城市地區(qū)充水薄層煤炭采空區(qū)瞬變電磁法探測效能分析?

孫興昊, 羅平凡, 姜巧巧, 錢振嵩, 郭秀軍,4

(1. 中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 青島 266100; 2. 山東軌道交通勘察設(shè)計院有限公司, 山東 濟(jì)南 250014;3. 山東省地礦工程勘察院, 山東 濟(jì)南 250014; 4. 山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點實驗室, 山東 青島 266100)

山東省濟(jì)南市圣井煤礦礦區(qū)位于濟(jì)南市章丘區(qū)境內(nèi),屬于沖洪積平原地貌,地面較為平整,地形起伏較小。區(qū)域地層由老到新依次為:奧陶系中統(tǒng)馬家溝組,石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組,二疊系下統(tǒng)山西組及第四系[1]。本文研究煤層為3煤,該煤層位于二疊系下統(tǒng)山西組中,煤層埋深為50～70 m,煤層厚度為0.7～1.5 m,開采厚度平均為1 m,頂板為砂巖、粉砂巖,底板為砂巖。根據(jù)前期勘探資料,該煤層已被完全開采完,形成采空區(qū)。根據(jù)規(guī)劃,濟(jì)南地鐵8號線擬從該區(qū)域穿過。采空區(qū)的存在會嚴(yán)重制約地下工程建設(shè),甚至造成地表開裂、沉陷、變形,結(jié)構(gòu)物開裂、損毀。在地下水資源豐富的地區(qū),采空區(qū)充水現(xiàn)象普遍存在。由于充水采空區(qū)與周圍地質(zhì)環(huán)境存在明顯的物性差異,因此,可以利用地球物理勘探技術(shù)對充水采空區(qū)進(jìn)行探測[2]。近年來,對充水采空區(qū)的地球物理探測技術(shù)較為成熟,但已有研究中采空區(qū)厚度多在5～20 m之間[3-4],對于厚度小于2 m的薄層煤礦采空區(qū)的探測和研究較少,因此本文針對薄層煤層采空區(qū)探測的可行性展開研究。目前,常用的充水采空區(qū)地球物理探測方法主要包括瞬變電磁法[5-8]、高密度電法[9]、大地電磁法[10]、天然源面波法[11]等,各種物探方法均在探測充水采空區(qū)方面取得了一定的效果[4]。當(dāng)煤層被采空后,若采空區(qū)充水則采空區(qū)表現(xiàn)為低阻體異常特征。瞬變電磁法對低阻異常體反應(yīng)極其靈敏,橫向探測分辨率較高,施工方便,工作效率高[5]。天然源面波法分辨率較高,抗干擾能力強(qiáng),探測深度較大,不受地形限制,野外施工便捷,適用于交通繁忙、人口密集、電磁干擾嚴(yán)重和震動復(fù)雜的城市環(huán)境[11]。

本文以濟(jì)南圣井礦區(qū)作為研究區(qū),選擇瞬變電磁法為主要探測方法對該礦區(qū)進(jìn)行探測,并用天然源面波法進(jìn)行二次探測,通過天然源面波法的探測結(jié)果對瞬變電磁法的探測結(jié)果進(jìn)行驗證,同時,結(jié)合鉆探結(jié)果進(jìn)行驗證,分析瞬變電磁法的探測能力。然后根據(jù)已知資料建立簡化模型,采用有限元法針對充水采空區(qū)進(jìn)行正演模擬,通過二分法計算全區(qū)視電阻率,使用煙圈法對全區(qū)視電阻率進(jìn)行反演,分析瞬變電磁法對薄層煤炭充水采空區(qū)探測的剖面的異常特征。然后分別模擬不同深度、不同充水率和不同厚度下瞬變電磁法對薄層采空區(qū)的探測,確定瞬變電磁法對薄層采空區(qū)的探測能力。

1 探測原理和探測設(shè)備

1.1 瞬變電磁法

瞬變電磁法是通過不接地回線或者接地線源向地下發(fā)射脈沖電磁波產(chǎn)生一次電磁場,在一次電磁場的作用下,地下導(dǎo)體內(nèi)部感應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)渦流,感應(yīng)渦流產(chǎn)生的二次電磁場隨時間以等效渦流環(huán)的形式向下傳播、向外擴(kuò)展,通過線圈或者接地電極觀測二次電磁場,得到二次電磁場隨時間衰減的特性曲線,根據(jù)二次電磁場隨著時間的衰減變化特征曲線判斷地下地質(zhì)體的電性特征,從而探明不良地質(zhì)體的分布情況[12-13]。

通過對探測區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場勘查,本文選取中心回線裝置進(jìn)行探測。中心回線裝置是指接收線框位于發(fā)射線框中心,在測量過程中兩個線框沿探測剖面同步移動進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的一種瞬變電磁法裝置。

本次瞬變電磁探測選用加拿大Phoenix公司生產(chǎn)的V8多功能電法儀,設(shè)定發(fā)射電流10 A;關(guān)斷時間為10 ms;50 Hz頻率干擾壓制;選用20 m×20 m的矩形發(fā)射線框,共3匝;選用直徑為1 m的圓形接收線框,共100匝。

1.2 天然源面波法

天然源面波法的信號場源為地球內(nèi)部系統(tǒng)產(chǎn)生的震動,根據(jù)面波頻散原理,波速會隨著頻率和波長的變化而變化,通過從天然場的微動信號中提取出瑞利面波的頻散曲線,反演頻散曲線得到地下橫波波速剖面,從而推測地下不良地質(zhì)體的分布[11,14]。

通過對探測區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場勘查,采用“L”型臺陣布設(shè)檢波器進(jìn)行探測,在水平方向和垂直方向共布設(shè)8個檢波器進(jìn)行探測,道間距為10 m。

本次天然源面波探測選用北京市水電物探研究所生產(chǎn)的WD-2無線智能微動勘探系統(tǒng),檢波器布置L型臺陣,道間距為10 m,長邊50 m,短邊20 m;接收頻率段為2～31.5 Hz;接收道數(shù)為8道;采樣間隔為4 ms;采樣時間不少于10 min。

2 瞬變電磁法實地探測效果

2.1 探測測線布設(shè)

為探明圣井礦區(qū)采空區(qū)的分布情況,根據(jù)現(xiàn)場探測條件,共布設(shè)2條測線進(jìn)行探測,其中,SJ1測線沿濟(jì)南市經(jīng)十路方向橫向布設(shè),長為2 420 m,進(jìn)行瞬變電磁法和天然源面波法探測;SJ3測線垂直經(jīng)十路方向縱向布設(shè),長為380 m,進(jìn)行瞬變電磁法探測,SJ1和SJ3測線布設(shè)如圖1所示。

圖1 探測工作部署圖

2.2 探測成果解譯

將通過瞬變電磁法采集的各個測點數(shù)據(jù)進(jìn)行視電阻率和視深度轉(zhuǎn)換,并對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、一維反演,繪制視電阻率等值線圖。探測區(qū)域SJ1線1 600～2 200 m視電阻率剖面圖如圖2所示。探測區(qū)域SJ3線40～320 m視電阻率剖面圖如圖3所示。

圖2 SJ1測線實測視電阻率等值線圖

圖3 SJ3測線實測視電阻率等值線圖

由圖2中可以看出,在SJ1線視電阻率等值線圖中,從地表到高程75 m之間的空白區(qū)域?qū)儆谒沧冸姶欧ㄌ綔y的盲區(qū),無法獲取有效信息。結(jié)合地質(zhì)資料,綜合分析認(rèn)為,在高程75 m以下,等值線圖橫向上視電阻率呈近似平行分布,垂向上視電阻率值呈現(xiàn)“高-低-高”的變化,上部的高阻層對應(yīng)3煤頂部砂巖、泥巖,中部的低阻層對應(yīng)3煤采空區(qū),下部的高阻層對應(yīng)3煤采空區(qū)下部的砂巖、泥巖。3煤被開采完,當(dāng)存在充水采空區(qū)時,在視電阻率等值線圖上將反映為低阻的電性標(biāo)志層。水平位置1 600～1 930 m、1 960～2 200 m,高程35～50 m,出現(xiàn)低阻異常,結(jié)合地質(zhì)資料,分析認(rèn)為這些異常區(qū)存在充水采空區(qū)。結(jié)合地質(zhì)資料解譯出1條斷層,為F11斷層。

由圖3可以看出,在SJ3線水平位置40～320 m,高程25～40 m,出現(xiàn)低阻異常區(qū),結(jié)合地質(zhì)資料,分析認(rèn)為該異常區(qū)存在充水采空區(qū)。

從圖2中可看出,在SJ1和SJ3兩條測線的交匯處位置,高程30～55 m出現(xiàn)低阻異常區(qū)。從圖3中可看出,在兩測線交匯處位置,高程35～40 m出現(xiàn)低阻異常區(qū)。結(jié)合圖2和圖3可看出,SJ1和SJ3兩條測線在交匯處探測出的低阻異常區(qū)相互對應(yīng)。

從天然源面波法采集的原始微動信號中提取出頻散曲線,對頻散曲線反演,繪制橫波波速等值線圖。探測區(qū)域SJ1線橫波波速等值線圖如圖4。

圖4 SJ1測線橫波波速等值線圖

從圖4中可以看出,在水平位置1 650～1 900 m、1 930～2 200 m,高程35～55 m,出現(xiàn)“U”型異常區(qū),橫波波速值對比周圍出現(xiàn)明顯降低,該異常與圖2中瞬變電磁法探測出的異常相互對應(yīng),結(jié)合地質(zhì)資料,分析認(rèn)為這些異常區(qū)存在充水采空區(qū)。結(jié)合地質(zhì)資料解譯出1條斷層,為F11斷層。

通過天然源面波法解譯出的異常區(qū)對通過瞬變電磁法解譯出的異常區(qū)進(jìn)行了較好的驗證,證實了瞬變電磁法對薄層充水采空區(qū)探測的可行性,說明瞬變電磁法可以對薄層充水采空區(qū)進(jìn)行探測。對比瞬變電磁法和天然源面波法的探測結(jié)果,可以看出,瞬變電磁法探測結(jié)果中的異常區(qū)更為明顯,這說明瞬變電磁法對薄層充水采空區(qū)的探測更為靈敏。

為驗證SJ1和SJ3線通過瞬變電磁法和天然源面波法探測出的采空區(qū)的準(zhǔn)確性,布設(shè)地質(zhì)鉆探點進(jìn)行鉆孔驗證,布設(shè)SJK1、SJK2鉆孔作為本次探測驗證鉆孔,如圖所示。其中,SJK1孔在高程35.4～37.5 m,SJK2孔在高程25～26.2 m出現(xiàn)漏水、掉鉆、進(jìn)尺變快、巖心破碎、塌孔、漏漿,認(rèn)為這兩個鉆孔均揭露3煤采空區(qū),且采空區(qū)充水。瞬變電磁法和天然源面波法解譯出的充水采空區(qū)和鉆孔驗證的結(jié)果基本吻合,因此認(rèn)為瞬變電磁法和天然源面波法對薄層充水采空區(qū)的探測結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。

3 瞬變電磁法探測效果數(shù)值模擬分析

3.1 全區(qū)視電阻率計算和煙圈法反演

3.1.1全區(qū)視電阻率計算 本文通過感應(yīng)電動勢對全區(qū)視電阻率進(jìn)行定義,利用二分搜索法對全區(qū)視電阻率進(jìn)行計算。二分搜索法的基本思想,是在探測區(qū)域電阻率可能的取值范圍[ρmin,ρmax]內(nèi),二等分取值范圍[ρmin,ρmax],將其中點處的電阻率值ρmid=(ρmin+ρmax)/2代入均勻半空間解析式,計算中點的感應(yīng)電動勢Vmid(t)。如果實測t時刻的感應(yīng)電動勢V0(t)大于中點處的理論感應(yīng)電動勢Vmid(t),根據(jù)感應(yīng)電動勢隨電阻率增加而單調(diào)遞減的特性,V0(t)對應(yīng)的視電阻率值應(yīng)在[ρmin,ρmid]中,反之,則在[ρmid,ρmax]中。以此類推,直到V0(t)與Vmid(t)之差小于某一個閾值,停止計算,就求出了t時刻感應(yīng)電動勢V0(t)對應(yīng)的全區(qū)視電阻率值[15-16]。

3.1.2 煙圈法反演 M.N.Nabighian指出,當(dāng)一次場的電流關(guān)斷后,任一時刻,地下半空間介質(zhì)中形成的感應(yīng)渦流在地表產(chǎn)生的二次磁場可以等效為一個水平環(huán)狀電流產(chǎn)生的磁場,地下渦流向外、向下擴(kuò)散的現(xiàn)象,即為“煙圈效應(yīng)”[16-18]。

根據(jù)煙圈理論,t時刻煙圈的垂向傳播深度d和垂向傳播速度v為:

(1)

(2)

式中:ρ表示均勻半空間的電阻率;t表示采樣時間;μ0表示真空磁導(dǎo)率。

通過差分公式近似計算傳播速度v:

(3)

由(2)可得

(4)

將(3)代入(4),可得似電阻率

(5)

似電阻率對應(yīng)的深度為:

(6)

式中:ti、tj表示兩個相鄰的采樣時間;tj>ti,ρi、ρj為相鄰兩個采樣時間對應(yīng)的全區(qū)視電阻率;tji是ti和tj的算術(shù)平均值。

3.2 數(shù)值模型建立

根據(jù)探測研究區(qū)的地層特性和電性特征,通過COMSOL軟件系統(tǒng)建立簡化的含薄層充水采空區(qū)的三維地電模型,進(jìn)行正演計算。模型自上至下依次為空氣層、第四系覆蓋層和砂頁巖層,采空區(qū)在砂頁巖層中,位于第四系覆蓋層正下方,模型具體情況如圖5所示。參考該地區(qū)以往電測井及電測深資料對模型進(jìn)行電阻率賦值。其中,空氣層大小為300 m×300 m×200 m,電阻率設(shè)定為106Ωm。土層大小為300 m×300 m×5 m,電阻率設(shè)定為100 Ωm。砂巖層分為兩層,采空區(qū)上方砂巖層大小為300 m×300 m×55 m,采空區(qū)下方砂巖層大小為300 m×300 m×140 m,電阻率設(shè)定為200 Ωm 。采空區(qū)大小為200 m×300 m×1 m,位于砂巖層中部,采空區(qū)充水后因浸潤效應(yīng)使得電阻率下降[13],電阻率設(shè)定為5 Ωm,采空區(qū)左右兩側(cè)各有50 m×300 m×1 m的煤層,煤層電阻率設(shè)定為250 Ωm,采空區(qū)頂界埋深60 m,采空區(qū)XZ方向平面視圖如圖5所示。

圖5 采空區(qū)模型XZ方向平面視圖

3.3 計算參數(shù)設(shè)置

選用裝置為中心回線裝置,發(fā)射線框大小為20 m×20 m,匝數(shù)為3匝,供電電流為10A,關(guān)斷時間為10 ms,接收線框半徑為0.5 m,匝數(shù)為100匝。測線沿采空區(qū)正上方布設(shè),測線長為200 m。測點位于接收線框中心,第1個測點坐標(biāo)為(-100,0,0),測點沿x軸正方向移動,點距為20 m,共計11個測點。正演計算采用有限元法,計算得到各個測點的感應(yīng)電動勢衰減曲線,通過二分搜索法計算全區(qū)視電阻率,并對全區(qū)視電阻率進(jìn)行煙圈反演。

3.4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

煙圈反演結(jié)果如圖6所示。從圖6中可以看出,在水平位置-100～100 m,埋深50～80 m,出現(xiàn)低阻異常,該低阻異常即為模型正演設(shè)定的充水采空區(qū)。瞬變電磁法探測的橫向邊界與模型預(yù)設(shè)較為吻合,縱向邊界較模型預(yù)設(shè)邊界擴(kuò)大30倍,橫向分辨率較高,縱向分辨率較低,這是瞬變電磁法固有的缺點。當(dāng)1 m厚度的充水采空區(qū)埋深60 m時,瞬變電磁法能對充水采空區(qū)進(jìn)行有效的探測。

圖6 厚度為1 m、頂界埋深60 m的充水采空區(qū)模型視電阻率剖面圖

3.5 采空區(qū)不同充水率對探測效果的影響

為探究薄層充水采空區(qū)充水率不同時,瞬變電磁法對充水采空區(qū)的探測效果的差異,通過改變采空區(qū)的充水率,模擬了采空區(qū)充水率為50%和0的瞬變電磁探測。本次模擬將采空區(qū)分為上下兩層,上層為空氣層,電阻率為106Ωm,下層為水層,電阻率為5 Ωm,當(dāng)采空區(qū)充水率為50%時,上層空氣層厚度和下層水層厚度均為0.5 m,當(dāng)采空區(qū)充水率為0時,空氣層厚度為1 m,不含水層。反演結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 50%充水率的采空區(qū)模型視電阻率剖面圖

圖8 不充水的采空區(qū)模型視電阻率剖面圖

從圖7可以看出,在水平位置-40～40 m,埋深50～65 m,出現(xiàn)低阻異常,該低阻異常與模型設(shè)定的60 m埋深的充水率為50%的采空區(qū)相對應(yīng)。從圖中可以看出,當(dāng)采空區(qū)充水率降到50%時,異常區(qū)仍為低阻異常區(qū),異常區(qū)相較充水率為100%時變小,瞬變電磁法探測的左右側(cè)邊界相較模型預(yù)設(shè)邊界偏差60 m,縱向邊界較模型預(yù)設(shè)邊界擴(kuò)大15倍。從圖8可以看出,圖中無明顯異常區(qū)。這說明當(dāng)采空區(qū)充水率降到0時,瞬變電磁法無法對薄層采空區(qū)進(jìn)行探測。

3.6 采空區(qū)深度對探測效果的影響

為探究薄層充水采空區(qū)不同埋深時,瞬變電磁法對充水采空區(qū)的探測效果的差異,本文進(jìn)一步增加薄層充水采空區(qū)的埋深,模擬了充水采空區(qū)頂部埋深在80、100和120 m的瞬變電磁探測,反演結(jié)果如圖9、圖10和圖11所示。

圖10 厚度為1 m、頂界埋深100 m的充水采空區(qū)模型視電阻率剖面圖

圖11 厚度為1 m、頂界埋深120 m的充水采空區(qū)模型視電阻率剖面圖

從圖9可以看出,在水平位置-80～80 m,埋深65～85 m,出現(xiàn)低阻異常,該低阻異常與模型設(shè)定的80 m埋深的充水采空區(qū)相對應(yīng)。從圖中可以看出,當(dāng)模型的采空區(qū)埋深增加到80 m時,異常區(qū)相較采空區(qū)埋深在60 m時變小,瞬變電磁法探測的左右側(cè)邊界較模型預(yù)設(shè)邊界偏差20 m,縱向邊界較模型預(yù)設(shè)邊界擴(kuò)大20倍。從圖10可以看出,在水平位置-60～60 m,埋深80～100 m,出現(xiàn)低阻異常,該低阻異常與模型設(shè)定的100 m埋深的充水采空區(qū)相對應(yīng)。從圖10中可以看出,當(dāng)模型的采空區(qū)埋深增大到100 m時,異常區(qū)相較采空區(qū)埋深在60 m時進(jìn)一步變小,瞬變電磁法探測的左右側(cè)邊界較模型預(yù)設(shè)邊界偏差40 m,縱向邊界較模型預(yù)設(shè)邊界擴(kuò)大20倍。從圖11可以看出,當(dāng)模型的采空區(qū)埋深增大到120 m時,圖中無明顯異常區(qū),通過瞬變電磁法已經(jīng)難以對采空區(qū)進(jìn)行探測。綜上,在本文設(shè)置的模擬條件下,可以看出瞬變電磁法對1 m厚的薄層充水采空區(qū)的探測極限深度為100 m。

3.7 采空區(qū)厚度對探測結(jié)果的影響

為探究薄層充水采空區(qū)不同厚度時,瞬變電磁法對充水采空區(qū)的探測效果的差異,通過改變采空區(qū)的厚度,模擬了采空區(qū)厚度為0.5和2 m的瞬變電磁探測。反演結(jié)果如圖12和圖13所示。

圖12 厚度為0.5 m、頂界埋深60 m的充水采空區(qū)模型視電阻率

圖13 厚度為2 m、頂界埋深60 m的充水采空區(qū)模型視電阻率

從圖12可以看出,在水平位置-40～40 m,埋深50～65 m,出現(xiàn)低阻異常,該低阻異常與模型設(shè)定的0.5 m厚度的充水采空區(qū)相對應(yīng)。從圖中可以看出,當(dāng)模型采空區(qū)的厚度為0.5 m時,異常區(qū)相較采空區(qū)厚度為1 m時變小,瞬變電磁法探測的左右側(cè)邊界較模型預(yù)設(shè)邊界偏差60 m,縱向邊界較模型預(yù)設(shè)邊界擴(kuò)大30倍。從下圖13可以看出,在水平位置-100～100 m,埋深50～100 m,出現(xiàn)低阻異常,該低阻異常與模型設(shè)定的2 m厚度的充水采空區(qū)相對應(yīng)。從圖中可以看出,當(dāng)模型采空區(qū)的厚度為2 m時,異常區(qū)相較采空區(qū)厚度為1 m時變大,瞬變電磁法探測的橫向邊界與模型預(yù)設(shè)較為吻合,縱向邊界較模型預(yù)設(shè)邊界擴(kuò)大25倍。在本文的模擬條件下,當(dāng)采空區(qū)厚度降為0.5 m時,瞬變電磁法仍能對其進(jìn)行較為有效的探測。

4 結(jié)論和建議

(1)通過瞬變電磁法和天然源面波法兩種方法相結(jié)合的探測方法能夠?qū)崿F(xiàn)對薄層充水采空區(qū)的探測,天然源面波法探測的結(jié)果很好地驗證了瞬變電磁法探測的結(jié)果,探測結(jié)果經(jīng)過鉆孔驗證,取得了較好的效果。在瞬變電磁法和天然源面波法的數(shù)據(jù)解譯過程中,需要結(jié)合已有的地質(zhì)資料來對異常區(qū)進(jìn)行判定,通過綜合分析的思路來解譯成果,才能確保探測的準(zhǔn)確性。

(2)通過已知資料建立簡化模型,模擬實際探測的計算結(jié)果表明,當(dāng)厚度為1 m的充水采空區(qū)頂界埋深為60 m時,瞬變電磁法能對充水采空區(qū)進(jìn)行有效的探測。

(3)模擬計算結(jié)果表明,當(dāng)薄層采空區(qū)埋深60 m時,隨著采空區(qū)充水率的降低,瞬變電磁法的探測效果越來越差,當(dāng)充水率降到50%時,反演結(jié)果異常區(qū)的范圍變小,當(dāng)充水率降到0時,無法通過反演結(jié)果對采空區(qū)的位置進(jìn)行劃分。這說明瞬變電磁法對低阻異常區(qū)的探測極其靈敏,對高阻區(qū)的探測極不靈敏。

(4)模擬計算結(jié)果表明,當(dāng)1 m厚度的薄層充水采空區(qū)埋深60 m時,瞬變電磁法的探測效果較好,反演的結(jié)果能較為準(zhǔn)確地分辨出橫向邊界,反演出的異常區(qū)的厚度比比正演設(shè)定的厚度大。隨著采空區(qū)深度增加,異常區(qū)范圍逐漸變小,橫向邊界的分辨率逐漸降低,當(dāng)采空區(qū)深度達(dá)到120 m時,瞬變電磁法無法探測出薄層采空區(qū)的存在。

(5)模擬計算結(jié)果表明,當(dāng)薄層充水采空區(qū)埋深為60 m時,隨著采空區(qū)厚度的減小,瞬變電磁法的探測效果越來越差,異常區(qū)范圍越來越小。當(dāng)厚度為2 m時,能較為準(zhǔn)確地分辨出橫向邊界,隨采空區(qū)厚度的降低,異常區(qū)的范圍逐漸減小,橫向邊界的分辨率逐漸降低。