煤層采動覆巖富水性變化規(guī)律瞬變電磁法動態(tài)監(jiān)測

胡雄武，徐 虎，彭蘇萍，張平松，付茂如

(1.安徽理工大學(xué) 深部煤層采動響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點實驗室，安徽 淮南 232001; 2.安徽理工大學(xué) 礦山地質(zhì)災(zāi)害防治與環(huán)境保護(hù)安徽普通高校重點實驗室，安徽 淮南 232001; 3.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001; 4.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083;5.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 礦山生態(tài)修復(fù)研究院，北京 100083)

黃河流域中上游地區(qū)受煤炭開采影響，沙漠化、荒漠化傾向十分嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境加劇惡化。如何實現(xiàn)黃河流域煤炭資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展已成為目前我國亟待解決的重大難題[1]。近年來，許多學(xué)者在該地區(qū)開展了煤層采后地表生態(tài)效應(yīng)調(diào)查、煤層采后典型泉域地下徑流量的變化特征分析、地質(zhì)和物性等參數(shù)的全周期同步觀測、煤炭開采過程中生態(tài)環(huán)境的長期定位監(jiān)測、煤炭開采對包氣帶土壤理化性質(zhì)的改變以及煤礦區(qū)土地退化的影響因素等[2-8]方面的研究工作，直接或間接的反映了煤炭開采引發(fā)嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境惡化與地下水環(huán)境的改變密切相關(guān)。因此，深入研究煤炭開采對地下水環(huán)境的影響對于該地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義。陜北神南礦區(qū)地處黃河流域中上游核心地帶，是毛烏素沙漠與陜北黃土高原的接壤地帶，地形起伏大，黃土溝壑縱橫交錯，風(fēng)沙遍布，植被類別稀少，大規(guī)模的煤炭開發(fā)已加劇生態(tài)環(huán)境的惡化。檸條塔煤礦作為國家在神南礦區(qū)總體規(guī)劃的4個井田之一，其南翼為典型的風(fēng)積沙地貌區(qū)，煤層采后生態(tài)環(huán)境退化明顯，在該區(qū)開展煤炭開采對地下水環(huán)境的影響研究工作十分迫切。

監(jiān)測覆巖在煤層采動前后的富水性變化規(guī)律是開展煤炭開采對地下水環(huán)境影響研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。瞬變電磁方法因?qū)Ω凰w敏感已成為地下水探測的主要方法之一。近年來，該方法在探測數(shù)據(jù)解釋等方面取得了較大進(jìn)步[9-12]。在礦區(qū)地下水探查方面，閆述、薛國強(qiáng)、侯彥威、李學(xué)潛等[13-16]針對煤礦積水采空區(qū)地電條件，通過理論模擬與現(xiàn)場實測，有效圈定了多層采空積水區(qū)的分布范圍;方剛和高波[17]進(jìn)行了地下煤層頂板多含水層賦水性的瞬變電磁探查，判定了各含水層之間的水力聯(lián)系;武善元等[18]利用瞬變電磁方法查明了礦區(qū)地下含水層的復(fù)雜水文地質(zhì)條件?，F(xiàn)有研究成果反映了瞬變電磁法在煤礦地下水探查中應(yīng)用效果顯著。本次檸條塔煤礦南翼研究區(qū)2-2煤層頂板地電條件相對復(fù)雜，且煤層頂板基巖裂隙含水層淺中埋深，類似條件的瞬變電磁探測研究工作較少。為此，筆者擬通過研究區(qū)地質(zhì)與地電條件分析、地電模型構(gòu)建、瞬變電磁場正演模擬等工作從理論上說明瞬變電磁法對2-2煤層覆巖富水性探測的有效性，進(jìn)一步采用現(xiàn)場動態(tài)監(jiān)測分析覆巖富水性變化規(guī)律，從而為揭示該區(qū)煤炭開采對地下水環(huán)境的影響規(guī)律提供支撐。

1 研究區(qū)地質(zhì)與地電特征

研究區(qū)2-2煤層下伏侏羅系中統(tǒng)延安組第4段砂泥巖地層(J2y4)，上覆地層主要有侏羅系中統(tǒng)延安組第5段砂泥巖地層(J2y5)、侏羅系中統(tǒng)直羅組砂泥巖地層(J2z)、新近系上新統(tǒng)保德組紅土層(N2b)、第四系中更新統(tǒng)離石組黃土層(Q2l)和第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組砂土層(Q3s)。2-2煤層位于J2y4層位頂部，其上部存在2個隔水層(N2b，Q2l)和3個含水層(Q3s，J2z，J2y5)。通過對區(qū)內(nèi)多個鉆孔視電阻率測井曲線進(jìn)行統(tǒng)計，確定J2y4，J2y5，J2z，N2b-Q2l，Q3s地層的平均視電阻率分別為75，56，68，25和60 Ω·m，在不單獨考慮煤層情況下，研究區(qū)從地表至2-2煤層底板，總體表現(xiàn)為“較高—低—較高—較低—高”地電特征(圖1)。

2 瞬變電磁場正演模擬

2.1 電磁場正演理論

在有源、非磁性且各向同性的有耗介質(zhì)中,Maxwell方程組微分表達(dá)式為

(1)

式中，E為電場強(qiáng)度，V/m;μ為大地磁導(dǎo)率,H/m;H為磁場強(qiáng)度,A/m;t為時間，s;γ為虛擬介電常數(shù);σ為大地電導(dǎo)率,S/m;Js為源電流密度，A/m2。

由式(1)可計算電磁場Ex，Ey，Ez，Hx，Hy和Hz分量。為確保瞬變電磁場的晚期擴(kuò)散特性，計算時需顯示包含磁場散度方程，即先計算出磁場的x和y分量，然后根據(jù)磁場散度方程求z分量。因此，在直角坐標(biāo)系中，Maxwell方程組對電場和磁場方程分別寫成分量的形式為

(2)

根據(jù)式(2)，對有限模擬空間進(jìn)行Yee網(wǎng)格離散，采用時域交錯網(wǎng)格FDTD算法可實現(xiàn)瞬變電磁場各分量的求解[19-22]。

2.2 瞬變場響應(yīng)分析

以前文平均視電阻率作為真電阻率，結(jié)合鉆孔揭露的地層深度，構(gòu)建研究區(qū)正常地電模型;以此為基礎(chǔ)，在J2z和J2y5層位分別構(gòu)建局部富水的異常地電模型。將以上模型分別進(jìn)行正演計算，同時設(shè)置600 m×600 m×300 m的空間范圍、250 m×250 m的方形回線、60 m×60 m×60 m的J2z層位局部富水區(qū)和60 m×60 m×41 m的J2y5層位局部富水區(qū)，并設(shè)定富水區(qū)位于發(fā)射回線正下方且電阻率為所在層位電阻率的1/8，具體如圖2所示。

圖2 瞬變電磁正演模擬參數(shù)與觀測布置Fig.2 Simulation parameters and observation layout used for transient electromagnetic forward modeling

圖3為正常模型不同時刻的瞬變電磁場垂直剖面，其中，Bz為磁感應(yīng)強(qiáng)度的垂直分量?？梢?，0.1 ms時刻瞬變場能量主要聚集在電阻率較低的Q2l和N2b土層中，并呈現(xiàn)出近似橢圓分布特征;隨著瞬變場過渡至1和10 ms，其能量逐步向J2z和J2y5層位擴(kuò)散并快速衰減。當(dāng)J2z地層局部富水時，0.1 ms時刻(圖4(a))，在Q2l和N2b層位中瞬變場主要分布在富水區(qū)左、右上方，反映J2z層位局部富水區(qū)在該時刻已影響瞬變場的分布;隨著瞬變場過渡至1 ms(圖4(b))，其能量聚集在富水區(qū)周圍，并向其外圍快速衰減，這與正常模型有顯著差異;至10 ms時刻(圖4(c))，富水區(qū)周圍基本無瞬變場能量，說明瞬變場已遠(yuǎn)離富水區(qū)。當(dāng)J2y5地層局部富水時，瞬變場的擴(kuò)散過程與J2z地層局部富水情況總體相似，局部存在差異。與后者相比，① 0.1 ms時刻，前者富水區(qū)埋深較大，瞬變場分布受富水區(qū)影響相對較小(圖5(a));② 1 ms和10 ms時刻，前者在富水區(qū)周圍的瞬變場幅值分別較小和較大(圖5(b)和(c))，反映前者的瞬變場衰減需要更長時間。以上表明J2z和J2y5地層局部富水對地層中瞬變場分布影響較大，與正常地電模型條件下的瞬變場擴(kuò)散過程明顯不同，且彼此的瞬變場衰減特征也有明顯的幅值和時間差異，但響應(yīng)時間基本在10 ms以內(nèi)。

圖3 正常地電模型不同時刻的瞬變電磁場垂直剖面Fig.3 Vertical profile of transient electromagnetic field at different time under the normal geoelectric model

圖4 J2z層位局部富水地電模型不同時刻的瞬變電磁場垂直剖面Fig.4 Vertical profile of transient electromagnetic field at different time under the geoelectric model with local water in J2z strata

圖5 J2y5層位局部富水地電模型不同時刻的瞬變電磁場垂直剖面Fig.5 Vertical profile of transient electromagnetic field at different time under the geoelectric model with local water in J2y5 strata

為突出局部富水區(qū)的瞬變電磁場響應(yīng)，給出了3種模型對應(yīng)的發(fā)射回線中心點電壓曲線(圖6)。可見：① 異常和正常模型的電壓曲線在不同時刻相交。J2z層位局部富水時，曲線在0.005 5 ms和4.9 ms時刻相交，而J2y5層位局部富水時，曲線在0.023和8.7 ms時刻相交;在相交時刻之間,J2z層位局部富水異常模型瞬變場幅值V1和J2y5層位局部富水異常模型瞬變場幅值V2均大于正常模型瞬變場幅值V0，其余時刻，V1和V2均小于V0;② 2個異常模型的電壓曲線在1.6 ms時刻相交，在該時刻前后，V1分別大于和小于V2。以上分析表明，J2z或J2y5層位的局部富水區(qū)對瞬變場響應(yīng)的時間和幅值不同。為體現(xiàn)瞬變場對不同層位富水區(qū)的響應(yīng)時間差異，對異常模型的瞬變場幅值V按式(3)進(jìn)行處理，可獲得異常響應(yīng)λ。圖7顯示J2z和J2y5地層局部富水模型條件下異常響應(yīng)的幅值和時間不同，前者和后者的異常響應(yīng)最大幅值分別為74%和69%，對應(yīng)的時間分別為1.15 ms和1.83 ms，存在0.68 ms的時間差。

圖6 發(fā)射回線中心點瞬變電磁場衰減曲線Fig.6 Attention curves of transient electromagnetic field at the center of exciting loop

圖7 發(fā)射回線中心點瞬變電磁異常響應(yīng)曲線Fig.7 Abnormal response curves of transient electrom-agnetic field at the center of exciting loop

(3)

以上理論分析表明，瞬變電磁法對研究區(qū)地電條件具有較好的反映能力，對J2z和J2y5地層富水性具有較高的分辨率，可用于研究區(qū)地層富水性探測。

3 瞬變電磁動態(tài)監(jiān)測

3.1 觀測布置與參數(shù)選擇

根據(jù)檸條塔礦S12002工作面采煤計劃并結(jié)合工作面地表地形條件，研究區(qū)具體選擇在工作面南段，并沿工作面走向設(shè)計測線34條(由西至東，測線依次命名為L1000,L1020,…,L1660)，線距20 m;單條測線內(nèi)部布置了77個測點(由南到北，點號依次命名為D1000，D1020，…，D2520)，點距20 m，形成了網(wǎng)格化布置(圖8)。現(xiàn)場分別于2019年7月(煤層開采前)、2020年6月(煤層開采后)和2020年11月(煤層采后穩(wěn)定期)完成了現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集工作，通過對不同時期觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與解譯，可實現(xiàn)對研究區(qū)地層電性參數(shù)的動態(tài)監(jiān)測。

為獲得高質(zhì)量瞬變電磁數(shù)據(jù)，現(xiàn)場采用250 m×250 m的方形回線并選擇25.0，12.5和5.0 Hz的發(fā)射頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集試驗工作。圖9顯示3個頻率對應(yīng)的感應(yīng)電壓曲線在0.3～10 ms一致，但在0.3 ms之前，感應(yīng)電壓曲線存在明顯差異，分析為不同發(fā)射頻率所對應(yīng)的激勵場源中頻率分布差異所致，發(fā)射頻率越高，激勵場源中高頻能量越突出，則電磁場趨膚深度越小，對淺部地層信息反映越明顯;反之，發(fā)射頻率越低，則激勵場源中低頻能量越強(qiáng)，電磁場趨膚深度越大，相應(yīng)的勘探盲區(qū)越大。顯然，25 Hz對應(yīng)的電壓數(shù)據(jù)在0.3 ms前具有更高的分辨率，而理論上J2z或J2y5層位富水區(qū)在0.3 ms前即有明顯響應(yīng)，故確定25 Hz作為場源發(fā)射頻率更具優(yōu)勢且符合研究區(qū)瞬變電磁勘探的要求。

圖9 不同頻率的實測瞬變電磁數(shù)據(jù)對比Fig.9 Comparison of measured transient electromagnetic data at different frequencies

3.2 采動前后地層富水性變化特征

巖層富水性的變化規(guī)律是基于其電阻率的變化特征分析確定，而研究區(qū)地層電阻率的變化是包括巖層結(jié)構(gòu)變化、地下水補(bǔ)給、隔水層厚度不均以及周圍煤層的開采狀態(tài)等多個影響因素綜合疊加的體現(xiàn)，故必須對影響因素分別加以討論。① 覆巖結(jié)構(gòu)變化對電阻率變化的影響。根據(jù)前期礦井實測結(jié)果，2-2煤層開采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為采高的26.46～27.21倍[23]，按采高4.2 m計算裂隙帶發(fā)育高度約為112.7 m，說明煤層采后采動裂隙造成J2y5,J2z及N2土層結(jié)構(gòu)的破壞，導(dǎo)致上覆含水層中的地下水流失，地層電阻率顯著上升;而當(dāng)裂隙因巖層運(yùn)動以及沙土介質(zhì)的彌合作用而逐漸閉合[24]時，覆巖中形成了不同程度的儲水空間，隨著地下水的補(bǔ)給，覆巖電阻率又有所降低。另據(jù)文獻(xiàn)研究，N2土層在煤層開采后不同時期，其結(jié)構(gòu)存在顯著的動態(tài)變化。開采后初期，土層結(jié)構(gòu)因采動裂隙發(fā)育，滲透性增大，隔水性能減弱，地下水漏失，地層電阻率上升;隨開采后逐步穩(wěn)定，釆動破裂的N2紅土吸水膨脹，水土相互作用使裂隙閉合，隔水性能部分恢復(fù)[25-26]，在地下水的補(bǔ)給下，地層電阻率又逐漸降低。② 隔水層厚度不均及地下水流向?qū)﹄娮杪首兓挠绊?。受隔水層厚度不均影響，研究區(qū)隔水層的隔水性能由西至東在煤層采后的恢復(fù)程度不同，進(jìn)而影響松散層孔隙水對下部基巖地層的補(bǔ)給。研究區(qū)隔水層厚度分布為西厚東薄，說明西側(cè)N2土層在煤層采后穩(wěn)定過程中，其隔水性能恢復(fù)較好，受地下水的補(bǔ)給，土層電阻率降低，而由于缺乏松散層孔隙水的補(bǔ)給，基巖電阻率上升;與之不同，東側(cè)N2土層的隔水性能恢復(fù)程度不及西側(cè)，加上研究區(qū)由西至東、東南和東北的地下水流向，研究區(qū)東側(cè)成為地下水的相對匯集區(qū)域，并對下部基巖有一定的補(bǔ)給，基巖電阻率相對采后初期會有所降低，較西側(cè)基巖電阻率的變化有較大差異。③ 周邊煤層開采狀態(tài)對電阻率變化的影響。瞬變電磁監(jiān)測期間，研究區(qū)西邊鄰近工作面已采空時間較長，該工作面的煤層開采必然造成研究區(qū)西側(cè)地層的采動裂隙發(fā)育以及地下水位降低，基巖裂隙含水性變差，使該區(qū)基巖電阻率在本次監(jiān)測之前就相對東側(cè)基巖較高。綜合以上分析，認(rèn)為研究區(qū)在不同位置不同時間存在不同的電阻率變化特征，而且研究區(qū)范圍較大，瞬變電磁在測試時南、北側(cè)地層處于煤層采后的不同階段，同一層位的電阻率變化可能會有不同程度的差異，局部可能出現(xiàn)低阻區(qū)等情況。

圖10～12分別給出了研究區(qū)西側(cè)L1240、中間L1400和東側(cè)L1560測線在煤層采動前后的反演電阻率剖面。可見，電阻率總體上表現(xiàn)出“較高—低—較高—高”的地電特征，反映瞬變電磁測試結(jié)果對研究區(qū)地層的垂向電性分辨較高。對比3條測線在采后和采后穩(wěn)定期的電阻率剖面可知，西側(cè)L1240線土層段電阻率在煤層采后表現(xiàn)為先升高后降低的變化特征，分析為N2紅土在煤層采后隔水性能先減弱造成地下水漏失、后逐漸恢復(fù)并接受地下水補(bǔ)給的變化過程所致，反映土層段含水性在煤層采后先減弱后增強(qiáng);J2z和J2y5基巖地層的電阻率總體呈上升趨勢，分析為該區(qū)隔水層厚、采動裂隙發(fā)育以及地下水補(bǔ)給差異所致，反映基巖地層富水性在煤層采后減弱;與L1240線不同，L1400和L1560線土層段采后電阻率先降低再上升，分析為該范圍在采后初期接受地下水補(bǔ)增強(qiáng)、后因土層隔水性能的部分恢復(fù)且地下水補(bǔ)給減弱所致，反映該范圍地層富水性先增強(qiáng)后減弱;L1400線J2z地層電阻率先大幅上升后大幅降低，考慮為采后初期J2z地層結(jié)構(gòu)破壞致裂隙水流入采空區(qū)以及后期接受上覆松散層孔隙水的補(bǔ)給所致;而L1560線電阻率則表現(xiàn)為逐漸降低，分析與該區(qū)土層隔水性能的恢復(fù)較差以及地下水匯集導(dǎo)致基巖層位持續(xù)接受補(bǔ)給有關(guān)，這也是該測線J2y5地層電阻率先升高后降低的原因。以上針對垂向電阻率變化的分析表明，覆巖裂隙發(fā)育使電阻率增大，裂隙在采后逐漸閉合過程中，其富水特征取決于上覆土層隔水性能的恢復(fù)程度以及地下水的補(bǔ)給。

圖10 L1240線反演電阻率剖面Fig.10 Inversion resistivity profile of L1240 line

圖11 L1400線反演電阻率剖面Fig.11 Inversion resistivity profile of L1400 line

圖12 L1560線反演電阻率剖面Fig.12 Inversion resistivity profile of L1560 line

為進(jìn)一步認(rèn)識煤層采后上覆基巖在橫向上的富水性變化并考慮到瞬變電磁勘探的體積效應(yīng)影響，分別提取了研究區(qū)采前、采后和采后穩(wěn)定期1 140～1 200 m和1 100～1 140 m高程段數(shù)據(jù)體，并按相同平面坐標(biāo)取平均值處理，以此反映J2z和J2y5地層在煤層采動前后的電阻率變化。由于煤層開采后，采動裂隙發(fā)育，基巖本底電阻率明顯增大[27-28]。為突出相對富水區(qū)的變化，對采前、采后和采后穩(wěn)定期的電阻率使用了不同的色標(biāo)，這也是電磁法測試結(jié)果表達(dá)慣用的相對性解釋方法。

圖13，14分別為J2z和J2y5地層的平均電阻率水平剖面。可見，地層電阻率分布不均，研究區(qū)中至北部存在相對富水區(qū)。研究區(qū)西側(cè)電阻率偏高，據(jù)前文分析主要是該區(qū)受前期西邊煤層采動影響，裂隙發(fā)育且?guī)r層富水性差所致。在煤層采后，2個層位平均電阻率大幅上升，說明層位內(nèi)部采動裂隙發(fā)育明顯甚至巖層破斷，巖層裂隙水流入采空區(qū)。與采后相比，采后穩(wěn)定期J2z地層電阻率總體上變化不明顯，局部有小幅的升高或降低，反映地層富水性的相對變化;與之不同，J2y5地層電阻率變化顯著，在研究區(qū)東側(cè)和北側(cè)電阻率明顯降低，說明該范圍富水性增強(qiáng)，分析為采空區(qū)壓實后地下水對該范圍進(jìn)行補(bǔ)給所致。

圖13 J2z地層平均電阻率水平剖面Fig.13 Horizontal slice of the average resistivity of J2z strata

圖14 J2y5地層平均電阻率水平剖面Fig.14 Horizontal slice of the average resistivity of J2y5 strata

以上瞬變電磁動態(tài)監(jiān)測結(jié)果及分析表明，受研究區(qū)下部2-2煤層開采影響，其上覆地層在煤層開采前后表現(xiàn)出顯著的電性變化特征，其中J2z和J2y5地層采后及采后穩(wěn)定期電阻率較采前顯著上升，表明該2個地層含水性總體上較煤層開采后減弱，相對富水區(qū)在采前主要位于中至北部，采后主要位于東及東北部，富水區(qū)的相對變化主要與煤炭開采所造成的覆巖結(jié)構(gòu)改變、土層隔水性能變化、地下水補(bǔ)給等密切相關(guān)，說明了煤炭開采對地下水系統(tǒng)具有顯著的影響。

4 結(jié) 論

(1)通過對地層地質(zhì)與地電條件分析，構(gòu)建了5層地電模型，基于時域電磁場理論，模擬分析了正常和異常地電條件下的瞬變電磁場擴(kuò)散過程和發(fā)射回線中心點電壓曲線的衰減特征，確定利用瞬變電磁法探測研究區(qū)地下水具備可行性。

(2)現(xiàn)場通過不同發(fā)射頻率的試驗數(shù)據(jù)對比，確定采用25 Hz發(fā)射頻率可取得優(yōu)越的瞬變電磁數(shù)據(jù)。結(jié)合工作面實際情況，在煤層開采前后不同時期實施了網(wǎng)格化數(shù)據(jù)采集，其數(shù)據(jù)密度滿足多維度空間對比要求。

(3)通過對研究區(qū)地層電阻率的動態(tài)監(jiān)測分析，從宏觀上表明煤層開采降低了上覆J2z和J2y5巖層的富水性，相對富水區(qū)從采前的中至北部變化為采后的東及東北部，指出富水性變化與地層結(jié)構(gòu)改變、上覆土層隔水性能的變化以及地下水補(bǔ)給等密切相關(guān)，進(jìn)一步反映了煤炭開采對地下水系統(tǒng)具有顯著影響。

(4)由于地下水系統(tǒng)在煤炭開采前后的變化過程極為復(fù)雜，本文僅是通過瞬變電磁動態(tài)監(jiān)測與分析取得相關(guān)認(rèn)識，由于方法的局限性，研究結(jié)果難免存在不足，因此，進(jìn)一步結(jié)合研究區(qū)其他研究成果進(jìn)行深入分析是必要的，以便從整體上揭示煤炭開采對地下水系統(tǒng)的影響規(guī)律，從而為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)提供參考。