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小浪底水庫庫區煤礦采空區的地球物理探測
來源:  作者:本站
       提要 采用地球物理方法中的瞬變電磁法(TEM)可以探測具有較明顯電阻率差異的目標體,該文結合小浪底水庫庫區煤礦采空區的探測實例,介紹了瞬變電磁法的探測原理及方法,說明了該方法的有效性澳门银河登入-澳门银河登入网址。
關鍵詞 瞬變電磁法 物探 煤礦采空區
第一作者簡介:袁江華,男,31歲,碩士,工程師,應用地球物理專業澳门银河登入-澳门银河登入网址。
1 前言
黃河小浪底水利樞紐庫區河道長度(壩址至三門峽)為131km,沿黃河兩岸大大小小的煤礦、硫磺礦星羅棋布澳门银河登入-澳门银河登入网址。煤礦澳门银河登入-澳门银河登入网址、硫磺礦采空區造成的地表裂縫、
沉陷、滑坡體等不良地質現象給居住在煤礦、硫磺礦采空區附近居民的生產、生活帶來了較大的危害澳门银河登入-澳门银河登入网址澳门银河登入-澳门银河登入网址。為確保庫區居民,特別是采空區內的居民的利益,不因小浪底工程而受到損害,需要對庫區周邊煤礦及硫磺礦采空區進行探測,為移民工程提供可靠依據。黃委會設計研究院物探總隊分別在新安縣十余個行政村范圍內應用瞬變電磁法開展了地球物理勘探工作。具體地質任務為:查明測區地下采空區位置,初步確定采空區的標高。
2 地質及地球物理特征
2•1 地質概況
測區均位于小浪底水庫淹沒區附近,多為低山丘陵,地形切割強烈,多呈“V”字形,地形極為復雜,最高點標高為395•9m,最低點標高為277•3m。測區植被覆蓋較好,地形地貌條件較差澳门银河登入-澳门银河登入网址。本區地層由老至新為:
1)奧陶系馬家溝組(O2),厚0~80m,平均厚63m澳门银河登入-澳门银河登入网址。以青灰色厚層狀石灰巖為主澳门银河登入-澳门银河登入网址。
2)石炭系本溪組(C2b),厚3~ 25m,平均厚9•08m澳门银河登入-澳门银河登入网址。上部為灰色厚層狀鋁土巖,含黃鐵礦結核;下部為淺灰色厚層狀鋁土泥巖,含星散狀黃鐵礦晶體,底部多為黃鐵礦層。
3)石炭系太原組(C3t),厚34~55m,平均厚40m。與下伏地層整合接觸。由灰黑色、深灰色泥巖和灰白色粉砂巖、石灰巖及粗~細粒砂巖及煤層組成。含煤4~9層。
4)二疊系山西組(P1S),厚51~90m,平均厚71•55m。與下伏山西組地層整合接觸澳门银河登入-澳门银河登入网址。巖性主要以灰色澳门银河登入-澳门银河登入网址、淺灰色、灰白色砂巖,深灰色粉砂巖澳门银河登入-澳门银河登入网址、灰黑色泥巖為主。主要可采煤層二1煤層位于本組地層的底部。
5)二疊系下石盒子組(P1X),厚63~111m,平均厚79•48m。與下伏地層呈整合接觸。上部為深灰色、灰紫色砂質泥巖夾薄煤層;中部為紫褐色砂質泥巖夾三2薄煤層;下部為灰色、灰紫色粉砂巖、砂質泥巖澳门银河登入-澳门银河登入网址。
6)二疊系上石盒子組(P2S),一般厚400m左右澳门银河登入-澳门银河登入网址。僅個別測區有殘留,厚度不大。多為灰綠色砂巖澳门银河登入-澳门银河登入网址、粉砂巖及砂質泥巖,夾紫色泥巖,局部夾煤線澳门银河登入-澳门银河登入网址。
7)第四系(Q),各測區均有分布,但厚度變化較大,多為淡黃褐色粘土或砂質壤土,河床沖積砂卵石層發育澳门银河登入-澳门银河登入网址。
2•2 地球物理特征
據煤田地球物理測井資料,測區地層電性參數見表1

表1 地層電性參數
  從表1可以看出煤層采空區與圍巖具有明顯的電性差異,具備了電法類物探方法工作的物性前提。
3 檢測原理與方法技術
根據物探工作的目的和任務,結合測區地形地質條件和目的層的物性特征,分析各種物探方法的特點,本次選用大功率瞬變電磁法開展野外工作澳门银河登入-澳门银河登入网址。
3•1 檢測原理
瞬變電磁法(TEM)亦稱時間域電磁感應法。是利用不接地回線向地下發送一次脈沖磁場,在一次場間歇期間利用另一回線接收測量由地下介質產生的感應電場即二次場隨時間的變化。該二次場是由地下不同導電介質受激勵引起的渦流產生的非穩定磁場,它與地下地質體有關,根據它的衰減特征,可以判斷地下地質體的電性、規模、產狀等。瞬變電磁法是純二次場觀測,與其他電法相比,它具有體積效應小,工作效率較高,縱向分辨率高,受地形影響小等優點。
3•2 野外工作方法
TEM法測量煤層采空區一般使用剖面測量裝置澳门银河登入-澳门银河登入网址。按照供電、接收線框的相對位置不同,剖面測量分為重疊回線、中心回線、偶極和大定源回線四種裝
置。本次工作中使用重疊回線裝置(圖1)。
圖1 瞬變電磁法重疊回線裝置示意
重疊回線裝置是發送回線Tx與接收回線Rx相重合的敷設裝置,這種裝置與被探測地質體具有最佳耦合,是頻率域方法無法實現的。本次工作中使用西安強源物探研究所的EMRS—2型大功率瞬變電磁儀進行野外數據采集。使用10m×10m的單匝方形回線發送,10m×10m的6匝方形回線接收的重疊回線裝置。發送電流根據測區地形地質條件的不同采用500_700A不等澳门银河登入-澳门银河登入网址。為保證記錄數據的可靠性,視測區的干擾情況采用多次疊加,并隨時進行檢查測量。
4 資料分析與解釋
資料由計算機計算、處理的程序,簡述如下:
第一,原始資料的預處理,對經過驗收的原始資料進行濾波、排序等基礎處理;第二,正演計算,為全區瞬變電磁法資料的標定做準備;
第三,數據標定,應用正演計算的結果對所有測點的瞬變電磁法曲線進行統一標定;
第四,幾種重要參數的計算,對每一個測點的數據文件進行計算,計算出每一點的視電阻率、視電導率參數;第五,繪制定性———半定量解釋圖件,將上述計算的視電阻率和視電導率參數與測道時間及剖面線上對應的測點組合,繪制成視電阻率擬斷面圖;最后,反演計算,對異常點進行反演計算,確定采空區的深度和厚度。
在瞬變電磁法成果圖上,采空區地球物理特征表現為:煤層采空后,上覆地層中裂隙廣為發育,地層變得松散失水,甚至坍塌,使得電磁波的能量衰減加大,干擾加強,地層的導電性明顯減弱,僅當采空區充滿水后,導電性加強澳门银河登入-澳门银河登入网址。在瞬變電磁法綜合剖面圖上表現為局部的高阻異常(無水或未充滿水時)或低阻異常(充滿水時)澳门银河登入-澳门银河登入网址。
            4•1 定性分析
圖2是竹圓北溝組測區3線TEM視電阻率擬斷面圖。
圖2 視電阻率擬斷面
圖中20~40m澳门银河登入-澳门银河登入网址、80~100m、130~150m、200~240m等4處存在高視電阻率異常,結合實際地質情況,分析為煤層或硫磺礦采空區引起的異常。
4•2 定量計算
根據各測區的地質地球物理特征,結合各測區煤礦揭露的實際地層情況,初步確定該測區的正演模型,其模型參數見表2。

表2 正演模型參數
  反演計算用計算機自動疊代。程序采用非線性最小二乘法及由Anderson改進了的限制非線性回歸法,其中的數字積分是用自適應線性數字濾波。經
多次層參數的修改,獲得最終的結果澳门银河登入-澳门银河登入网址。

表3 反演成果
  表3是竹圓北溝組測區3線23號物理點(230m)的反演成果表,表中顯示采空區頂板埋深為56•221m,采空區厚度為6•87m,與實際開采情況吻合。
5 結束語
本次地球物理探測完成了小浪底水庫庫區多處煤礦澳门银河登入-澳门银河登入网址、硫磺礦采空區的分布范圍劃定。各測區分別建立了地質—地球物理模型,對各測區進行了反演計算,確定了采空區的埋深和厚度。為進一步確定采空區影響范圍,保護當地居民生命財產安全,以及合理指導移民工程提供了科學依據澳门银河登入-澳门银河登入网址。個別測區采空區年代相差太遠以及塌陷、埋實不同程度等因素對采空區的分析確定存在一定的影響。當存在多層采空區交叉、重疊時,資料解釋有一定難度,有待深入研究。
參考文獻
1 牛之璉•時間域電磁法原理•長沙:中國工業大學出版社,1992
2 G•布塞利等著,蔣邦遠譯•瞬變場法野外工作方法和數據解釋手冊•北京:地質出版社,1992
(收稿日期:2001-12-21)
勘 察 科 學 技 術         2002年第2期

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