程測量規(guī)程》及設計進行，嚴格按ISO9001:2008 質(zhì)量認證體系要求施工[6]。

3）收集了本區(qū)及鄰區(qū)生產(chǎn)補充勘探鉆孔資料及各種水文地質(zhì)資料，充分利用鄰區(qū)的勘探方法，做到心中有數(shù)，有利于對電法勘探分辨率的分析，對施工參數(shù)進行合理的選擇[7]。數(shù)據(jù)的采集，首先應進行測量工作，對每個測點的高程進行實測，當觀測點位置確定后，確定儀器因素，主要試驗工作是儀器的穩(wěn)定性及施工參數(shù)試驗，最終確定適合本次電法勘探的施工參數(shù)。

3.2 數(shù)據(jù)處理過程

當日采集的原始數(shù)據(jù)用專業(yè)軟件打印出野外采集原始單枝衰減曲線進行驗收評級，并計算其對應的視電阻率。

1）常規(guī)處理。對驗收合格的原始資料，應用計算機計算各測點的視電阻率值，并繪制視電阻率斷面圖，做為下一步定性分析和定量解釋提供基礎圖件。

2）預處理。對驗收合格的原始數(shù)據(jù)，及時進行了預處理，根據(jù)數(shù)據(jù)評級的結(jié)果，對信噪比較低的數(shù)據(jù)進行了濾波，對干擾嚴重的數(shù)據(jù)道進行了剔除，并將數(shù)據(jù)格式進行了轉(zhuǎn)換，將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為處理軟件處理的格式，為下一步工作打好基礎。

3）地形校正。地形影響在TEM 剖面圖上顯示為視電阻率走勢和地形趨勢相似，“逢溝必低”現(xiàn)象顯著。為了避免與減小地形影響、取得良好的校正效果，采用鉆孔標志層深度刻度的方法來進行單點系數(shù)法校正。首先利用GRAF 和SURFER 軟件繪制定性圖件視電阻率擬斷面草圖，然后針對個別受干擾點進行濾波、圓滑或剔除處理，接著根據(jù)生產(chǎn)勘探鉆孔資料對斷面圖中的標志電性層位進行標定刻度，對不符合電性層位規(guī)律的進行校正，最后生成視電阻率斷面圖，用于后續(xù)圖件編制和各目的層采空區(qū)的分析和解釋。

4 數(shù)據(jù)解譯

針對本次地面瞬變電磁勘探目標，根據(jù)瞬變電磁的視電阻率數(shù)據(jù)，分析其變化規(guī)律，結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)及已知鉆孔資料，綜合分析對比，解釋確定主要煤層的采空范圍[8]。

4.1 定性解譯

依據(jù)瞬變電磁方法及理論，以物性為前提，結(jié)合地質(zhì)、鉆探及其它物探方法等進行。根據(jù)剖面曲線特性以及相應的平面特征，進行定性解譯。

1）正常場的確定。正常場的確定本身就是一項解釋，一般選擇地層分布均勻、裂隙不發(fā)育、影響因素小的地區(qū)，選擇瞬變響應衰減迅速、規(guī)律性好、相同規(guī)律范圍大的曲線作為背景場。

2）異常場的分析及確定。分析確定正常場，對比分析斷、剖面圖及視電阻率等值線平面圖特征，查明異常軸、確定異常帶；根據(jù)地質(zhì)地形圖以及野外記錄，剔除干擾異常，比如輸大型車輛、礦用導電電纜、高壓線等電力設備；仔細分析異常帶，辨別出覆蓋層不均勻性引起的異常、斷裂構(gòu)造異常和含水層含水有關的異常；根據(jù)異常特征，結(jié)合探測區(qū)異常的剖面及平面分布特征，和異常產(chǎn)狀在地質(zhì)上的可能性，綜合分析解釋，然后確定異常場。

3）電性解釋與綜合地質(zhì)分析相結(jié)合。充分研究目的層、目標物及相關地層對應物性標志，同時進行點線面對比解釋，并注意各標志縱橫向聯(lián)系。對獲取的單支曲線、物性參數(shù)剖面進行數(shù)據(jù)處理，分析各種地質(zhì)特征在圖件上所表現(xiàn)出的特征。

4.2 定量解譯

對采空區(qū)的解釋不僅從定性圖件上進行分析，而且要結(jié)合單點數(shù)據(jù)和單枝衰減曲線進行定量解譯。采用定性圖件和已知地質(zhì)資料分析煤層采空情況，結(jié)合計算的視電阻率和已知鉆孔資料，提高解釋精度。以S16 線為例分析，S16 線視電阻率斷面圖如圖1。

圖1 S16 線視電阻率斷面圖

從圖1 中可以看出，視電阻率值電性分層明顯。上部地表埋深在50 m 以內(nèi)空白部分是瞬變電磁探測的盲區(qū)；淺部埋深在1 050 m 以淺，視電阻率值相對較低、視電阻率值由淺到深依次遞增，分析是二疊系砂泥質(zhì)沉積及碎屑巖沉積層。巖性上部以泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂巖為主；下部以粗粒砂巖、含礫粗粒砂巖、細礫砂巖為主。埋深在1 050 m 以下，是石炭系太原組地層，巖性以砂巖、中、粗粒石英砂巖及煤層組成，視電阻率值相對升高，是本區(qū)最主要的含煤地層。

4.3 綜合解譯

本探測區(qū)位于哈爾烏素露天礦首采區(qū)，其含煤地層為山西組和太原組，太原組是本區(qū)主要含煤地層。區(qū)內(nèi)主采煤層共計2 層，其中5#煤層局部可采，6#煤層全區(qū)可采。本次主要對6#煤層小煤窯采空區(qū)分布形態(tài)進行探測分析。

探測區(qū)內(nèi)的含煤地層主要為山西組及太原組，煤層穩(wěn)定性較好。相對于圍巖來說，低密度、較高電阻率的煤層，與圍巖的物性差異顯著。電法對煤層采空區(qū)的解釋依據(jù)為物的電性差異，地下煤層采空后，固有物性變化規(guī)律將被打破，導致采空區(qū)與周圍巖層差異突出。不含水，則采空區(qū)表現(xiàn)為高電阻率特征；積水，則電性相對較低。正是這種電性的變化，使采空區(qū)表現(xiàn)出與周圍巖層有較大差異。

電法資料的解釋推斷遵守從已知到未知、從點到面、從簡單到復雜、從局部到全區(qū)的原則，通過觀測和研究“二次場”的空間分布特性，推測解譯地層或地質(zhì)目標體的幾何和物性特征。結(jié)合視電阻率斷面圖綜合分析采空區(qū)的分布形態(tài)。本區(qū)所有瞬變電磁測線均繪制了視電阻率斷面圖。

S17 線視電阻率斷面圖如圖2，圖中在17?！?5＃號點、75?！?6＃點之間，埋深在6#煤層附近，視電阻率值相對較高，視電阻率等值線分布不均，分析是由于煤層的采空，破壞了地層電性在橫向上的均一性，導致視電阻率值變化起伏較大，且分布不均勻，是典型的采空區(qū)的電性反映，將其劃分為疑似采空區(qū)段。

圖2 S17 線視電阻率斷面圖

S10 測線的視電阻率斷面圖如圖3。圖中在51#～60#點、83#～120#點之間，埋深在6#煤層附近，視電阻率值相對較高，視電阻率等值線分布不均，是典型的采空區(qū)的電性反映，結(jié)合野外施工的實際情況，施工期間，在此區(qū)間段施工車輛過往頻繁，且無法避讓，給野外施工造成很大的干擾，所以此區(qū)間段不排除是受干擾引起的高阻異常區(qū)，故將其劃分為解釋異常區(qū)。在160#～214#點之間的區(qū)段，視電阻率值較低，視電阻率等值線分布異常，結(jié)合實際情況，分析是由于地表存在高壓電纜網(wǎng)，在電纜網(wǎng)附近受其干擾造成的低阻異常區(qū)。

根據(jù)各測線視電阻率斷面圖及目的層所對應的瞬變電磁采樣道（深度），抽取目的層位的視電阻率值作順層平面圖，然后對比視電阻率斷面圖的電阻率變化情況，并結(jié)合已知水文地質(zhì)及野外調(diào)查資料，初步劃分了6#煤層疑似采空區(qū)范圍。根據(jù)視電阻率變化情況并結(jié)合已知水文地質(zhì)資料及野外調(diào)查資料綜合分析，初步劃分了6#煤層疑似采空區(qū)范圍，其中將視電阻率值大于400 Ω·m 劃分為6#煤層疑似采空區(qū)域；將受干擾區(qū)域劃分為解釋異常區(qū)[9]。

圖3 S10 線視電阻率斷面圖

4.4 數(shù)據(jù)解譯成果分析

探測結(jié)果采空區(qū)平面分布圖如圖4。

圖4 探測結(jié)果采空區(qū)平面分布圖

本次地面物探經(jīng)過緊張有序的野外施工，圓滿完成了本區(qū)相關合同及設計中提出的工作量。在施工過程中，嚴格執(zhí)行了《煤炭電法勘探規(guī)范》、《地面磁性源瞬變電磁法技術規(guī)程》等相關要求，確保原始數(shù)據(jù)可靠。經(jīng)統(tǒng)計，本區(qū)實際完成測線17 條，完成瞬變電磁物理點3 000 個；完成勘探面積6.5 萬m2。在資料整理、分析和解釋過程中，盡可能收集以往區(qū)內(nèi)、鄰區(qū)的地質(zhì)、鉆探、水文資料，經(jīng)過對原始數(shù)據(jù)進行詳細處理后，獲得終了解釋圖件。初步劃分出6#煤層疑似采空區(qū)及解釋異常區(qū)的分布范圍，勘探范圍內(nèi)解釋6#煤層疑似采空區(qū)2 個區(qū)塊，疑似采空區(qū)1 面積約38 892 m2，可靠程度為較可靠；疑似采空區(qū)2 面積約10 255 m2，可靠程度為較可靠，分布在測區(qū)南部及東部勘探范圍邊界附近。受測區(qū)內(nèi)地表地物及施工車輛的干擾影響，解釋6#煤層異常區(qū)2個區(qū)塊，異常區(qū)1 面積約5 826 m2，可靠程度較差；異常區(qū)2 面積約57 966 m2，可靠程度較差，分布在測區(qū)的中部及中南部區(qū)域。

5 結(jié)論

1）采用地球物理勘探方法探查煤礦采空區(qū)，是煤礦采空區(qū)安全治理的一項重要工作，瞬變電磁法是煤礦采空區(qū)探查行之有效的方法之一。

2）基于瞬變電磁法對哈爾烏素露天煤礦大陰塔采空區(qū)分布范圍進行了研究。分析結(jié)果表明：探測區(qū)6#煤東南部2 個區(qū)塊電阻率變化異常，可能存在采空區(qū)。

3）根據(jù)《煤礦地質(zhì)規(guī)定》中“保障安全”的原則，需對圈定出電阻率異常的區(qū)域，采取必要手段進行驗證，確保礦山安全生產(chǎn)。