采空區(qū)探測數(shù)值模擬與電磁響應(yīng)特征研究

溫建緒

(西山煤電(集團(tuán))公司 地質(zhì)處，山西 太原 030053)

西山煤電(集團(tuán))公司杜兒坪礦區(qū)周邊經(jīng)多年小煤窯開采，采掘、積水情況不清。現(xiàn)小煤窯大多已關(guān)閉，隨著時(shí)間的推移其積水越來越多，給杜兒坪礦帶來安全隱患。近幾年來，山西焦煤集團(tuán)發(fā)生水害事故較多，造成人員傷亡的有2起，均為老窯透水事故，共造成13人死亡，而導(dǎo)致老窯水害事故頻發(fā)的原因在于隱蔽型導(dǎo)水通道以及未知老塘水的精細(xì)探查理論不完善，探查技術(shù)存在不確定性等。目前，采空區(qū)物探解釋方法單一，因此，開展采空區(qū)地質(zhì)模型進(jìn)行數(shù)值模擬與電磁響應(yīng)特征研究具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

1 瞬變電磁法

瞬變電磁法(簡稱TEM法)是一種時(shí)間域的電磁勘探方法，是在地表敷設(shè)不接地線，利用階躍波或其它脈沖電流場源激勵(lì)，在大地產(chǎn)生過渡場，斷電瞬間形成渦旋交變電磁場，此渦流場隨時(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、測量這種由地下介質(zhì)產(chǎn)生的二次感應(yīng)電磁場隨時(shí)間變化的衰減特性，分析地下不均勻體的導(dǎo)電性能和位置，從而達(dá)到解決地質(zhì)問題的目的，其原理示意圖見圖1。

2 瞬變電磁資料的處理

當(dāng)日采集的原始數(shù)據(jù)交室內(nèi)組校對無誤后，轉(zhuǎn)存至計(jì)算機(jī)存儲，用專業(yè)軟件打印出野外采集原始單枝衰減曲線，由專職驗(yàn)收人員進(jìn)行驗(yàn)收評級。其原始數(shù)據(jù)將進(jìn)一步由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件轉(zhuǎn)換為視電阻率電性參數(shù)，在資料處理過程中，首先對畸變點(diǎn)進(jìn)行剔除，然后利用預(yù)處理軟件(TEM Pro)，對二次電位進(jìn)行更細(xì)致的內(nèi)插，從而進(jìn)行細(xì)分層，并計(jì)算視電阻率，時(shí)深轉(zhuǎn)換(瞬變電磁儀器野外觀測到的是二次場電位隨時(shí)間變化，為便于對資料的認(rèn)識，需要將這些數(shù)據(jù)變換成電阻率隨深度的變化)→反演(對野外數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，得到地電斷面的電性特征，結(jié)合實(shí)際地質(zhì)資料和測井資料進(jìn)行綜合解釋)→地形校正→繪制參數(shù)圖件。利用GRAF和SURFER軟件繪制定性圖件歸一化二次電位多測道剖面圖、視電阻率擬斷面圖。然后利用“差值法”消除低阻屏蔽，再針對個(gè)別受干擾點(diǎn)進(jìn)行濾波處理，最后生成視電阻率斷面圖，用于后續(xù)圖件編制和各目的層不同地質(zhì)任務(wù)的分析解釋。

圖1 瞬變電磁原理示意圖

3 瞬變電磁資料的解釋

瞬變電磁資料的解釋分定性分析和定量解釋，解釋基本步驟包括：孔旁測深曲線的分析(在已知鉆孔附近進(jìn)行孔旁視電阻率反演，通過孔旁視電阻率反演計(jì)算將電磁響應(yīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為地質(zhì)體內(nèi)部物理狀態(tài)變化的數(shù)據(jù))→視電阻率斷面圖分析→順層切片圖分析。首先從全區(qū)采集的數(shù)據(jù)中選出每條測線的數(shù)據(jù)，繪制各測線視電阻率斷面圖，即沿每條測線電性隨深度的變化情況；然后再繪制各類綜合圖件。結(jié)合平面圖的等值線走向與規(guī)律以及各測線視電阻率斷面圖，正演模型感應(yīng)電壓特征、多測道斷面形態(tài)和電性參數(shù)等值線出現(xiàn)突變、等值線密集地段，或者局部出現(xiàn)視電阻率值明顯突變等特征解釋采空區(qū)。

4 采空區(qū)地質(zhì)模型與電磁響應(yīng)特征應(yīng)用研究

1) 針對不同地質(zhì)條件的采空區(qū)地質(zhì)模型的數(shù)值模擬與電磁響應(yīng)特征進(jìn)行如下研究：a) 采空區(qū)為高阻模型。b) 上層采空區(qū)為高阻、下層采空區(qū)為低阻模型。c) 兩層采空區(qū)均為低阻模型。d) 上層采空區(qū)為低阻、下層采空區(qū)為高阻模型。

2) 為了分析地下采空區(qū)的電磁響應(yīng)，在工作前需進(jìn)行采空區(qū)各種模型的數(shù)值模擬計(jì)算工作。最終確定測區(qū)內(nèi)采空區(qū)的立體圖象。按照以下技術(shù)流程進(jìn)行：a) 收集測區(qū)以往采掘工程圖和地形圖資料。b) 對鉆探及地質(zhì)資料進(jìn)行了收集。c) 地面人文建筑和電力設(shè)施情況的調(diào)查。d) 施工方法及施工儀器參數(shù)的選擇。e) 資料的處理和解釋。

3) 杜兒坪礦南五采區(qū)地面物探試驗(yàn)線J2的歸一化二次電位差值剖面圖見圖2。

圖2 試驗(yàn)線J2的歸一化二次電位差值剖面圖

20～23.5號點(diǎn)各地層橫向視電阻比較均勻，是未開采的正常煤層的反映；23.5～28號點(diǎn)歸一化二次電位差值相對紊亂，表明二次電位衰減速度不穩(wěn)定，是采空區(qū)的反映，又在斷面圖上呈低阻異常，推測為采空積水異常區(qū)。杜兒坪礦南五采區(qū)地面物探S40線視電阻率斷面圖見圖3。由圖3可以看出，2#煤層和8#煤層位置視電阻率值無規(guī)律的高低變化，為采空區(qū)典型的電性反映。2#煤層在43～47號點(diǎn)、54號點(diǎn)、58～61號點(diǎn)、69～75號點(diǎn)之間視電阻率值相對較低，分析為2#煤層采空區(qū)積水異常反映。8#煤層在48～52號點(diǎn)、64～69號點(diǎn)之間視電阻率值相對較低，分析為8#煤層采空區(qū)積水異常反映。結(jié)合已知資料，資料分析成果與采空區(qū)的實(shí)際情況反映吻合。

圖3 S40線視電阻率斷面圖

5 采空區(qū)電磁響應(yīng)數(shù)值模擬與電磁響應(yīng)特征分析

在收集杜兒坪礦已有采空區(qū)電法勘探、地質(zhì)、水文和煤層相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，對前期的相關(guān)地質(zhì)資料進(jìn)行了分析，根據(jù)所采用的物探方法，進(jìn)行地球物理場的正演模擬，收集相關(guān)采空區(qū)已有的資料和位置分布情況，對不同厚度、不同深度的采空區(qū)的電性參數(shù)特征和充水采空區(qū)與無水采空區(qū)的電性參數(shù)特征進(jìn)行對比分析研究，為采空區(qū)結(jié)構(gòu)反演提供基礎(chǔ)資料和理論依據(jù)。正常情況即地層在不受采空影響的情況下，煤系地層在橫向上的電性變化有一定的規(guī)律性，縱向上表層視電阻率較高，向下呈逐漸降低趨勢；二疊系上石盒子組上部地層以泥巖和沙質(zhì)泥巖為主，呈低阻表現(xiàn)。上石盒子組下部地層電阻率為中低阻，下石盒子組、山西組地層表現(xiàn)為低阻；石炭系和奧陶系地層表現(xiàn)為高阻。因此，杜兒坪礦整套地層電阻率在縱向上為高—低—中—高的特征，為HA型。一般情況下，同種巖石其電阻率與其含水飽和度成反比關(guān)系，采空區(qū)的存在及其含水性的不同等現(xiàn)象使其產(chǎn)生了很強(qiáng)的橫向不均勻性。故橫向電阻率的變化反映了采空區(qū)及其含水性變化。地下煤層局部采空后，會打破原有地層電性的固有變化規(guī)律，從而使采空區(qū)表現(xiàn)出與周圍巖層有較大差異。深淺兩層采空區(qū)都未充水時(shí)其斷面圖有高阻異常顯示，從圖2分析可以看出，從第四道開始表現(xiàn)為曲線下凹，然而，當(dāng)其充水后，對應(yīng)深度以及連帶淺部都出現(xiàn)明顯低阻異常，表現(xiàn)為上凸，衰減速度不穩(wěn)定，衰減曲線紊亂、跳躍。從單枝曲線看出現(xiàn)明顯的畸變，從圖3分析，若采空區(qū)不積水，則表現(xiàn)為高電阻率特征；若采空區(qū)積水，則電阻率相對較低。以此為依據(jù)來推測采空區(qū)的分布情況?？傊?dāng)有充水的采空區(qū)存在時(shí)，視電祖率呈現(xiàn)良導(dǎo)電體的特征，破壞了地層電性在橫向上的均勻性和縱向上的正常遞變規(guī)律，為使用電磁法探測充水采空區(qū)地質(zhì)體，并研究其縱橫向水力聯(lián)系提供了條件。

6 結(jié)束語

通過對杜兒坪礦不同地質(zhì)條件采空區(qū)地質(zhì)模型數(shù)值模擬與電磁響應(yīng)特征研究，確定不同地質(zhì)條件下合理的電法勘探觀測系統(tǒng)參數(shù)，以及與野外數(shù)據(jù)采集相關(guān)的其他采集參數(shù)，為采空區(qū)結(jié)構(gòu)反演提供了理論依據(jù)。以該礦為典型實(shí)驗(yàn)區(qū)，開展采空區(qū)地質(zhì)模型數(shù)值模擬與電磁響應(yīng)特征研究，既解決了礦井采空區(qū)探測的技術(shù)難題，又滿足了礦井安全生產(chǎn)的需求。因此，開展老空水害探測理論及關(guān)鍵技術(shù)研究具有重要的理論意義和較強(qiáng)的實(shí)用性及推廣應(yīng)用前景。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]羅國平.采空區(qū)含水性探測的綜合電法勘探應(yīng)用研究[J].中國煤炭地質(zhì)，2013(01)：45-46.

[2]翟廣慶.瞬變電磁法探測煤層采空區(qū)的應(yīng)用[J].西部探礦工程，2010(06)：90-91.

[3]王 凱.瞬變電磁法探測煤礦充水采空區(qū)響應(yīng)特征分析[D].太原：太原理工大學(xué)，2012：50-53.