TEM技術(shù)在淺埋多層采空區(qū)探測中的應用

雷鵬翔,魏新帥,茹 良

(陜西陜北礦業(yè)韓家灣煤炭有限公司,陜西 榆林 719315)

0 引言

隨著煤礦大規(guī)模高強度開采,淺部煤炭資源消耗殆盡。同時由于前期亂采濫挖,形成了眾多形態(tài)復雜,缺乏準確、詳細地質(zhì)資料的小窯積水采空區(qū)。積水采空區(qū)賦存特征復雜,甚至會出現(xiàn)多層采空區(qū)重疊的現(xiàn)象[1-3]。在開采深部煤炭資源時需落實煤礦防治水16字方針,探明上部采空積水區(qū)范圍。瞬變電磁法是一種常用的積水采空區(qū)地球物理勘探方法,其具有對低阻體反映靈敏、野外施工速度快、對地質(zhì)異常體的分辨能力較高等優(yōu)點[4-6]。近年來,采用瞬變電磁探測煤礦積水采空區(qū)成為一項熱門技術(shù),國內(nèi)外眾多相關(guān)專家、學者在此鄰域開展了一系列研究。

瞬變電磁法為目前較為常見的積水采空區(qū)地球物探技術(shù),基于該技術(shù)對低阻體物質(zhì)有著較強的敏感性,尤為適合野外作業(yè),能夠高可靠地分辨出地質(zhì)異常體等。這些年,瞬變電磁探測煤礦積水采空區(qū)儼然成為時下熱點。例如,顧光躍等[7]以華北型煤田某小煤窯采空區(qū)為例,采用大定源回線裝置進行瞬變電磁法探測,隨后進行了鉆探驗證,結(jié)果表明推斷采空區(qū)與鉆探揭露情況相差無幾;徐慧等[8]收集分析了大量陜北淺埋煤層地區(qū)采空區(qū)地質(zhì)及地球物理資料,總結(jié)了采空區(qū)的地球物理特征,并根據(jù)結(jié)果有針對性的設計了多組不同的施工參數(shù)開展試驗,形成了一整套技術(shù)路線,在后續(xù)的采空區(qū)地球物理探測中取得了不錯的應用效果;陜北某礦早期采用房柱式開采方式,采空區(qū)的埋藏深度、分布范圍和積水情況不明,對下一步的開采造成巨大安全隱患,為此楊勇[9]利用瞬變電磁法及高密度2種方法相互配合對采空區(qū)進行勘查,出色的完成了探測任務;李剛[10]結(jié)合地面瞬變電磁技術(shù)圍繞李村煤礦二采區(qū)頂?shù)装甯凰畢^(qū)以及形態(tài)予以研究。前面的研究主要圍繞單個目標體,沒有圍繞多層目標體展開精細監(jiān)測。筆者以陜北礦業(yè)韓家灣煤礦為例,采用瞬變電磁正演模擬和約束反演技術(shù)進行多層采空區(qū)積水的精細探測。

1 測區(qū)概況與地球物理特征

探測對象是陜北礦業(yè)韓家灣煤礦,礦井為斜井多水平的開拓形式。煤層分為5層,為典型的近水平煤層群,2-2、3-1、4-2煤層為大部分可采、全部可采類型。目前,2-2煤層全井田初步實現(xiàn)了回采,目前正圍繞3-1煤層進行開采,同時4-2煤層的開采工作也已進入了準備階段。2-2煤與下伏3-1煤層間距30.75～52.05 m,平均38.22 m。3-1煤層與下伏4-2煤層的間距34.15～45.16 m,均值為36.39 m。由《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)范》(2017)相關(guān)計算公式分析可得3-1煤層垮落帶高度為7.9～11.94 m,導水裂隙帶最大高度是30.40～44.66 m,3-1煤層導水裂隙帶可完全導通至上覆2-2煤層采空區(qū)。

井田區(qū)域地層從老到新分別包括上三疊統(tǒng)永坪組(T3y)、直羅組(J2z)、全新統(tǒng)風積沙(Q4eol)。結(jié)合地質(zhì)信息以及該礦的鉆孔電測井曲線可以確定當?shù)氐貙与娦詮臏\到深的主要呈現(xiàn)方式即“低阻—高阻—低阻”變化特性,縱向的電性特點較為顯著。

2 理論正演模擬計算

階躍電流影響下,回線中心的層狀介質(zhì)頻率域電磁響應[11]即為

(1)

瞬變電磁場解析求解的主要過程是在利用頻率域內(nèi)的亥姆霍茲方程獲得諧變場,之后結(jié)合時-頻域轉(zhuǎn)換方式把頻率域的電磁場轉(zhuǎn)化至時間域形式。一般而言,瞬變電磁場基于階躍波以及其他的類型的脈沖電流波形在大地激發(fā)形成過渡過程場,階躍波因為激發(fā)便捷、有效,得到廣泛認可。響應的關(guān)系式為

(2)

通過傅里葉變化可以得到時間域的響應,階躍電流激發(fā)下的磁場強度垂直分量為

HZ(t)=

(3)

磁感應強度垂直分量的微分參數(shù)為

BZ(t)=

(4)

式(4)可采用線性數(shù)字濾波技術(shù)計算。

晚期瞬變電磁閥近場模式下,其視電阻率函數(shù)為

(5)

V(t)=BZ(t)SrN

(6)

式中,V(t)為所觀測的二次感應電壓;M為發(fā)送磁矩;q為接收線圈總面積;Sr為單匝接收線圈面積;N為接收線圈匝數(shù)。由式(4)、式(5)、式(6)可求解得到瞬變電磁法視電阻率數(shù)值。

就探測區(qū)域內(nèi)井田中的鉆孔信息予以梳理,構(gòu)建與之對應的地電結(jié)構(gòu)參數(shù),地電模型如圖1所示。進行正演模擬計算,發(fā)射回線為320 m×320 m(考慮目標層埋深,參考以往勘探經(jīng)驗,正演首選該參數(shù)),電流為10 A。

圖1 地電模型

理論模擬結(jié)果如圖2所示,圖2(a)為二次場電壓衰減曲線,采空積水地層模型信號強度明顯大于正常地層。圖2(b)是對應視電阻率響應結(jié)果,地層視電阻率從早(期)到晚(期)為由高至低的形態(tài),采空積水地層模型視電阻率由早到晚呈現(xiàn)低高低的形態(tài)特點,中早期為典型的低阻響應。

圖2 正演數(shù)值模擬結(jié)果

3 基于自適應算法的Occam反演

自適應正則化算法,即反演階段可綜合特殊的準則自適應控制正則化函數(shù)的取值模式。學者Zhdanov構(gòu)建了一種結(jié)合初始信息擬合方程以及模型約束方程的比值來明確正則化因子初始結(jié)果的方法,該方法可以在數(shù)據(jù)擬合效率不高的情況下,將正則化因子予以衰減以實現(xiàn)自適應[12-15]。

Occam反演基于典型的帶平滑限制的最小二乘反演模型,于特定的擬合偏差機制下保證模型的粗糙性最低。結(jié)合Occam反演模型的核心內(nèi)容,可構(gòu)建對應的目標方程為

(7)

(8)

式中,z為深度,選擇zi/zi-1來當做某一低于1的常量,因而可改成矩陣的方式

R=‖?m‖2

(9)

其中?為粗糙度矩陣,表示為

(10)

((WJ1)TWJ1+μ?T?)Δmk=(WJ1)TWΔdk

(11)

式中,Δmk,Δdk,J1分別為第k次反演的模型修改量、第k次模型響應以及觀測信息的殘差、雅可比矩陣,它的元素即為Jij=?Fi[m]/?mj。

為了反演方法的有效性,構(gòu)建KH型地電模型,各層的電阻率由上至下依次為100 Ω·m、500 Ω·m、100 Ω·m、500 Ω·m,各個層厚分別是50 m、100 m、100 m,表現(xiàn)出“低阻—高阻—低阻—高阻”特點,正演時回線源邊長為360 m×360 m,信號采樣延時至10 ms。反演期間假定最高的反演深度是600 m,模型電性層數(shù)定為30,結(jié)合對數(shù)等間隔離散每層的層厚,切實降低矩陣函數(shù)的病態(tài)性。

綜合地電模型中的第3層電性和層厚作為先驗系統(tǒng)信息分析約束反演效果,計算過程中逐漸的提高約束,同無約束對比,存在約束時的反演效果顯著提升。如圖3所示,低阻層進行約束的反演效果良好,不難看出是否施加約束的情況下反演都可以表現(xiàn)出四層電性結(jié)構(gòu),而無約束情況下的第2層以及第3層的差異不明顯,分層也不突出,同時第2～4層反演電阻率結(jié)果同給定的參數(shù)有著明顯的不同,給予第3層條件約束的情況下,該層的反演電阻率結(jié)果趨向給定的參數(shù),每層的電性差異性提高,分層質(zhì)量也有了極大的提升,反演的高阻層參數(shù)趨向給定的數(shù)值。

圖3 反演成果比較

4 施工布置及探測成果分析

4.1 施工布置與參數(shù)選擇

基于回線源瞬變電磁方法,針對采空區(qū)積水情況和煤層的頂板含水層富水情況展開探測,測線網(wǎng)格密度設計為40 m×20 m。線距、點距分別是40 m以及20 m,測線76條,發(fā)射回線邊長320 m,發(fā)射的電流約為15 A,施工布置如圖4所示。

圖4 施工布置

4.2 探測效果分析

基于晚期視電阻率公式將47測線響應數(shù)據(jù)進行計算,得到時間道-視電阻率等值線擬斷面圖,具體如圖5所示,其橫向坐標表示水平距離,縱向則是各個測點時間道結(jié)果。從圖5可看出視電阻率等值線相對穩(wěn)定,卻無法反映探測位置的“低阻—高阻—低阻”地電結(jié)構(gòu)特點,此外,圖內(nèi)也難以直接的得到積水采空區(qū)和煤層頂板含水層富水區(qū)的低阻異常,電性分層表現(xiàn)并不理想,沒有完成對多層目標的精細化勘探。通過約束反演技術(shù)手段進行處理,圖6給出了該測線反演后成果,處理時參照鉆孔電阻率數(shù)據(jù)作為先驗系統(tǒng)進行計算,反演之后的斷面縱向電性變化信息同實際地層大致相同,分層能力得到了提升。2-2、3-1及4-2煤層的頂板部分區(qū)域呈現(xiàn)明顯的低阻特征。

圖5 時間道-視電阻率擬斷面

圖6 反演電阻率斷面

圖7～圖9則是多目標層低阻異常位置的平面圖。圖中回采大巷東側(cè)為現(xiàn)代化的綜采模式,2-2煤層已回采完畢,采空后地表出現(xiàn)許多的地裂縫,長時間的降水和含水層賦存水補給,導致上述工作面低洼的位置可能會存在大面積的積水。下方的3-1煤層低阻異常位置和2-2煤層低阻異常位置相近,與2-2煤層采空積水往下滲透補給可能相關(guān)。從整體來看4-2煤層頂板異常強度有明顯的降低,同時范圍也顯著縮小,為明顯的片狀的分布形態(tài)。測區(qū)內(nèi)4-2煤層為進行采掘工作,圈定的5處低阻異常區(qū)推斷可能都是該煤層頂板砂巖裂隙含、富水導致。從礦方收集的資料可知,213105及213106工作面采空區(qū)停采線位置為采空標高最低處,利于水的匯集。2021年6月30日,位于該位置的1號密閉放水孔出水量為15 m3/h,充水源為213106采空區(qū)積水和含水層,后涌水量趨于穩(wěn)定。綜上,可以證明此次電法勘探成果可靠。

圖8 3-1煤層低阻異常區(qū)平面

圖9 4-2煤層低阻異常區(qū)平面

5 結(jié)論

(1)根據(jù)地質(zhì)資料與測區(qū)鉆孔電測井曲線建立相應的地電模型,進行正演模擬計算,獲得了采空積水地層的電性特征,為后續(xù)約束反演及資料解釋提供基礎。

(2)設計了圍繞鉆孔電測井數(shù)據(jù)為先驗系統(tǒng)的TEM一維自適應Occam約束反演系統(tǒng),該反演結(jié)論對初值的限制較少,規(guī)避了反演期間結(jié)果趨于局部極小值以及反演多解性等問題,提升了數(shù)據(jù)的解釋精確性以及多層目標體的電性分層水平,能夠完成對多層目標體的精準勘查。

(3)利用瞬變電磁法對采空區(qū)積水和煤層頂板覆巖含、富水情況進行探測,為工作面回采期間的防治水工作提供了參考資料。