瞬變電磁法在采空區(qū)積水與灰?guī)r富水區(qū)探測中的應用

郭紅雷

(山西高平科興米山煤業(yè)有限公司,山西 晉城 048400)

0 引言

水害作為煤礦開采過程中所面臨的第二大災害,嚴重威脅著煤礦安全高效綠色生產[1-3]。近年來,煤礦水害所引發(fā)的事故災害次數和人員傷亡均呈現為逐年下降的趨勢,但2021年局部反彈[4]?？梢?煤礦水害問題依舊值得重點關注。特別是整合礦井,開采程度較深,以及下組煤開采尤為需要重視水害問題[5]。米山煤礦作為資源整合礦井,3號煤層已基本采空,采空區(qū)積水威脅大,同時所開采的15號煤層頂板灰?guī)r層水害問題也威脅著煤礦安全生產。因此,查明15號煤層上覆的采空區(qū)積水、灰?guī)r富水區(qū)是其面臨急需解決的問題。目前,對于煤礦水害的探測,主要依賴于地面地球物理勘查技術與鉆探技術[6],其中地球物理勘查技術憑借施工快捷、覆蓋面大、性價比高等優(yōu)勢,得到了很好的推廣應用[7-8]。在眾多地球物理勘查技術中,瞬變電磁技術可以很好的反映介質的相對電性差異,對于含水體這一低阻異常體可以進行很好識別,因此在地面探測中常常用于水害的探查[8-10]。對于采空區(qū)積水、灰?guī)r富水區(qū)的瞬變電磁探測成果,一般采用鉆探驗證,但其周期長、成本高[11]。為快速驗證瞬變電磁法的探測成果,可采用不同物探技術進行相互驗證,由此衍生出水害綜合物探技術?；诖怂悸?在前期分析地質、水文資料的基礎上,結合地球物理特征分析,通過瞬變電磁試驗確定探測設備、回線裝置與探測參數,從而開展瞬變電磁探測,初步確定15號煤層的上覆采空區(qū)積水和灰?guī)r富水區(qū),并進一步進行不同硬件設備、回線裝置與探測參數的瞬變電磁法淺埋區(qū)復測和不同物探技術的直流電法復測,從而驗證前期成果,以提高礦井水文地質勘探程度,夯實礦井防治水技術基礎,進而為下一步安全高效綠色開采提供技術支撐。

1 地質概況與地球物理特征

1.1 地質概況

米山煤礦為資源整合礦井,3號煤層資源已枯竭,僅剩余部分煤柱未采,現開采15號煤層。15號煤層位于K2灰?guī)r之下,平均距3號煤層92.40 m。

地層中的砂巖、灰?guī)r局部可形成良好的儲水空間,本探測區(qū)自上而下共存在五大含水層。地表水、大氣降水,經塌陷區(qū)、地裂縫、構造裂隙、采動裂隙等導水通道進入含水層,更進一步可進入煤層。15號煤層開采主要受K5、K2灰?guī)r水影響,同時3號煤層采空區(qū)積水通過導水通道也威脅15號煤層的采掘。

1.2 地球物理特征

地面瞬變電磁法探測中,對于地層而言,其電性呈現為橫向均一、垂向差異的特征,即橫向上地層連續(xù),視電阻率也相同、連續(xù)分布。垂向地層巖性不同造成了視電阻率垂向的差異性。此外,構造的發(fā)育會造成地層不連續(xù),從而形成電性差異的現象。理論上,采空區(qū)積水、巖層富水區(qū)因水體的存在,其電阻率相對正常地層明顯偏小[12-13]。本次探測區(qū)自上而下,第四系為中高阻,二疊系整體上呈相對中等電阻,石炭系宏觀上為相對中高阻反映,奧陶系則表現為高阻,見表1。

2 探測試驗

在正式開展瞬變電磁探測之前,先期需開展探測試驗,以選擇合適的硬件設備、工藝裝置與探測參數。探測試驗點選擇在了人為干擾較小,并可揭露大部分地層的鉆孔附近。試驗設備選用了國際應用最為廣泛的V8電法系統,采用大定源回線工藝裝置,試驗內容見表2。綜合考慮3號煤層與15號煤層0～235 m的埋深深度、探測深度范圍、探測能量、抗干擾能力、探測分辨率與深度、信噪比、多探頭相對誤差和場源強度等因素,優(yōu)選出的參數見表2。

表1 地層巖性-電性

表2 試驗參數及結果

在鉆孔ZK2-2附近的L6測線里程700 m至900 m段,進行地層電性評價和有效性評價試驗,該段地勢平坦,無電性干擾,交通方便,地表為黃土覆蓋。視電阻率剖面如圖1所示,呈現為典型的高—中—低的地層電性分布趨勢。淺部+810～+840 m高程段為第四系松散的粘土層,呈現為視電阻率中高阻現象;中部+780～+810 m高程范圍為二疊系砂巖、泥巖層,且受3號煤層采空區(qū)影響,呈現為中低阻視電阻率;自780 m高程的石炭系、奧陶系視電阻率逐漸增大。

圖2為鉆孔ZK2-2視電阻率測井顯示,視電阻率自3號煤層總體呈現增大的曲線,實際地層電性分布與試驗剖面趨勢一致。110 m、157 m、165 m處電阻率值為極大值,分別對應了K5灰?guī)r、K2灰?guī)r、15號煤層。

綜上所述,本瞬變電磁法的硬件設備、大定源回線裝置,以及探測參數符合地層電性規(guī)律,方法可靠有效。

圖1 試驗段視電阻率剖面Fig.1 Apparent resistivity profile of the test section

圖2 鉆孔測井視電阻率曲線Fig.2 Apparent resistivity curve of borehole logging

3 瞬變電磁探測成果分析

3.1 探測工作概況

本次完成瞬變電磁試驗線1條、試驗點20個、檢查點110個、基本物理測點1 390個、測線20條,總計物理點1520個,面積1.06 km2。檢查點占比7.24%,總平均相對誤差3.25%,中誤差超限點5個、占檢查點的4.5%,達到了質控要求。甲級1 218個、達到80.13%,乙級283個、達18.62%,廢點19個、空點0個、空點廢品率1.25%?？傮w數據質量較好,達到質控標準,滿足后期處理與解釋。

3.2 探測成果分析

3.2.1 數據處理與解釋

采集的瞬變電磁數據,經前期預處理后,通過異常點刪除、曲線濾波、高程校正后,進行全期視電阻率反演。在解釋中,同一地層連續(xù)分布、電性特征一致,其視電阻率也一致,阻值分布連續(xù)、穩(wěn)定。若地層局部含水時,此處電阻率降低,呈現為局部相對低阻現象。依據此特征,結合地質、水文條件可圈定低阻積水、富水異常區(qū)。

以地質分析為基礎,結合實測數據數理統計,可確定低阻異常區(qū)閾值。根據視電阻率算術平均值與視電阻率標準偏差值的數學關系可以劃分5個級別。經計算,δn為110 Ω·m,δn為90 Ω·m,五級分區(qū)結果見表3。依此標準,把視電阻率值≤20 Ω·m(部分區(qū)域按相對低阻原則有所擴大)定義為采空區(qū)積水、巖層富水區(qū)的相對閾值。

閾值的確定為低阻富水異常區(qū)的劃分提供了物探依據,根據物探劃分的異常區(qū)結合已有地質資料和井下采掘資料進行去偽存真分析,可以確定采空區(qū)積水、灰?guī)r富水區(qū)的大小和分布情況。

表3 視電阻率數據分級

3.2.2 視電阻率剖面分析

圖3為L2測線視電阻率剖面,位于二采區(qū)南部,主要為平緩耕地,地表為黃土覆蓋,無明顯干擾。淺部為第四系松散粘土層中高阻,中部為二疊系中低阻,下部為大規(guī)模石炭系和奧陶系中高阻。這一垂向分布特征與前期試驗結果,以及鉆井視電阻率測井曲線基本一致,由此可見探測成果可用。再結合視電阻率數據分級標準,可以劃定相對低阻富水異常區(qū)。在測線1 200～1 290 m里程范圍,3號煤層底板附近出現較大范圍的相對低阻異常,結合地質資料推測其為3號煤層采空區(qū)積水。此外,在測線620～670 m里程范圍,K5灰?guī)r底板附近也存在一處明顯的相對低阻異常,結合區(qū)域地質資料分析,推測該處為K5灰?guī)r富水區(qū)。

依據上述解釋分析思路,針對3號煤層、K5灰?guī)r層、K2灰?guī)r層,可對探測區(qū)內20條測線依次進行解釋分析,初步圈出煤層采空區(qū)積水和灰?guī)r富水區(qū)。

圖3 L2測線視電阻率剖面Fig.3 Apparent resistivity profile of L2 survey line

3.2.3 視電阻率平面切片分析

根據測線數據可生成三維成果數據體,再利用煤層底板等高線高程可提取生成沿3號煤層底板等高線的視電阻率平面切片,如圖4所示。沿3號煤層視電阻率總體呈現為中等阻值分布,與剖面3號煤層處一致。局部中低阻分布較廣,尤其是在探測區(qū)西南—南部,表明3號煤層采空區(qū)分布較廣。經地質分析后,3號煤層共解釋8處相對低阻異常區(qū),分別標記為3#YC1～3#YC8,初步推測為3號煤層采空區(qū)積水。另外,3#YC2、3#YC3這2處受高壓線電磁干擾影響,其數據質量有所下降,解釋成果可靠性有所降低,后期復測需進一步驗證。

圖4 沿3號煤層視電阻率切片Fig.4 Section of apparent resistivity along No.3 coal seam

此外,進一步利用灰?guī)r底板等高線高程提取生成沿K5灰?guī)r層、K2灰?guī)r層的沿層底板視電阻平面切片。再結合測線解釋成果,K5灰?guī)r層圈定3處相對低阻異常區(qū),編號K5#YC1～K5#YC3;K2灰?guī)r層也圈定3處相對低阻異常區(qū),編號K2#YC1～K2#YC3。

由此,可以得到本次采空區(qū)積水和灰?guī)r層富水區(qū)的初步探測成果。

4 探測成果復測驗證

針對前期探測成果,采用不同設備、裝置與參數的瞬變電磁法對南部淺埋區(qū)域進行復測,以進一步驗證前期識別的隱蔽水害分布情況。由于瞬變電磁復測的南部淺埋區(qū)域,其覆蓋深度淺、范圍小,因此又采用直流電法對前期探測的異常區(qū)進行針對性復測,以不同方法驗證前期成果準確性。

4.1 瞬變電磁法復測

瞬變電磁法復測采用TerraTEM24電法儀,選擇重疊回線裝置,線圈邊長2.5 m、線圈160匝、采樣時間80 ms、發(fā)射電流15 A,即設備、裝置與參數均區(qū)別前期瞬變電磁探測。

圖5為L2測線復測視電阻率剖面,與前期成果基本一致,但其探測深度淺,對淺部3號煤層采空區(qū)積水復測效果較好。在測線1 200～1 290 m里程范圍,和前期探測成果一致,在3號煤層相對低阻異常區(qū)3#YC8也出現較大范圍的相對低阻異常,復測結果表明3#YC8采空區(qū)積水應當存在。

圖5 L2測線復測視電阻率剖面Fig.5 Apparent resistivity profile of L2 survey line retest

4.2 直流電法復測

直流電法通過地下供電在地層中形成電流,從而可以測量供電正負極中點處不同深度的電阻率分布情況[14]。本次直流電測深法針對前期8處3號煤層采空區(qū)積水和6處K5、K2灰?guī)r含水區(qū)進行復測,其中AB/2為200～300 m。探測點依據瞬變電磁解釋的低阻異常區(qū)數量和位置布置了57個基本物理測深點。

針對前期受高壓線影響的3#YC3,在L6測線600 m里程處進行直流電法復測。此處3號煤層埋深76.3 m、K5灰?guī)r埋深92.5 m、K2灰?guī)r埋深153.7 m。由圖6可知,視電阻曲線淺部呈緩慢上升趨勢,進入煤層后加速抬升,在目標層位無明顯低阻反映,在K2灰?guī)r之后進入奧灰后再加速增大?？芍撎幰曤娮杪薀o明顯低阻變化,因此3#YC3低阻異常區(qū)不應為煤層采空區(qū)積水,而是高壓線電磁干擾的假異常響應。

圖6 L6測線600 m里程處直流電法復測視電阻率曲線Fig.6 Apparent resistivity curve of DC retest at 600 m of L6 survey line

又如,針對處于同一平面范圍的3號煤層相對低阻異常區(qū)3#YC1與K5灰?guī)r相對低阻異常區(qū)K5#YC1,在L18測線660 m里程處進行直流電法復測。此處3號煤層埋深107.9 m、K5灰?guī)r埋深124.1 m、K2灰?guī)r埋深184.6 m。由圖7可知,地表及淺部視電阻率在40～60 Ω·m間平緩波動,在進入煤層后快速下降,在3號煤層及K5灰?guī)r層位附近達到最低,呈現明顯低阻反映,之后劇烈抬升。由此可知,3號煤層采空區(qū)積水3#YC1、K5灰?guī)r富水區(qū)K5#YC1均應存在。

圖7 L18測線660 m里程處直流電法復測視電阻率曲線Fig.7 Apparent resistivity curve of DC retest at 660 m of L18 survey line

直流電法復測結果表明,前期瞬變電磁法探測成果中除3號煤層的相對低阻異常區(qū)3#YC3為高壓線電磁干擾所致的假異常外,3號煤層7個相對低阻異常區(qū)、K5灰?guī)r3個低阻異常區(qū)和K2灰?guī)r3個低阻異常區(qū)均得到了驗證。由此可得到最終的3號煤層采空區(qū)積水、K5與K2灰?guī)r富水區(qū)的分布情況,如圖8所示。

圖8 3號煤層采空區(qū)積水、K5與K2灰?guī)r富水區(qū)探測成果Fig.8 Detection results of No.3 coal seam goaf water area,K5 and K2 limestone water-rich area

5 結論

(1)基于探測區(qū)地質條件分析了地球物理特征,表明地層電性差異是本次探測的理論基礎,優(yōu)選了瞬變電磁探測的設備、回線裝置和探測參數。

(2)瞬變電磁探測依據20條測線視電阻率剖面和3層沿層底板等高線視電阻率切片解釋出了3號煤層8處、K5灰?guī)r3處和K2灰?guī)r3處相對低阻異常區(qū)。

(3)采用不同設備、回線裝置和探測參數的瞬變電磁法復測,以及不同物探技術的直流電法復測,對前期瞬變電磁探測成果進行驗證,明確了7處3號煤層采空區(qū)積水、3處K5灰?guī)r富水區(qū)和3處K2灰?guī)r富水區(qū)。

(4)基于地質資料與地球物理特征分析,以探測試驗優(yōu)選設備、回線裝置和探測參數,從而開展瞬變電磁探測以確定煤層和灰?guī)r層相對低阻異常區(qū),并利用不同設備、裝置和參數的瞬變電磁法復測和不同物探技術的直流電法復測,驗證探測成果,說明這一技術思路可行,具有較好的應用價值。