瞬变电磁法在小浪底水库库区煤矿采空区的地球物理探测应用锚具

瞬变电磁法在小浪底水库库区煤矿采空区的地球物理探测应用

瞬变电磁法在小浪底水库库区煤矿采空区的地球物理探测应用 2011： 提要　采用地球物理方法中的瞬变电磁法(TEM)可以探测具有较明显电阻率差异的目标体,该文结合小浪底水库库区煤矿采空区的探测实例,介绍了瞬变电磁法的探测原理及方法,说明了该方法的有效性。《br》关键词　瞬变电磁法　物探　煤矿采空区《br》第一作者简介:袁江华,男,31岁,硕士,工程师,应用地球物理专业。《br》1　前言《br》黄河小浪底水利枢纽库区河道长度(坝址至三门峡)为131km,沿黄河两岸大大小小的煤矿、硫磺矿星罗棋布。煤矿、硫磺矿采空区造成的地表裂缝、《br》沉陷、滑坡体等不良地质现象给居住在煤矿、硫磺矿采空区附近居民的生产、生活带来了较大的危害。为确保库区居民,特别是采空区内的居民的利益,不因小浪底工程而受到损害,需要对库区周边煤矿及硫磺矿采空区进行探测,为移民工程提供可靠依据。黄委会设计研究院物探总队分别在新安县十余个行政村范围内应用瞬变电磁法开展了地球物理勘探工作。具体地质任务为:查明测区地下采空区位置,初步确定采空区的标高。《br》2　地质及地球物理特征《br》2•1　地质概况《br》测区均位于小浪底水库淹没区附近,多为低山丘陵,地形切割强烈,多呈“V”字形,地形极为复杂,最高点标高为395•9m,最低点标高为277•3m。测区植被覆盖较好,地形地貌条件较差。本区地层由老至新为:《br》1)奥陶系马家沟组(O2),厚0~80m,平均厚63m。以青灰色厚层状石灰岩为主。《br》2)石炭系本溪组(C2b),厚3~25m,平均厚9•08m。上部为灰色厚层状铝土岩,含黄铁矿结核;下部为浅灰色厚层状铝土泥岩,含星散状黄铁矿晶体,底部多为黄铁矿层。《br》3)石炭系太原组(C3t),厚34~55m,平均厚40m。与下伏地层整合接触。由灰黑色、深灰色泥岩和灰白色粉砂岩、石灰岩及粗~细粒砂岩及煤层组成。含煤4~9层。《br》4)二叠系山西组(P1S),厚51~90m,平均厚71•55m。与下伏山西组地层整合接触。岩性主要以灰色、浅灰色、灰白色砂岩,深灰色粉砂岩、灰黑色泥岩为主。主要可采煤层二1煤层位于本组地层的底部。《br》5)二叠系下石盒子组(P1X),厚63~111m,平均厚79•48m。与下伏地层呈整合接触。上部为深灰色、灰紫色砂质泥岩夹薄煤层;中部为紫褐色砂质泥岩夹三2薄煤层;下部为灰色、灰紫色粉砂岩、砂质泥岩。《br》6)二叠系上石盒子组(P2S),一般厚400m左右。仅个别测区有残留,厚度不大。多为灰绿色砂岩、粉砂岩及砂质泥岩,夹紫色泥岩,局部夹煤线。《br》7)第四系(Q),各测区均有分布,但厚度变化较大,多为淡黄褐色粘土或砂质壤土,河床冲积砂卵石层发育。《br》2•2　地球物理特征《br》据煤田地球物理测井资料,测区地层电性参数见表1《br》《br》表1　地层电性参数《br》　　从表1可以看出煤层采空区与围岩具有明显的电性差异,具备了电法类物探方法工作的物性前提。《br》3　检测原理与方法技术《br》根据物探工作的目的和任务,结合测区地形地质条件和目的层的物性特征,分析各种物探方法的特点,本次选用大功率瞬变电磁法开展野外工作。《br》3•1　检测原理《br》瞬变电磁法(TEM)亦称时间域电磁感应法。是利用不接地回线向地下发送一次脉冲磁场,在一次场间歇期间利用另一回线接收测量由地下介质产生的感应电场即二次场随时间的变化。该二次场是由地下不同导电介质受激励引起的涡流产生的非稳定磁场,它与地下地质体有关,根据它的衰减特征,可以判断地下地质体的电性、规模、产状等。瞬变电磁法是纯二次场观测,与其他电法相比,它具有体积效应小,工作效率较高,纵向分辨率高,受地形影响小等优点。《br》3•2　野外工作方法《br》TEM法测量煤层采空区一般使用剖面测量装置。按照供电、接收线框的相对位置不同,剖面测量分为重叠回线、中心回线、偶极和大定源回线四种装《br》置。本次工作中使用重叠回线装置(图1)。《br》图1　瞬变电磁法重叠回线装置示意《br》重叠回线装置是发送回线Tx与接收回线Rx相重合的敷设装置,这种装置与被探测地质体具有最佳耦合,是频率域方法无法实现的。本次工作中使用西安强源物探研究所的EMRS—2型大功率瞬变电磁仪进行野外数据采集。使用10m×10m的单匝方形回线发送,10m×10m的6匝方形回线接收的重叠回线装置。发送电流根据测区地形地质条件的不同采用500_700A不等。为保证记录数据的可靠性,视测区的干扰情况采用多次叠加,并随时进行检查测量。《br》4　资料分析与解释《br》资料由计算机计算、处理的程序,简述如下:《br》第一,原始资料的预处理,对经过验收的原始资料进行滤波、排序等基础处理;第二,正演计算,为全区瞬变电磁法资料的标定做准备;《br》第三,数据标定,应用正演计算的结果对所有测点的瞬变电磁法曲线进行统一标定;《br》第四,几种重要参数的计算,对每一个测点的数据文件进行计算,计算出每一点的视电阻率、视电导率参数;第五,绘制定性———半定量解释图件,将上述计算的视电阻率和视电导率参数与测道时间及剖面线上对应的测点组合,绘制成视电阻率拟断面图;最后,反演计算,对异常点进行反演计算,确定采空区的深度和厚度。《br》在瞬变电磁法成果图上,采空区地球物理特征表现为:煤层采空后,上覆地层中裂隙广为发育,地层变得松散失水,甚至坍塌,使得电磁波的能量衰减加大,干扰加强,地层的导电性明显减弱,仅当采空区充满水后,导电性加强。在瞬变电磁法综合剖面图上表现为局部的高阻异常(无水或未充满水时)或低阻异常(充满水时)。《br》　　　　　　　　　　　　4•1　定性分析《br》图2是竹圆北沟组测区3线TEM视电阻率拟断面图。《br》图2　视电阻率拟断面《br》图中20~40m、80~100m、130~150m、200~240m等4处存在高视电阻率异常,结合实际地质情况,分析为煤层或硫磺矿采空区引起的异常。《br》4•2　定量计算《br》根据各测区的地质地球物理特征,结合各测区煤矿揭露的实际地层情况,初步确定该测区的正演模型,其模型参数见表2。《br》《br》表2　正演模型参数《br》　　反演计算用计算机自动叠代。程序采用非线性最小二乘法及由Anderson改进了的限制非线性回归法,其中的数字积分是用自适应线性数字滤波。经《br》多次层参数的修改,获得最终的结果。《br》《br》表3　反演成果《br》　　表3是竹圆北沟组测区3线23号物理点(230m)的反演成果表,表中显示采空区顶板埋深为56•221m,采空区厚度为6•87m,与实际开采情况吻合。《br》5　结束语《br》本次地球物理探测完成了小浪底水库库区多处煤矿、硫磺矿采空区的分布范围划定。各测区分别建立了地质—地球物理模型,对各测区进行了反演计算,确定了采空区的埋深和厚度。为进一步确定采空区影响范围,保护当地居民生命财产安全,以及合理指导移民工程提供了科学依据。个别测区采空区年代相差太远以及塌陷、埋实不同程度等因素对采空区的分析确定存在一定的影响。当存在多层采空区交叉、重叠时,资料解释有一定难度,有待深入研究。《br》参考文献《br》1　牛之琏•时间域电磁法原理•长沙:中国工业大学出版社,1992《br》2　G•布塞利等著,蒋邦远译•瞬变场法野外工作方法和数据解释手册•北京:地质出版社,1992《br》(收稿日期:2001-12-21)《br》勘　察　科　学　技　术　　　　　　　　　2002年第2期《br》《br》《br》

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