瞬變電磁、EH4在新疆伊南煤田阿爾瑪勒煤礦采空區(qū)勘探中的應用

袁忠　孫鵬飛　賈智勇

摘要：阿爾瑪勒煤炭勘查區(qū)位于新疆伊犁盆地南緣伊南煤田東段。礦區(qū)出露的地層主要為第四系、上第三系、侏羅系、三疊系、二疊系及零星的石炭系。南部、東北部含煤地層與基底石炭系、二疊系呈不整合接觸關系。開采地段內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有斷裂構造，構造類型初步可確定為簡單類構造。根據(jù)物探勘探原理：不同巖性的地層或地質體的電性特征是有差異的（如煤層的電阻率值是砂泥巖層的數(shù)倍），利用EH4和瞬變電磁等物探綜合方法，依據(jù)多數(shù)據(jù)解釋及礦區(qū)地質條件和收集以往煤礦開采資料來確定勘查區(qū)的采空區(qū)及隱蔽地質災害，為煤礦安全生產(chǎn)提供依據(jù)。

關鍵詞：伊南煤田；電性特征；EH4；瞬變電磁；采空區(qū)

1. 勘查區(qū)概況

勘查區(qū)內(nèi)多有煤層和火燒巖露頭出露，在這些露頭區(qū)附近，長期以來有許多小煤窯開采，煤礦業(yè)主成份復雜，多數(shù)為鄉(xiāng)鎮(zhèn)和個體小煤窯，部分已采空報廢。地面上出現(xiàn)較多塌陷坑，大部分亦無法尋找煤窯口和具體開采深度與厚度，有些久遠的廢采坑在地表殘留跡象很少，大多數(shù)已無資料可查。地面上出現(xiàn)較多塌陷坑，大部分亦無法尋找煤窯口和具體開采深度與厚度，有些久遠的廢采坑在地表殘留跡象很少。根據(jù)現(xiàn)場調查與資料收集研究，認為20世紀90年代以前集體企業(yè)或私人開采的小煤窯，一般開采深度不超過300m，總體上多呈近東西向開采，以埋藏較淺的M8、M9、M10煤層為主。

2. 地球物理電性特征

根據(jù)以往的地質資料和少量工程鉆探，區(qū)內(nèi)地表淺層為第四紀沉積層，其下伏基巖為下第三系和白堊系地層，但厚度較薄，采空區(qū)主要位于侏羅系地層內(nèi)，該地層厚度較大，巖性包括泥巖、砂巖。根據(jù)搜集整理的伊犁盆地南緣各地層（表2-1）及不同巖石（表2-2）電性參數(shù)統(tǒng)計結果可以看出：

（1）第四系為現(xiàn)代沖積物、新近系為雜色礫巖，電阻率呈中高值，侏羅系中下統(tǒng)水西溝群的電阻率較低，而盆地基底的電阻率最高。因此本區(qū)存在兩個明顯的電性界面，一是侏羅系頂板與第四系及新近系之間的電性界面，二是基底與蓋層之間的電性界面。

（2）不同巖性間的電阻率差異較大，泥巖的平均電阻率13.78Ω·m，而煤的平均電阻率177.0Ω·m，兩者相差10倍多。碎屑巖的電阻率隨粒度的增大而增大，如粉砂巖的平均電阻率24.8Ω·m，粗砂巖的平均電阻率51.22Ω·m，相差一倍以上。同一巖性的巖石由于透水性、壓實度及組成物質的多樣性，電阻率也具有較大的差異。水西溝群的煤層電阻率呈高值，是區(qū)域上的電性標志層。

（3）采空區(qū)的電性特征：根據(jù)采空區(qū)展布特征及以往工作經(jīng)驗，采空區(qū)的電性特征具有以下幾種情況；①采空區(qū)采硐形成的空洞保存完好，其電阻率遠大于圍巖的電阻率，與圍巖形成明顯的電性差異；②采空區(qū)內(nèi)部分充水或被充填物充填或采硐部分坍塌改變了原采硐的形態(tài)。充水和充填物一般含水呈顯低阻；而未充填部分則仍為高阻，在其上方呈現(xiàn)較為復雜的異常形態(tài)。③采空區(qū)完全被充填或坍塌，由于充填物含水呈低阻與圍巖形成的高阻異常有明顯差異。沒有采空區(qū)分布的地區(qū)，地層和煤層正常產(chǎn)出，不顯示電性異常。

3. 成果概略性推斷解釋及驗證

3.1 瞬變電磁異常驗證

根據(jù)瞬變電磁工作所得異常圈定的采空區(qū)由以下三種方式加以驗證：

3.1.1 地表塌陷

地表塌陷處均在已圈定采空區(qū)范圍內(nèi)部，地表有塌陷說明采空區(qū)埋深淺。例如，T1測線樁號50～100處地表見明顯塌陷坑（如圖3-1），視電阻率擬斷面圖上該位置處有明顯高阻異常與之對應。

3.1.2 已有井下采掘平面圖

根據(jù)已有井下采掘平面圖上所標示的采掘面平面位置，結合瞬變電磁各條剖面視電阻率擬斷面圖圈定的高阻異常，來判斷高阻異常是否由采空區(qū)引起。如圖3-2，T54測線樁號625～775處有明顯的高阻異常圈閉（異常編號G54—3），在井下采掘平面圖中，該位置處有原回民鄉(xiāng)煤礦開采巷道通過，巷道標高1295.61m。兩相印證，說明該處存在采空區(qū)。

3.1.3 鉆孔驗證

工作區(qū)內(nèi)見采空區(qū)鉆孔共有兩處，編號分別是ZKS-1102及ZKS-1108。其中ZKS-1102號鉆孔位于T64測線6號測點西北4m處，該鉆孔在70m～75m深度處見一采空區(qū)。如圖3-3，T64測線視電阻率擬斷面圖上在該處也有高阻異常圈閉。

ZKS-1108位于T22測線39號測點東4m處，該鉆孔在70.8-73.1m深度處見一采空區(qū)，與G22-4號異常吻合（圖3-4）。

3.2 EH-4異常驗證

對ZK305鉆孔資料與過孔剖面進行對比分析，圖3-5為EH13線1600m～2400m段反演電阻率斷面圖，從圖中可以看出，淺部薄層反演電阻率高阻層為第四系干燥的砂、礫、泥沖洪積層的反映。在平距2100m附近埋深約90m處出現(xiàn)高阻異常，其形態(tài)近于橢圓形，反演電阻率大于70Ω·m，異常的背景值為20Ω·m～40Ω·m。ZK305孔位于測線2100m處，鉆孔揭示在孔深81m時鉆遇一采空區(qū)。反演電阻率高阻異常與鉆孔鉆遇的采空區(qū)有較好的對應關系。ZK305的驗證結果表明采空區(qū)在斷面圖上的表現(xiàn)為局部近圓形高阻體的依據(jù)是正確、合理的。EH-4野外工作時對各測線進行地表調查，發(fā)現(xiàn)各條測線上均分布有很多塌陷坑，或煤礦礦洞和通風口，這些都是采空區(qū)在地表的直接標志，并且這些塌陷坑、煤礦礦洞和通風口對應在斷面圖位置上的斷面形態(tài)與采空區(qū)的電性特征極為相似，因此可以推斷為采空區(qū)。EH-4野外工作時還對各測線進行地表調查，還發(fā)現(xiàn)EH1線及EH11線地表有燒結巖分布，而（下轉74頁）（上接16頁）燒結巖是火燒區(qū)的直接標志，燒結巖分布的區(qū)域在斷面圖上對應位置顯示為高阻薄層特征，這正是火燒區(qū)解釋推斷的依據(jù)。

通過以上實例分析，我們可以看出使用EH-4測量方法探測采空區(qū)滿足地球物理工作的前提，EH-4測量方法探測采空區(qū)工作中取得了良好的效果，EH-4測量成果也得到了鉆探驗證，說明本次煤礦采空區(qū)勘探工作所選擇的方法技術恰當、合適，圓滿完成了采空區(qū)勘探的工作任務。由此可見EH-4測量技術具有探測采空區(qū)的可行性。

4. 結論

4.1 瞬變電磁勘探工作結論

采用多種地球物理方法對采空區(qū)進行綜合探測，并綜合各種地球物理方法的優(yōu)點對采空區(qū)進行解釋。工區(qū)淺部低阻區(qū)域具有從地表水溝向地下擴散的特征，可利用瞬變電磁法對低阻靈敏異常，橫向分辨率高的特點對其進行勘探解釋，說明其水的補給與地表徑流緊密相關，后期處理應注意疏導。

4.2 EH—4勘探工作結論

通過搜集前人在該區(qū)使用EH-4連續(xù)電導率剖面儀進行已知采空區(qū)探測試驗資料，以及本項目鉆孔鉆遇的已知采空區(qū)與實測的EH-4資料對比分析認為，本勘探區(qū)采空區(qū)在反演電阻率斷面圖中為近于圓形或橢圓形的相對高阻異常特征，與沉積地層電性差異明顯。使用EH-4儀器進行的音頻大地電磁測量能夠達到對采空區(qū)探測的工作目的。

EH-4資料對本勘探區(qū)局部地段分布的煤炭火燒區(qū)同樣有較好地反映。根據(jù)野外實地觀察與EH-4實測資料對比分析認為，煤炭火燒區(qū)在反演電阻率斷面圖中表現(xiàn)為淺部局部地段的薄層高阻異常電性特征，并以高阻層蓋的形態(tài)分布于反演電阻率斷面圖的頂部，煤田火燒區(qū)在地表的電性特征明顯。

通過煤礦采空區(qū)探測工程驗證，最終取得了較好的勘探效果，說明采空區(qū)綜合地球物理探測技術可為煤礦采空區(qū)勘探提供可靠地地質資料，同時也為今后解決煤礦采空區(qū)水區(qū)文體提供了可以借鑒的經(jīng)驗。

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