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      瞬變電磁勘探在新疆火燒區(qū)含水性探測(cè)中的應(yīng)用

      2014-04-29 00:00:00苗圃楊洪
      基層建設(shè) 2014年24期

      摘要:采用瞬變電磁勘探方法探測(cè)新疆煤炭火燒區(qū)含水性,在瞬變電磁法勘探常規(guī)電阻率計(jì)算的基礎(chǔ)上,利用大定源回線優(yōu)化反演技術(shù),結(jié)合測(cè)井、鉆探及地質(zhì)資料形成三維數(shù)據(jù)體,并利用自主開(kāi)發(fā)的三維可視化軟件進(jìn)行資料解釋,經(jīng)鉆探驗(yàn)證效果良好。

      關(guān)鍵詞:瞬變電磁;優(yōu)化反演;火燒區(qū)

      新疆地區(qū)煤炭資源豐富,但煤層火燒區(qū)分布亦廣泛,對(duì)煤層破壞及開(kāi)采影響巨大,煤層火燒后往往形成較大的裂隙,使得煤層頂?shù)装宓貙訉?dǎo)水性加強(qiáng),在大氣降水以及周邊河流的補(bǔ)給下,容易形成較大的水區(qū),直接威脅井下安全,因此,針對(duì)火燒區(qū)特別是富水區(qū)的探測(cè)顯得尤為重要,本文主要探討采用瞬變電磁(TEM)反演技術(shù)對(duì)火燒區(qū)含水性精細(xì)化探測(cè)的應(yīng)用效果。

      1 研究區(qū)地質(zhì)、地球物理特征

      本次課題組選擇新疆準(zhǔn)南煤田某礦作為研究區(qū),該區(qū)內(nèi)主要分布侏羅系下統(tǒng)八道灣組(J1b),為該區(qū)主要含煤地層,由下而上沉積環(huán)境呈現(xiàn)出不同的相變模式,底部主要為湖泊—沼澤相沉積,向上逐漸伴有河流相的含煤粗粒碎屑巖建造,巖性主要以灰—灰黑色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖、礫巖和煤層組成,夾少量厚層狀中、粗砂巖,地層總厚為699—1379.42米。含大于0.30米的煤層35層,編號(hào)煤層為2l層,煤層平均總厚79.21來(lái),按地層平均厚1045.61米計(jì)。含煤系數(shù)為7.6%。該組地層與下伏三疊系上統(tǒng)郝家溝組(T3h)呈平行不整合接觸,與上覆三工河組(J1s)為整合接觸。

      根據(jù)以往物探及測(cè)井資料可知,該區(qū)地層電阻率在10~ 102.5Ω·m,其中以地表較為干燥的第四系覆蓋層電阻率最高,達(dá)102.5Ω·m,以含水火燒區(qū)最最低約10Ω·m。而黑色泥巖以及泥質(zhì)粉砂巖亦為低阻反應(yīng),以往電磁法勘探手段難以區(qū)分,往往根據(jù)電阻率繞曲及低阻圈閉并結(jié)合解釋人員經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行劃分含水區(qū)邊界,人為因素大,因此需要在資料解釋階段引入約束反演,提高資料解釋的精細(xì)度。

      2 工作方法及技術(shù)

      瞬變電磁法(Transient electromagnetic method,TEM)屬時(shí)間域電磁測(cè)深法,又稱“純異常場(chǎng)法”,它是利用階躍波形電磁脈沖激發(fā),利用不接地回線向地下發(fā)射一次場(chǎng),在一次場(chǎng)的間歇期間(斷電后),測(cè)量由地下介質(zhì)產(chǎn)生的感應(yīng)二次場(chǎng)隨時(shí)間的變化來(lái)達(dá)到尋找各種地質(zhì)目標(biāo)體的一種引人注目的地球物理勘探方法。該方法對(duì)低阻反映靈敏、分層明顯,是自八十年代在國(guó)內(nèi)煤礦采空區(qū)探測(cè)、防治水等方面廣泛應(yīng)用并在近幾年取得長(zhǎng)足發(fā)展的煤礦物探新技術(shù)。

      瞬變電磁法的工作原理是:在地表敷設(shè)不接地線框或接地電極,輸入階躍電流,當(dāng)回線中電流突然斷開(kāi)時(shí),在下半空間就要激勵(lì)起感應(yīng)渦流以維持?jǐn)嚅_(kāi)電流前已存在的磁場(chǎng),并且此渦流場(chǎng)隨時(shí)間以等效渦流環(huán)的形式向下傳播、向外擴(kuò)展,利用不接地線圈、接地電極或地面中心探頭觀測(cè)此二次渦流磁場(chǎng)或電場(chǎng)的變化情況,用以研究淺層至中深層的地電結(jié)構(gòu)。由于是在沒(méi)有一次場(chǎng)背景的情形下觀測(cè)純二次場(chǎng)異常,因而異常更直接、探測(cè)效果更明顯、原始數(shù)據(jù)的保真度更高。(其工作原理見(jiàn)右圖)。

      為了后期反演工作及三維解釋的需要,本次試驗(yàn)采集按照40×40m的規(guī)則網(wǎng)度采集,采用大定源回線參數(shù),共完成了5777點(diǎn)的原始資料采集。

      資料處理方法

      3.1預(yù)處理

      對(duì)經(jīng)過(guò)驗(yàn)收的原始資料進(jìn)行濾波、排序等基礎(chǔ)處理,為進(jìn)一步的計(jì)算和處理工作做好準(zhǔn)備。

      瞬變電磁法觀測(cè)數(shù)據(jù)是各測(cè)點(diǎn)各個(gè)延時(shí)(時(shí)窗)的瞬變感應(yīng)電壓,同一個(gè)測(cè)點(diǎn)不同延時(shí)(時(shí)窗)的感應(yīng)電壓不僅與某個(gè)深度的地層電阻率具有一定的相關(guān)性,而且和該深度上覆地層電阻率相關(guān)。

      二次場(chǎng)歸一化感應(yīng)電壓由于信號(hào)小,易受各種人文電磁、地表因素干擾,因此去除非地層電性產(chǎn)生的感應(yīng)電壓是瞬變電磁處理的首要目標(biāo)。采用了直接的畸變數(shù)據(jù)剔除和非線性濾波兩種方法。

      瞬變電磁場(chǎng)法對(duì)于地表?xiàng)l件的適應(yīng)性是比較強(qiáng)的,資料處理主要是針對(duì)電磁干擾的。對(duì)一些干擾大的測(cè)點(diǎn)先做單點(diǎn)平滑,然后再通過(guò)剖面圖視電阻率等值線的形態(tài)進(jìn)行分辨。一般來(lái)說(shuō),孤立的、非常密集的封閉圈往往不是真正的地質(zhì)異常,需將其再次平滑。

      當(dāng)然,平滑的基礎(chǔ)是受電磁干擾的瞬變實(shí)測(cè)衰減曲線仍保持了形態(tài)上的完整。為此,當(dāng)干擾很大時(shí)除加大供電電流外(180-200A),每個(gè)測(cè)點(diǎn)上的重復(fù)觀測(cè)次數(shù)多達(dá)7-8次直到獲得較為理想的曲線為止。

      3.2視電阻率計(jì)算

      盡管感應(yīng)電壓高對(duì)應(yīng)電阻率低,但不同時(shí)間的瞬變電磁二次場(chǎng)感應(yīng)電壓跨躍了5、6個(gè)數(shù)量級(jí)(甚至更大),而且不直觀。將歸一化瞬變感應(yīng)電壓換算成視電阻率、視縱向電導(dǎo)、視深度等直觀參數(shù)是瞬變電磁數(shù)據(jù)處理不可缺少的,也是最基礎(chǔ)的,它符合深度多少米電阻率多少的常規(guī)解釋要求。幾種主要參數(shù)計(jì)算公式如下

      -------------------------晚期視電阻率

      式中μ0=4π×107,M為發(fā)射磁矩M=I·L2,t為時(shí)窗時(shí)間,q為接收線圈的有效面積,VZ是感應(yīng)電壓

      -----------------------縱向電導(dǎo)

      ------------------視深度

      上述視電阻率、視深度是處理應(yīng)得到的基本參數(shù),根據(jù)資料的實(shí)際情況應(yīng)進(jìn)行濾波、優(yōu)化反演等處理。

      3.2 TEM大定源回線優(yōu)化反演

      建立如下目標(biāo)函數(shù)ψ的模型,

      式中,,d是數(shù)據(jù)向量,m是模型向量,是正演模擬函數(shù),e是殘差向量。其中的分量(歸一化感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),單位);為地電模型的電阻率向量,可令為模型單元個(gè)數(shù),且每一為取對(duì)數(shù)后的電阻率值(即)。正則化參數(shù)λ是一個(gè)正數(shù)。正定矩陣V起殘差向量e之協(xié)方差的作用,其是數(shù)據(jù)誤差的一種度量。ψ的第二項(xiàng)是為了獲得穩(wěn)定的解而對(duì)地電模型的一種約束。本程序?qū)⒕仃嘗取為簡(jiǎn)單的二階微分算子,即Lm近似為Δ()。

      非線性共軛梯度(NLCG)直接求解最小二乘的極小化問(wèn)題,突破了

      線性化迭代反演的框架。非線性共軛梯度的模型序列由一系列的一元極小化或沿著計(jì)算的搜索方向的線性搜索所確定,

      搜索方向是對(duì)線性共軛梯度的近似,其迭代格式為,

      式中,。

      成果解釋

      通過(guò)上述資料處理及優(yōu)化反演,形成一個(gè)以40×40m為單元網(wǎng)格的三維數(shù)據(jù)體,并采用課題組自主開(kāi)發(fā)的三維可視化解釋軟件,對(duì)該數(shù)據(jù)體按照解釋資料形成剖面、水平切片以及聯(lián)井剖面等,進(jìn)行資料的最終解釋,三維可視化效果如下圖2,三維可視化效果圖。資料解釋過(guò)程中,采用該可視化軟件可以根據(jù)需要疊加上已知的地質(zhì)、鉆孔、測(cè)井?dāng)?shù)據(jù),形成地質(zhì)、鉆探、測(cè)井、瞬變電磁一體化的三維數(shù)據(jù)體,可對(duì)地下地質(zhì)體完成初步的三維定位和顯示,更好的提高解釋精度及直觀效果,極大的提高了解釋效率。

      本課題的研究區(qū)域內(nèi)煤層較厚,各層煤都有燃燒,煤層的頂、底板比較破碎,火區(qū)地面塌陷嚴(yán)重。所以空區(qū)基本都有冒落現(xiàn)象,視電阻率剖面上的相對(duì)高阻對(duì)應(yīng)著老窯和燃燒后形成的空區(qū)或者是這些區(qū)域冒落后形成的松散破碎帶。相對(duì)低阻對(duì)應(yīng)著火燒區(qū)含水體、老窯積水區(qū)、煤層燃燒區(qū)。在對(duì)異常體進(jìn)行解釋的時(shí)候,要在充分利用已知的地形地質(zhì)資料的前提下,除視電阻率值的高低外,在判斷異常方面還要考慮視電阻率等值線的形態(tài)、地形、地表電性不均勻程度、觀測(cè)點(diǎn)原始數(shù)據(jù)質(zhì)量等因素。

      當(dāng)然,實(shí)際的解釋過(guò)程還是遵循有已知到未知,有剖面到平面的過(guò)程。其中下圖3即為對(duì)驗(yàn)證鉆孔部分局部放大的剖面顯示。從圖上可見(jiàn),在標(biāo)高500至900m,圖形左側(cè)小出現(xiàn)大面積低電阻率區(qū),物探推測(cè)為火燒區(qū)含水體,與后期鉆探驗(yàn)證情況完全吻合。

      5.結(jié)論及建議

      通過(guò)本次優(yōu)化反演形成的瞬變電磁數(shù)據(jù)在低背景電阻率區(qū)域探測(cè)水區(qū)效果較好,能夠在低電阻率的砂泥巖區(qū)見(jiàn)到較為明顯的含水區(qū)邊界,并經(jīng)后期鉆探驗(yàn)證,準(zhǔn)確率較高;采用三維切片的方式使得解釋過(guò)程更為直觀、高效;反演過(guò)程中較好的利用了地質(zhì)模型和綜合測(cè)井資料,使得反演成果更為接近真實(shí)地質(zhì)情況,有效的解決了瞬變電磁深度誤差較大的問(wèn)題。

      由于本研究區(qū)后期發(fā)現(xiàn)淺部有大量的老窯采空區(qū)存在,在瞬變電磁資料上反應(yīng)不明顯,可見(jiàn)基于大定源回線的反演技術(shù)針對(duì)淺部(深度小于100m)低阻體探測(cè)存在一定的缺陷,使用過(guò)程中應(yīng)結(jié)合淺層具體情況采用其他的方法進(jìn)行補(bǔ)充。

      參考文獻(xiàn):

      [1]李貅,瞬變電磁測(cè)深的理論與應(yīng)用,陜西科學(xué)技術(shù)出版社,2002。

      作者簡(jiǎn)介:

      苗圃(1967—)高級(jí)工程師,中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程碩士學(xué)位,1990年工作,先后從事新疆煤田滅火處技術(shù)科科長(zhǎng)、副總工程師、新疆煤炭科學(xué)研究所所長(zhǎng)等工作。

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