瞬變電磁法對多種采空區的探測精度

程 輝, 余傳濤*, 韓玉林, 王慧明, 楊曉成, 楊 勇

(1.太原理工大學礦業工程學院, 太原 030024； 2.陽泉煤業(集團)有限責任公司, 陽泉 030001)

煤礦資源的不斷開采引發了各種各樣的礦井災害,嚴重威脅著人們的生命健康財產,其中煤礦透水事故是煤礦安全開采的主要危害之一[1-2]。中國煤礦生產地大多存在小煤窯開采不規范以及亂采亂挖的現象,長期的開采,許多礦區出現了各種各樣較為復雜的采空區,積水區的難以確定為煤礦的安全開采增加了安全隱患,復雜的地質條件對采空區的探測精度提出了更高的要求[3-4]。由于瞬變電磁法易于穿透高阻層、對低阻體敏感、操作簡單和施工效率高的優點,被廣泛用于煤礦采空積水區的探測[5]。王國庫等[6]研究了不同含水率的采空區的瞬變電磁響應特征,計算了不同模型各個測道的感應電壓增(降)幅；陳健強等[7]采用有限元法模擬了圍巖體及異常體在不同電性和不同幾何參數下的瞬變電磁響應規律；許新剛等[8]分析了不同電性組合的雙層采空區的中心回線響應特征；解海軍[9]分析了不同采空區模型的瞬變電磁響應和斷面反映特征；凌飛[10]采用一維正反演研究了低阻采空區對下層采空區的屏蔽作用；羅回國[11]進行了瞬變電磁法大定源的一維正演模擬研究；楊允林等[12]研究了帶式輸送機下瞬變電磁的響應特征并給予了校正方法；孫懷鳳[13]研究了隧道內的含水構造三維瞬變電磁場的響應特征及其突水災害源預警；姚偉華等[14]進行了井下瞬變電磁超前探測的數值模擬研究；焦險峰等[15]通過物理模擬實驗,研究多種裝置的瞬變電磁法對淺層采空區的探測問題；錢鵬等[16]通過瞬變電磁法多匝小回線觀測系統的物理實驗,驗證了瞬變電磁的小回線裝置在淺層勘探的顯著性。上述研究的焦點主要集中在采空區的富水問題以及幾何參數上,關于瞬變電磁法在雙層采空區以及相鄰采空區的分辨率上仍需補充。

為此采用數值模擬的方法,研究了各類采空區的電磁場規律,以期為煤礦的安全開采提供一些理論依據。

1 瞬變電磁法原理及正演理論

瞬變電磁法(transient electromagnetic method, TEM)是一種人工源的時間域電磁法,是以電磁感應原理為前提,根據地下巖石、礦石的導電性和導磁性的差異性,研究電磁場在時間和空間上的分布規律,尋找地下低阻體或解決有關地質問題的一種地球物理勘探方法[17-18]。圖1所示為瞬變電磁探測示意圖,Tx、Rx分別表示發射裝置和接收裝置,隨著時間t的延長,電磁場傳到地層的更深處。

圖1 瞬變電磁探測示意圖Fig.1 Schematic diagram of transient electromagnetic detection

正演是建立麥克斯韋方程組的基礎上,在頻率域計算出方程的解,再通過傅里葉變換求得時域場的解。在柱坐標系中,方程的解為

(1)

式(1)中：J0(λr)、J1(λa)分別為第一類零階貝塞爾函數和第一類一階貝塞爾函數;r為收發距,m;a為回線半徑,m;I0為階躍電流,A;λ為波長,m;k1為傳播常量。

探測采用中心回線裝置時,r=0,J0(0)=1,由傅立葉變換可得時域場解為

(2)

式(2)中：Bz(t)為Z方向磁感應強度,T;u為綜合分量,與時間常數和線半徑有關；ρ1為電阻率,Ω·m；t為時間,s；Φ(u)為概率積分。

2 采空區數值模擬分析

2.1 雙層采空區在不同層間距的瞬變電磁響應分析

在均勻半空間內建立4種不同電性的雙層采空區,上層低阻下層低阻采空區(模型1),上層低阻下層高阻采空區(模型2),上層高阻下層低阻采空區(模型3),上層高阻下層高阻采空區(模型4)。根據地質資料,均勻半空間的圍巖電阻率設置為 500 Ω·m,低阻采空區電阻率設置為10 Ω·m。為了使高阻響應更明顯一點,高阻采空區電阻率設置為1×106Ω·m,采空區的規模為100 m×50 m×20 m,延測線方向為50 m。固定上層采空區埋深(采空區中心)100 m,下層采空區(采空區中心)距離上層采空區距離分別為25、50、75、100 m。研究4種雙層采空區在不同層間距下的瞬變電磁響應特征,取點號240 m的數據,研究感應電壓的衰減規律。采用中心回線裝置,點距20 m,發射頻率16 Hz,發射線框200 m×200 m,發射電流為1 A,關斷時間為0.1 ms。

圖2所示為雙層采空區的模型示意圖,其模型參數如表1所示。在采空區正上方鋪設了一條 500 m 的測線,第1個測點坐標(0,250 m,0),由西往東開始測,一共26個測點,點距20 m。采空區的坐標為(250 m,250 m,Zm)。E、N分別是East和North的縮寫。

圖2 雙層采空區模型Fig.2 Double-layer goaf model

表1 雙層采空區模型參數Table 1 Parameters of double-layer goaf model

模型1～模型4在不同層間距下的感應電壓衰減曲線如圖3所示。

由圖3(a)可知,不同間隔的模型響應曲線幾乎完全相同,都是早期階段感應電壓升高,反映出淺部的低阻采空區,到了中后期感應電壓達到最高值,并持續一段時間開始下降,難以區分雙層低阻采空區。隨著層間距的增加,感應電壓衰減曲線尾支下降,這是由于下層低阻采空區埋深增加,對上層采空區響應疊加減弱引起的。

由圖3(b)可知，曲線形態相似,在早期感應電壓增大,反映出淺部的低阻采空區。淺層的低阻采空區使得感應電壓衰減減慢、持續時間變長。隨著時間的推移,各個曲線達到最高點并迅速衰減,并沒有有效反映出深部的低阻采空區,很大程度上是由于上層低阻采空區的屏蔽作用造成的。值得注意的是,相比于模型1,模型2的感應電壓要小許多,在二次場中晚期,隨著間隔的增大,感應電壓整體增大。

由圖3(c)可看出，在早期響應曲線主要表現為高阻響應異常,響應值略低于均勻半空間響應值,隨著時間的推移,感應電流擴散到下層的低阻采空區,衰減速度減慢,感應電壓升高,表現出低阻異常響應,隨著間隔的增大,低阻響應延后,而且響應值逐漸變小。這是因為在早期,二次場主要反映的是淺層的地質信息,而晚期反映深部地質信息,間隔增大響應延后且變弱,而且早期的高阻響應越低于均勻半空間的響應,說明間隔越大越容易區分模型3采空區。

從圖3(d)中可以看到,模型表現出高阻異常響應,低于同一時刻的均勻半空間的響應,而且不同間隔的雙層采空區響應基本一致,難以分辨雙層低阻采空區。

2.2 相鄰采空區在不同水平距離下的瞬變電磁響應分析

在均勻半空間內建立3種不同種類的相鄰采空區,左邊低阻右邊低阻(模型5),左邊高阻右邊低阻(模型6),左邊高阻右邊高阻(模型7),統一埋深為50 m,模型其他參數和多層采空區相同。相鄰采空區的水平距離(采空區中心)分別為50、75、100、125 m。研究不同種類的相鄰采空區在不同水平距離的瞬變電磁響應特征,對其探測結果采用多測道剖面圖的方式對比分析。模型示意圖如圖4所示,其模型參數如表2所示。測線布置和多層采空區相同,也是由西往東開始測量。相鄰采空區的統一埋深為50 m,采空區的坐標為(Xm,250 m,-50 m)。

表2 相鄰采空區模型參數 Table 2 Model parameters of adjacent mined-out areas

圖5所示為模型5的多測道剖面圖。圖5(a)表示水平距離為50 m的多測道剖面圖,可以看出模型5對應的位置出現明顯的異常響應,表現為單峰,存在一個極值點為2 260 μV/A,不 能區分出兩個積水采空區；圖5(b)表示水平距離為75 m的多測道剖面圖,在圖中可以看到兩個單峰,正好為采空區對應的位置,峰值都為1952 μV/A,低于水平距離為50 m的響應,這是因為距離50 m的積水采空區對應的感應電動勢相互疊加的結果。從圖5(b)中可以明顯看出,當埋深為50 m,水平距離為75 m時,中心回線裝置可以區分出模型1的采空區,橫向分辨率為50～75 m。

圖5 模型5的多測道剖面圖Fig.5 Multi-track profile of model 5

圖6所示為在均勻半空間建立的相鄰采空區,左側為高阻采空區,右側為低阻采空區水，水平距離分別為50、75、100、125 m模型6的多測道剖面圖,各有一個單峰,峰值分別為1 943、1 956、1 988、2 032 μV/A,發現單峰的響應值隨采空區水平距離的增加而增大,這是因為不積水采空區對積水采空區的影響減弱。圖6(a)～圖6(c)均沒有明顯的高阻響應,也就是說難以區分出模型6采空區,圖6(d)中在點號180 m附近上方,出現明顯凹陷,正是所建的高阻采空區對應的位置,說明能分辨出模型6的采空區,橫向分辨率為100～125 m。

圖6 模型6的多測道剖面圖Fig.6 Multi-track profile of Model 6

圖7所示為在均勻半空間建立的埋深為50 m的相鄰不積水采空區，水平距離為50、75、100 m的模型7的多測道剖面圖,發現采空區對應的大致位置均出現凹陷,顯示出不積水采空區。圖7(a)、圖7(b)都表現為單凹,存在一個極小值,分別為541.8、552 μV/A,稍微偏離所建采空區的位置,不能區分出相鄰采空區。圖7(c)顯示出雙凹,響應值均為569.7 μV/A,對應所建的采空區,此時能夠分別出水平距離為100 m的模型7采空區。可知采用的裝置的橫向分辨率為75～100 m。

圖7 模型7的多測道剖面圖Fig.7 Multi-track profile of Model 7

3 工程案例分析

為了進一步說明瞬變電磁法探測多種采空區的有效性,采用野外實例加以說明,工區位于太原市,僅對雙層采空區加以分析。該礦9號煤層和15號煤層不同程度存在采空,積水程度和積水位置不明,現選取礦區1線和2線進行試驗,根據地質資料選取發射線框尺寸為480 m×480 m,發射電流為 11 A,發射頻率為16 Hz。

圖8(a)所示為1線的視電阻率斷圖。在點號1 500～1 700 m,9號煤層和15號煤層分別存在高阻采空區和低阻采空區,兩個采空區間隔50 m,根據反演圖,能夠很好分辨高阻-低阻采空區,這也說明了瞬變電磁法易于穿透高阻層的優點；在點號2 150～2 400 m兩煤層均存在高阻采空,推測是煤層開采了但是沒有積水,層間距50 m,難以分辨雙層高阻；在2線點號2 250～2 450 m,兩煤層均存在較大范圍的低阻采空,層間距50 m,兩低阻采空連在了一起,難以分辨,可能是9號煤層的低阻渦流響應屏蔽了下面煤層的地電信息。后經過鉆孔驗證,1線和2線低阻采空區均存在積水情況。

圖8 試驗區視電阻率斷面圖Fig.8 Cross-sectional view of apparent resistivity in the test area

4 結論

研究了4種雙層采空區和3種相鄰采空區的中心回線瞬變電磁響應特征,并且分析了不同層間距或水平距離對瞬變電磁響應的影響，得到以下結論:

(1)巖土體中的雙層采空區會使瞬變電磁的響應變得比較復雜,加大地電信息的解釋難度。

(2)瞬變電磁法易于穿透上層高阻層,上層的低阻的渦流效應會對下層的采空區起到一定的屏蔽作用。

(3)瞬變電磁法能夠分辨出高阻-低阻雙層采空區,而且層間距增大,分辨能力也會增強,不易分辨其他類別的雙層采空區。

(4)瞬變電磁法同一水平的相鄰采空區分辨能力較好。而且瞬變電磁法對不同電性組合的相鄰采空區的分辨能力也不一樣,對低阻-低阻采空區分辨能力最強,高阻-高阻次之,高阻-低阻采空區最差。