張建智,胡富杭,劉海嘯,邢國章
(1.中國煤炭地質(zhì)總局 地球物理勘探研究院,河北 涿州 072750; 2.浙江華東建設(shè)工程有限公司,浙江 杭州 310014; 3.北京市地質(zhì)工程勘察院,北京 100048)
目前,隨著社會經(jīng)濟發(fā)展和“青山綠水就是金山銀山”理念的貫徹,對礦山環(huán)境的恢復(fù)治理工作持續(xù)推進,對采空區(qū)的探查與治理提升到了新的高度,特別是在基建項目以及公路、鐵路穿越采空區(qū)時,采空區(qū)的精細探測對合理規(guī)避采空區(qū)或開展針對性治理有著重要意義。采空區(qū)探測主要采用鉆探和地球物理探測技術(shù),從成本考慮,地球物理探測技術(shù)優(yōu)勢明顯[1-5]。薛國強等[6]系統(tǒng)論述了地震法、高密度電阻率法、瞬變電磁法、探地雷達、微動、放射性方法等地球物理方法在煤礦采空區(qū)探測的效果和局限性,采空區(qū)精細探測仍需深入研究。
20世紀80年代瞬變電磁法引入我國,廣泛應(yīng)用于金屬礦勘查、煤田水文地質(zhì)勘探和采空區(qū)調(diào)查,取得了較好的應(yīng)用效果。地—井瞬變電磁探測是將發(fā)射線圈布置在地面,接收探頭沿鉆孔按固定間距測量,接收探頭與產(chǎn)生異常響應(yīng)的深部導(dǎo)體更接近,因而可獲得比地面瞬變電磁更強的異常信息[7],有利于深部礦體的探查。地—井瞬變電磁在國外開發(fā)得比較早,20世紀80年代,澳大利亞MCI公司、加拿大CRONE公司和Geonic公司推出了商用地—井瞬變電磁系統(tǒng)。2018年,中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所推出了國產(chǎn)地—井IGGETEM4.0三分量系統(tǒng)[8]。張杰等研究了井中瞬變電磁數(shù)據(jù)采集技術(shù)和從定性分析到半定量解釋技術(shù),并實現(xiàn)了異常的矢量交匯快速定位技術(shù)[9];楊毅等實現(xiàn)了基于等效渦流的地—井瞬變電磁異常反演[10];武軍杰等對電性源地—井瞬變電磁法三分量響應(yīng)特征進行了分析[11];孟慶鑫等研究了大地介質(zhì)影響下的地—井瞬變電磁的正演模擬特征[12]。目前,地—井瞬變電磁勘探的數(shù)值模擬、處理方法尚處于開發(fā)階段,主要用于在礦體埋藏深度大或淺部電性干擾因素影響大的地區(qū)進行金屬礦的定性勘查。由于采空區(qū)對公路、鐵路特別是高鐵潛在的危害較大,在線路勘察時,需對采空區(qū)進行詳細勘察,為選線、治理提供地質(zhì)依據(jù),同時,線路勘察時由于沿線路鉆孔較密,為地—井瞬變電磁提供了條件。
本文通過提取鉆孔資料,建立了煤礦采空區(qū)地球物理模型,模擬了地面、地—井觀測方式下板狀體的瞬變電磁響應(yīng),并繪制了響應(yīng)多測道曲線,定量計算異常的位置和大小,為地—井瞬變電磁進行采空區(qū)勘探提供理論依據(jù)。
瞬變電磁的數(shù)值模擬技術(shù)相對比較成熟,商用正演模擬軟件有澳大利亞的EM vision、Maxwell和加拿大的Emigma,二維正演模擬以有限差分和積分方程為主。Oristaglio和Hohmann提出以無源擴散方程為基礎(chǔ)方程的有限差分法[13],國內(nèi)閆述等用類似二維線源的瞬變電磁場進行了模擬[14],阮百堯等則選擇了從積分方程出發(fā)求解方程組來模擬二維線源的時域電磁響應(yīng)[15]。本文的數(shù)據(jù)模擬采用了二維有限差分方法[16]。
有限差分法通常用來解決二維問題,場源為淺源,在感應(yīng)區(qū)內(nèi),電場E僅有y分量,除場源所在點外,電場滿足如下偏微分方程:
(1)
式中μ和σ分別為磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率。對求解空間和方程進行離散化,可將式(1)轉(zhuǎn)換為線性方程。為簡單起見取正方網(wǎng)格,式(1)可寫為:
(2)
式中:上角標n表示第n時刻,Δ是網(wǎng)格的步長。式(2)是對時間的微分,時間步長一般取 10-8s數(shù)量級才能保證穩(wěn)定收斂,所以計算量非常大。應(yīng)用Dufort-Frankel法,取
(3)
(4)
式中Δt為時間步長。將它們代入式(2)處理后得
(5)
式中rij=Δt/μσijΔ2,這個方程是無條件穩(wěn)定的??梢钥闯觯胫滥骋粫r刻場的分布必須要知道前面各時刻的分布。利用初始條件E(t=0)=E0,就可從早期到晚期逐步往后算。通常在早期取較小的時間步長,隨著延時的加大,步長可以相應(yīng)加大?;诖斯揭约皩鲈春瓦吔鐥l件的處理,就可以解決用有限差分法計算二維瞬變電磁響應(yīng)的問題。
根據(jù)實驗區(qū)的巖心、測井曲線,結(jié)合以往電法勘探經(jīng)驗,建立了簡單的煤系地層采空區(qū)模型。模型設(shè)置第四系電阻率為60 Ω·m,煤系地層砂泥巖電阻率110 Ω·m,煤層電阻率260 Ω·m,煤系地層基底奧灰電阻率400 Ω·m,含水采空區(qū)電阻率40 Ω·m,不含水采空區(qū)電阻率800 Ω·m。為了檢驗地面、地—井瞬變電磁對采空區(qū)的探測效果,針對均勻半空間和三維空間水平薄板模型進行了正演模擬。
1.2.1 均勻半空間模型響應(yīng)
均勻半空間模型電阻率200 Ω·m,采用邊長100 m的方形重疊回線裝置,正演模擬了采空區(qū)含水和不含水時的響應(yīng)。
圖1是含水采空區(qū)瞬變電磁多測道響應(yīng)曲線。含水采空區(qū)為低阻,在多測道上表現(xiàn)為感應(yīng)電壓升高,異常特征明顯,這也反映了瞬變電磁對低阻異常體探測更加靈敏。
圖1 含水采空區(qū)瞬變電磁多測道響應(yīng)Fig.1 TEM multi channel response of water bearing goaf
圖2是不含水采空區(qū)的瞬變電磁多測道響應(yīng)曲線。不含水采空區(qū)為高阻,在多測道曲線上表現(xiàn)為感應(yīng)電壓降低,異常幅度較小,特征不明顯。這也證實了瞬變電磁法對高阻巖層有較強的穿透能力,但不利于采空區(qū)的識別。
圖2 不含水采空區(qū)瞬變電磁多測道響應(yīng)Fig.2 TEM multi channel response in water bearing goaf
1.2.2 三維水平薄板模型響應(yīng)
根據(jù)實驗區(qū)煤層賦存狀況和鉆孔揭露,三維模型選擇均勻半空間中的水平薄板模型,發(fā)射采用100 m正方形回線,接收探頭軸向線圈的等效面積為10 000 m2; 徑向線圈的等效面積為 2 500 m2;模擬鉆孔深度200 m,鉆孔為直孔,接收點沿鉆孔測量,測量點距1 m。水平薄板尺寸為50 m×50 m×10 m,含水采空區(qū)電阻率為10 Ω·m,不含水采空區(qū)電阻率為800 Ω·m,水平薄板埋深130 m,均勻半空間電阻率為100 Ω·m。圖3為磁性源地—井TEM裝置示意。
圖3 磁性源地—井TEM裝置示意Fig.3 Schematic diagram of magnetic source well TEM device
圖4是低阻薄板的三分量瞬變電磁響應(yīng)曲線,鉆孔穿過水平薄板中心。3個分量曲線在薄板位置受集流效應(yīng)作用,二次場感應(yīng)電壓明顯增大;受薄板平面尺寸與回線場耦合等因素影響,x、y方向上的感應(yīng)電壓形態(tài)基本一致,正、負值最大點間的距離與薄板厚度一致,z方向響應(yīng)曲線整體為正,在薄板位置出現(xiàn)較強的負值異常。整體上低阻薄板的瞬變電磁響應(yīng)特征較明顯,識別度較高。
圖4 低阻薄板的三分量瞬變電磁響應(yīng)Fig.4 Three component TEM response of low resistance thin plate
圖5 高阻薄板的三分量瞬變電磁響應(yīng)Fig.5 Three component TEM response of high resistance thin plate
圖5是高阻板體的三分量瞬變電磁響應(yīng)曲線。沿鉆孔在高阻異常附近畸變特征比較明顯,x、y、z多測道在高阻板體附近均為低值異常,但異常幅度較小,說明高阻異常在鉆孔TEM測量中有一定的識別度。
通過地面均勻半空間和三維水平薄板模型響應(yīng)的正演模擬形成如下結(jié)論:對一定規(guī)模的采空區(qū),在充水狀態(tài)下,地面和鉆孔TEM對采空區(qū)均有很好的識別度;采空區(qū)表現(xiàn)為高阻異常時,地面瞬變電磁多測道探測基本上不能分辨出采空區(qū),鉆孔TEM對采空區(qū)有一定的識別度。
在晉北某礦區(qū)進行礦井基建時,采用瞬變電磁法對礦區(qū)采空范圍進行了調(diào)查。調(diào)查區(qū)位于大同礦區(qū)中部,屬于黃土半掩蓋區(qū),揭露地層由老到新為:奧陶系、石炭系、二疊系、第四系,可采煤層為太原組5、8號煤層;采空區(qū)位于5煤層,埋深120~160 m。在調(diào)查區(qū)按照20 m×40 m網(wǎng)格布置了12條測線,使用Geonic公司的PROTEM57系統(tǒng),數(shù)據(jù)采集用定源回線裝置,發(fā)射用100 m×100 m方形回線,接收用等效面積31.4 m2的中頻線圈,數(shù)據(jù)經(jīng)專業(yè)軟件反演處理后,制作了反演電阻率斷面圖和順5煤層電阻率切片圖。
圖6是24線和28線瞬變電磁反演電阻率斷面,24線5煤層附近在130~170 m處有明顯的低阻異常,28線在110~200 m處有明顯的低阻異常,分析為充水采空區(qū)。
圖6 瞬變電磁反演電阻率斷面Fig.6 TEM inversion resistivity section
圖7是沿5煤層的順層電阻率切片,圖中24線、28線140~200 m之間有低阻異常,結(jié)合瞬變電磁反演電阻率斷面,綜合分析認為該位置為老窯采空區(qū)(紅色圈閉范圍)。
根據(jù)地面瞬變電磁成果結(jié)合工勘要求,在基建范圍內(nèi)布置了5個勘查孔(見圖7),其中J-1、J-4、J-5孔見實體煤,J-2和J-3孔見采空區(qū)。在J-2和J-3孔煤層頂?shù)装?0 m內(nèi)進行了鉆孔TEM測量,測量使用了ProTEM 鉆孔系統(tǒng),地表裝置為100 m×100 m方形不接地回線,中心位于鉆孔處,探頭為BH43,孔內(nèi)測量間距1 m。
圖8是鉆孔J-2中經(jīng)簡單濾波的瞬變電磁三分量響應(yīng)曲線,在煤層940~945 m段采空區(qū)內(nèi)x、y、z分量均有明顯的感應(yīng)電壓低的畸變,采空區(qū)鉆孔電視未見積水,與正演高阻薄板的異常特征一致(見圖6)
圖9是鉆孔J-3中經(jīng)簡單濾波的瞬變電磁三分量響應(yīng)曲線,在煤層940~950 m段采空區(qū)內(nèi)z分量均有明顯的感應(yīng)電壓負值的畸變,x、y分量在945 m附近出現(xiàn)“0”值分界點,左側(cè)呈負值,右側(cè)呈正值,為典型采空區(qū)充水特征,與正演低阻薄板的異常特征一致(見圖4),采空區(qū)鉆孔電視見積水。
通過對鉆孔三分量瞬變電磁響應(yīng)反演擬合,結(jié)合地面瞬變電磁成果,獲得了最終勘探區(qū)采空區(qū)分布圖(圖10),為采空區(qū)治理提供了準確的地質(zhì)依據(jù)。
圖7 順5煤層電阻率切片綜合成果Fig.7 Comprehensive diagram of resistivity slice alongNo.5 coal seam
圖8 鉆孔J-2中三分量瞬變電磁響應(yīng)曲線Fig.8 Three component TEM response curve in borehole J-2
圖9 鉆孔J-3中三分量瞬變電磁響應(yīng)曲線Fig.9 Three component TEM response curve in borehole J-3
采空區(qū)勘探在今后相當長時間內(nèi)是煤礦安全生產(chǎn)、礦山恢復(fù)治理的基礎(chǔ)工作,通過對大量工作經(jīng)驗的總結(jié),認為采用瞬變電磁法探測采空區(qū)仍是最經(jīng)濟、效果較好的方法。
1) 大量實例證實,對房柱式、放頂式采煤的老窯采空區(qū),如采空區(qū)埋設(shè)較大且無積水,地面瞬變電磁法對采空區(qū)的識別度很低。本文通過正演模擬也證實了高阻薄板的地面裝置響應(yīng)值較低,不利于采空區(qū)識別。
2) 針對三維水平薄板地—井瞬變電磁響應(yīng)進行數(shù)值模擬極具實用意義。含水采空區(qū)和不含水采空區(qū)的地—井瞬變電磁響應(yīng)都具有較高的縱向分辨率,為今后小范圍采空區(qū)精查提供了技術(shù)支撐。
3) 瞬變電磁法作為一種地球物理勘探方法,其多解性影響著解釋精度,因此在實踐中應(yīng)采用綜合解釋手段,結(jié)合已有地質(zhì)、鉆井等資料,按由“定性到定量,已知推未知”的原則進行精細解釋,提高瞬變電磁探測的準確率,為地質(zhì)災(zāi)害治理和工程建設(shè)提供精細地質(zhì)成果。
圖10 采空區(qū)綜合解釋成果Fig.10 Comprehensive interpretation map of goaf