瞬变电磁法及大功率激电测深在矿山采空区调查中的应用研究

郭鹏文，陈兴峰

（天津华北地质勘查局核工业二四七大队，天津 301800）

一直以来，我国对矿产的开采和需求量都很大，由于大量的矿产开采，形成了大量矿山采空区，矿山采空区对当地居民的生活安全以及对地质环境造成了很大的影响，所以查明重要矿区采空区、了解采空区（老空）积水现状，地质灾害、土地资源破坏等基本特征；对矿山采空区进行物探测量分析研究，对矿区破坏土地恢复治理及矿区综合治理提出规划建议，为矿山土地类型、地质环境功能修复提供依据。

1 调查区地质环境概况

调查区位于轩岗镇马圈到黄甲堡一带，属中山和低中山区。东面与西北部山势陡峻，山体走向北东-南西，东南陡坡基岩裸露；西北坡缓，多被黄土覆盖。

区内出露地层由老至新依次为中奥统马家沟组、石炭系本溪组、太原组、二叠系山西组、下石盒子组、上市盒子组和石千峰组，第三系上新统、及第四系黄土及冲积层，地层中旋徊结构清晰，标志层特征明显，变化不大，层位稳定，岩层组合等都有较大区别，故地层对比比较可靠，特别是矿系地层的划分和主要矿层，对比可靠，黄甲堡井田含煤地层为二叠系山西组和石炭系太原组、本溪组。含矿两层，自上而下为1号，2号矿层，其中2号矿为矿井主要可采矿层，全区或基本全区可采。黄甲堡井田处在黄甲堡断层之间，这两条断层倾向相反，断距较大，断层分布在井田东南边缘，为东南盘下降的正断层，黄家堡以北，断层走向NE35°～40°，黄甲堡以南转向SN40°左右，全长16km，在井田内延伸约5km。断层倾角62°～80°。

2 瞬变电磁法及大功率激电测深

2.1 瞬变电磁测深理论依据

根据地质资料可知勘探区内地层完整，没有地质构造及采空破坏时，电阻率断面电性特征明显从上到下逐渐升高。地下的煤层被采出后，在岩层内形成一个有一定规模的空间，与围岩相比，采空区的电阻率为无穷大，会出现相对高阻异常区。但是随着时间的推移，上覆岩层就会在地球重力的作用下逐渐断裂、塌陷，地下水就会侵入，采空区的电阻率随着发生变化，会出现相对低阻异常区[1]。因为采空区存在这样电阻率差异的前提，整套地层的电阻率在纵向上呈现为低～中～高的特征反映，为A型（如表1），瞬变电磁勘探背景条件较好，具备瞬变电磁勘探的地球物理前提，因此本次勘探选择对电阻率差异反映比较敏感的瞬变电磁法测深进行调查。

表1 测区地层电性一览表

2.2 大功率激电测深理论依据

本方法是供电电极AB和测量电极MN在同一条直线上，以测点为中心左右对称，在同一个测点上，按一定比例逐渐加大供电电极距，进行视电阻率测量。随着供电电极距AB的加大，电流场明显作用范围加深变广，因为不同的地层及地质条件，反应出不同的电性差异，测得的视电阻率值反映了测深点下方沿垂直方向上的电性变化情况［3］，能够明了的看出地下采空区的范围位置，所以采用大功率激电测深法调查研究。本次物探勘测不仅观测反映岩矿石导电性能的视电阻率，同时也可观测岩矿石激发极化性质的视极化率。

3 采空区断面解释

3.1 采矿层特征

本调查区太原组为矿田的主要含矿地层1号，2号煤层为可采矿层，它们的特征是：1号矿层厚2.48m～7.32m，平均5.88m，比较稳定。矿层的直接顶板以砂质泥岩为主，也有泥岩或者粘土页岩，局部有0.35m的伪顶，老顶是砂岩。底板为中、细粒砂岩。2号矿层厚0.2m～26m，平均为9.13m，由南向北变薄，南部厚度较稳定，其厚10m～15m。

3.2 采空区异常特征及解释原则

依据测量结果总结出的采空（破坏）区上方的TEM异常特征和对称四极激电测深特征，对TEM视电阻率断面图及对称四极激电测深视电阻率断面图进行解释，划出断面图上异常区的分布。结合地面调查结果圈出采空（破坏）区异常的平面分布。对称四极测深解释结果弥补了由于电磁噪声过大及房柱式采矿对瞬变电磁解释精度不利影响。从全区TEM视电阻率断面图纵向上看，从浅到深其视电阻率呈现中～低～高的电性特征［2］。由于瞬变电磁法缺失浅部地层地质信息。试验总结出采空区TEM异常特征为：①视电阻率的横向分带性，视电阻率值沿测线具有一定的变化；②低阻异常特征；③形态上表现为向下弯曲的低阻及相对低阻。因此在TEM视电阻率断面图上具有上述特征的异常均推断为采空区。结合地面调查结果、采空区异常特征及异常解释的原则对全区TEM视电阻率断面及对称四极激电测深视电阻率断面进行解释。

3.3 采空区推断解释

为了查明调查采空区的富水情况和垂向分布特征，布设1条瞬变电磁测深（2800线），点距40m，在相同位置布设对称四极激电测深，分别为27，28，29线。现就重点断面解释如下：

图1为2800线TEM视电阻率拟断面图，该范围内1号矿层埋深较浅，在3360-3440号测点之间1号矿层层位出现风氧化带；在2200-2800、3240-3360号测点之间视电阻率等值线表现为向下凹陷且等值线变密特征；2号矿层层位视电阻率等值线出现畸变的区段主要集中在2200-2520、2840-3120、3240-3440号测点之间，视电阻率值相对较低，推测在该区段内1号矿层、2号矿层存在采空区，且局部可能有积水。

图1 2800线TEM视电阻率拟断面图

根据对本次勘探区内各条测线等值线拟断面图的分析，依据采空区在视电阻率断面图上的等值线特征、相邻断面对比的原则以及结合实际采掘情况综合分析，本次勘探范围为1号、2号矿层基本全部采空，部分视电阻率值相对较低的区域，存在采空积水的可能相对较大。

图2为直流激电测深测线视电阻率，从图中可以看出，在1号矿层、2号矿层位视电阻率断面图中表现为相对中低阻，另外观察对应的视极化率断面图在该层位表现为相对高极化，且1号矿层层位视极化率比2号矿层层位视极化率值较高；根据调查资料及瞬变电磁探测结果显示，该范围内1号矿层、2号矿层均已采空，因此推测该范围内1号矿层、2号矿层层位采空区局部存在积水。

图2 激电测深视电阻率断面图

4 结论

瞬变电磁法及对称四极激电测深工作能够大概了解了矿山采空区及采空区富水情况，对称四极激电测深法能够在极化效应较弱的情况下进行测量，可能发现较小的地质目标，并且有较大的勘探深度，瞬变电磁法作为一种时间域的电磁勘探方法，具有信噪比高、穿透高阻能力强等优点，能够有效反映深部采空区信息。通过两种方法的优势，一定程度可有效圈定矿山采空区及积水重点地段，在煤矿采空区调查中，瞬变电磁法和对称四极激电测深是一种高效的物探测量方法。