含水采空區(qū)全空間瞬變電磁響應(yīng)分析

陳健強(qiáng)，李雁川，田浩，李漢超

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013； 2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013； 3.山西晉煤集團(tuán)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006)

0 引言

在井下含水采空區(qū)探測(cè)應(yīng)用實(shí)踐方面，瞬變電磁法因施工快捷、觀測(cè)系統(tǒng)布設(shè)簡(jiǎn)單、對(duì)采集人員配置要求低、對(duì)低阻體響應(yīng)敏感等優(yōu)勢(shì)得到推廣應(yīng)用。鐘聲等[1]、丁亮斌等[2]基于地面物探成果，采用井下瞬變電磁法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，獲得了視電阻率低值重疊區(qū)域，結(jié)合地質(zhì)資料分析獲取了含水采空區(qū)空間分布情況；劉百祥等[3]在回采工作面平巷內(nèi)布設(shè)測(cè)線觀測(cè)系統(tǒng)，獲得了視電阻率切片成果圖，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境及地質(zhì)資料將其劃分為積水區(qū)、弱積水區(qū)和無水區(qū)，通過鉆孔進(jìn)行了驗(yàn)證。當(dāng)前多數(shù)應(yīng)用性研究成果集中體現(xiàn)了視電阻率斷面圖直觀特征在物探成果解釋中的作用，但對(duì)含水采空區(qū)電性變化規(guī)律量化研究方面仍有待補(bǔ)充[4-8]。

晉城礦區(qū)各大生產(chǎn)礦井實(shí)際生產(chǎn)過程中面臨的重點(diǎn)水患類型為采空區(qū)積水、砂巖水、太原組灰?guī)r裂隙水和奧陶系巖溶水等。其中，因歷史原因遺留的大量小窯采空區(qū)，在資源整合過程中難以全面掌握其采掘資料，從而對(duì)正常采掘活動(dòng)造成極大威脅。目前，以瞬變電磁法為代表的物探技術(shù)已在礦區(qū)得到了普及，但對(duì)于含水采空區(qū)的電性響應(yīng)特征識(shí)別研究仍需進(jìn)一步開展[9-11]。

1 含水采空區(qū)正演模擬響應(yīng)

建立全充水采空區(qū)有限元模型，如圖1所示。綜合考慮煤層采后形成的頂板導(dǎo)水裂縫帶，設(shè)置低阻體為棱長(zhǎng)50 m正方形，幾何中心距離線圈75 m，電阻率為0.25 Ω·m。均質(zhì)圍巖背景場(chǎng)電阻率設(shè)置為1 000 Ω·m，線圈發(fā)射電流頻率設(shè)置為25 Hz。按照15°間隔，由右?guī)?°～左幫180°沿扇面均勻布置13個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中90°測(cè)點(diǎn)方向指向含水采空區(qū)模型。

圖1 有限元模型示意Fig.1 Diagram of finite element model

圖2 含水采空區(qū)測(cè)點(diǎn)電動(dòng)勢(shì)模擬成果Fig.2 EMF simulation results of measuring points in water bearing goaf

圖2所示為電性響應(yīng)差異最大的右?guī)?°及正前方90°測(cè)點(diǎn)方向的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)衰減曲線，可以看出在觀測(cè)初期二者處于同一量級(jí)水平，隨觀測(cè)時(shí)間的增加，含水采空區(qū)方向電動(dòng)勢(shì)值下降2個(gè)量級(jí)，為初期值的1/50左右，背景場(chǎng)方向電動(dòng)勢(shì)下降達(dá)4個(gè)量級(jí)，為初期值的1/2 000左右。在觀測(cè)階段內(nèi)，含水采空區(qū)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)值域水平整體顯著高于背景場(chǎng)。

根據(jù)時(shí)間域電磁法特點(diǎn)，模擬所得數(shù)據(jù)體反映的是二次場(chǎng)電動(dòng)勢(shì)—時(shí)間關(guān)系，需通過

ρs=B×C×6.32×10-12×(S×N×s×n)2/3×

(1)

根據(jù)測(cè)點(diǎn)電動(dòng)勢(shì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換計(jì)算所得的含水采空區(qū)視電阻率空間綜合響應(yīng)分布如圖3所示。分析圖3可知，對(duì)應(yīng)含水采空區(qū)位置的正前方區(qū)域表現(xiàn)出顯著閉合低阻特征，在縱向方向上，低阻異常中心更偏向線圈一側(cè)，相比模型幾何中心位置存在一定差異；但在橫向方向上，二者角度方向一致性較好，反映出全空間瞬變電磁法橫向分辨率相對(duì)更高的特點(diǎn)。提取正前方90°及左幫180°方向測(cè)點(diǎn)電動(dòng)勢(shì)數(shù)據(jù)，進(jìn)行線圈法向由旁側(cè)轉(zhuǎn)至正對(duì)含水采空區(qū)過程的電動(dòng)勢(shì)差值及升幅計(jì)算，得到圖4。

由圖4中升幅曲線可以得出，觀測(cè)初期正前方90°含水采空區(qū)影響下的二次場(chǎng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相比右?guī)?°相對(duì)正常圍巖背景場(chǎng)下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)數(shù)值增大4倍左右，但由于對(duì)低阻體敏感，二者間的電位升幅呈現(xiàn)急劇增大而后穩(wěn)中有降特征，在0.001 s內(nèi)總體升幅可達(dá)100倍以上。

進(jìn)一步對(duì)兩個(gè)方向的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)差值進(jìn)行歸一化分析，可以發(fā)現(xiàn)與圖2雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中電動(dòng)勢(shì)差值逐步增大的表象不同的是，觀測(cè)階段異常體及背景場(chǎng)的二次場(chǎng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)差值隨時(shí)間實(shí)際為單調(diào)遞減關(guān)系，與升幅曲線變化趨勢(shì)大體上相反。

圖3 含水采空區(qū)空間電性模擬結(jié)果Fig.3 Spatial electrical simulation results of water bearing goaf

圖4 模擬含水采空區(qū)二次場(chǎng)電動(dòng)勢(shì)變化Fig.4 Simulation of EMF change of secondary field in water bearing goaf

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 物探成果

探測(cè)地點(diǎn)位于晉煤集團(tuán)9號(hào)煤層，現(xiàn)場(chǎng)物探施工條件較好，布置扇形觀測(cè)系統(tǒng)。根據(jù)礦方地質(zhì)資料，本次探測(cè)范圍內(nèi)存在資源整合礦井遺留空巷，具體賦存情況未知，水平橫向探測(cè)成果如圖5所示。

圖5 含水采空區(qū)空間電性實(shí)測(cè)成果Fig.5 Measured results of spatial electrical properties of water bearing goaf

圖5中，右?guī)?5°至正前方90°范圍內(nèi)存在1處低阻區(qū)域，如虛線部分所示，深度范圍為沿探測(cè)方向80 m以內(nèi)。該區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)散點(diǎn)距離密度高于其他方向，反映出相同觀測(cè)時(shí)窗下的對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)二次場(chǎng)傳播距離小，衰減速度慢。

提取右?guī)?5°方向相對(duì)正常背景場(chǎng)及75°方向低阻響應(yīng)測(cè)點(diǎn)電動(dòng)勢(shì)曲線進(jìn)行分析，探測(cè)過程中測(cè)點(diǎn)角度逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變化情況如圖6所示。

圖6 實(shí)測(cè)含水采空區(qū)二次場(chǎng)電動(dòng)勢(shì)及其衰減特征Fig.6 Measured EMF of secondary field and its attenuation characteristics in water bearing goaf

從圖6a的電動(dòng)勢(shì)衰減曲線對(duì)比可以得出，觀測(cè)初期二者值域水平位于同一量級(jí)，為n×10-6V。隨時(shí)間推移，二者數(shù)值均跨量級(jí)衰減，觀測(cè)后期分別降至n×10-9、n×10-10V，分別下降3個(gè)量級(jí)和4個(gè)量級(jí)。

由圖6b中升幅曲線可以看出，實(shí)測(cè)低阻異常區(qū)二次場(chǎng)電動(dòng)勢(shì)值升幅曲線與圖3數(shù)值模擬結(jié)果相比，總體數(shù)值相對(duì)較小，后期在10倍左右波動(dòng)；但總體上看，具有一致性規(guī)律：實(shí)測(cè)電動(dòng)勢(shì)增幅在0.001 s之后逐步趨向相對(duì)穩(wěn)定，即二者都表現(xiàn)出了電動(dòng)勢(shì)升幅隨觀測(cè)時(shí)窗后移急劇增大而后增速放緩的特征。圖中的電位差值歸一化曲線反映出井下實(shí)測(cè)低阻體及背景場(chǎng)的電動(dòng)勢(shì)數(shù)值差值與時(shí)間的變化關(guān)系呈近似線性單調(diào)衰減特征，與電動(dòng)勢(shì)升幅曲線總體變化趨勢(shì)相反，與圖3數(shù)值模擬成果規(guī)律相符。綜合上述分析，判斷該物探低阻異常區(qū)為含水采空區(qū)響應(yīng)。

2.2 鉆孔窺視

為驗(yàn)證物探成果，以物探成果圖中低阻異常為靶區(qū)，于掘進(jìn)工作面共計(jì)布設(shè)15個(gè)鉆孔開展鉆探工作。其中，迎頭前方右?guī)?7°角度鉆孔出水量最大，達(dá)到45 m3/h。對(duì)該鉆孔進(jìn)行窺視，軌跡如圖7所示。圖8為鉆孔窺視成果，可以看出開孔位置前方56 m處揭露采空區(qū)，內(nèi)部孔隙大，充水程度高。

圖7 鉆孔設(shè)計(jì)Fig.7 Drilling design diagram

圖8 鉆孔窺視成果Fig.8 Drilling peep results

將鉆孔窺視軌跡與物探異常區(qū)范圍疊加，如圖9所示。圖中，實(shí)線表示鉆孔軌跡，末端為見空出水位置；閉合虛線為劃定的低阻異常區(qū)范圍，放射狀散點(diǎn)為各探測(cè)方向相應(yīng)距離深度的視電阻率數(shù)據(jù)。

圖9 鉆物探成果疊加Fig.9 Superposition of drilling geophysicalexploration results

分析圖9可知，低阻異常與鉆孔見空位置在橫向角度上具有較好的一致性，該方向鄰近的右?guī)?5°測(cè)點(diǎn)視電阻率數(shù)據(jù)散點(diǎn)空間密度最大，即低阻異常體二次場(chǎng)響應(yīng)信號(hào)最強(qiáng)。但在縱向深度上，物探低阻異常中心與實(shí)際含水采空區(qū)位置存在一定偏差，探測(cè)結(jié)果更偏向線圈一側(cè)，與圖3所示模擬成果相類似。

2.3 化探分析

表1 水樣離子濃度

3 結(jié)論

1) 模擬及實(shí)測(cè)成果共同顯示，含水采空區(qū)瞬變電磁響應(yīng)的橫向角度對(duì)應(yīng)一致性比縱向深度對(duì)應(yīng)性更好，現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)前需做好深度參數(shù)試驗(yàn)工作。

2) 含水采空區(qū)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)升幅呈現(xiàn)出在二次場(chǎng)觀測(cè)初期急劇增大而后趨緩的特征，整體可達(dá)10倍以上。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)差值在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)整體單調(diào)遞減，與升幅曲線變化趨勢(shì)總體上相反。

3) 鉆孔窺視及化探水質(zhì)分析進(jìn)一步驗(yàn)證了物探成果，為后續(xù)防治工作奠定基礎(chǔ)。