瞬變電磁法與激電測深法在老空水探查中的應用

張廣會

(山西澤州天泰岳南煤業有限公司,山西 晉城 048021)

0 引言

隨著近年來社會的高質量發展,對于能源的需求也與日俱增,但是我國目前煤炭占主導地位的能源結構依舊尚未改變[1-2]。“一煤獨大”的局面,導致迫切需要煤炭的安全高效開采,因此近年來對于煤礦的智能化建設也越來越重視,但是制約著煤礦智能化發展的重要因素就是需要摸清煤礦地質條件,排查生產所面臨的地質災害問題[3-6]。煤礦水害問題一直是制約著煤礦安全生產的主要地質災害,其影響僅次于煤與瓦斯突出[7]。在眾多水害類型中,老空水占據絕對主導地位,是發生次數最多、造成人員傷亡與財產損失最嚴重的水害類型[8-9]。尤其是在雨季時節,采空區積水會呈現季節性擴張,水害威脅進一步加大,因此對于老空水需格外關注。對于如岳南煤礦這一類兼并重組型礦井,其小窯分布不清、廢舊老巷布設雜亂,導致老空水問題更為突出,是最需關注的隱蔽致災因素。尤其是其上覆的3號煤層已完成開采使命,其形成的老空水對于下伏的9號煤層與15號煤層是潛在的隱蔽致災因素,由此可見,查清老空水對后續安全開采至關重要。對于老空水的探查,一般常常采用地面電法類地球物理勘探與鉆孔相結合的“物探探查、鉆探驗證”模式[10-11]。此外,還可采用一種地球物理勘探技術為主進行先期探查,另一種物探技術進行后續跟蹤復測驗證的方式。在眾多地球物理勘探技術中,對于老空水比較敏感的為瞬變電磁勘探技術,其勘探效果好、勘探深度大,以及較易施工等優點,使其在老空水探查中成為了首選[12-14]。但其也存在一定的體積效應,因此又可采用激電測深法進行進一步驗證,激電測深法作為一種直流電法勘探技術,其可取得電阻率與極化率兩項勘探成果,可從兩方面驗證前期成果的真實性,因此具有較好的理論基礎與實際技術可行性。

基于上述理論,針對岳南煤礦中部采區,為探查3號煤層老空水分布情況,通過分析勘探井田內的地質條件與地球物理特征,并開展瞬變電磁法探查試驗,依據試驗成果正式開展瞬變電磁探查工作,從而得到老空水分布區,再利用激電測深得到的電阻率與極化率進一步驗證上述疑似老空水分布區,最終查明岳南煤礦中部采區3號煤層的老空水分布位置與范圍。

1 勘探區概況

1.1 勘探區水文條件分析

岳南煤礦由原岳南煤礦與原岳興煤礦兼并重組,但在整合前后,礦井周邊曾經有10個礦井及小窯進行采掘活動,而后這些小窯被整合或被關閉,其采掘布局不清、越界開采嚴重。現今,上覆的山西組3號煤層已結束開采并閉層,太原組9號煤層與15號煤層是主要開采煤層。

岳南煤業井田中部勘探區,3號煤層上覆的主要含水層首先是第四系松散含水層,富水性弱;其次,是弱富水性的砂巖裂隙含水層。粉砂質泥巖、粉砂巖與泥巖等在含水層之間形成了較好的隔水層。已采掘完的3號煤層,其中的老空水成為了下伏煤層的主要水害來源。

1.2 地層地球物理特征分析

電磁法地球物理勘探主要依賴于地層的電性差異,老空水呈現為明顯的低阻特征,因此電法類勘探很容易識別。本勘探區自上而下地層的電性特征見表1。二疊系上石盒子組上部為泥巖、砂巖,之后的中下部為砂巖、砂質泥巖,并且厚度相對較大,總體表現為電阻率相對較低。再往下為含煤層段的二疊系下石盒子組與石炭系,深色泥巖、灰巖和砂質泥巖與灰巖發育,所以巖層視電阻率值表現為繼續偏低。由于本礦區3號煤層已經開采完畢,到3號煤層位置時巖層視電阻率值會出現突變的情況,到9號煤層和15號煤層位置時,電阻率值相對較高的煤層在視電阻率曲線表現出從降低趨勢變為上升趨勢的拐點,因此,3號煤層層位表現為突變層位,9號煤層、15號煤層層位可視為較高電阻率地層的分界層位。奧陶系灰巖為測區底部巖層,受灰巖自身電阻率特征為高阻的特性,因此總體表現為一較明顯的高阻地層區,與上部石炭系低阻地層形成鮮明對比,在視電阻率曲線上表現為迅速升高的趨勢,因此可視為一較好的電性標志層。

表1 地層巖性-電性

綜上,可視為標志層位的共有2層,即石炭系煤系地層和下部奧陶系灰巖地層(奧灰頂界面層位)。

2 工作參數與可行性試驗

試驗點1為測區中部且附近無干擾源的2220號線1400點處,試驗確定測區較深處正常地層的瞬變電磁響應,選定合適的采集參數。在試驗點1處,針對測量裝置、發射框大小、發射優勢頻率、接收通道數量、接收線框面積、接收線框匝數、接收磁通道、供電電流和采集時間進行針對性的試驗,綜合考慮信號信噪比、信號一致性、抗干擾能力,以及300～550 m埋深的目的層,最終確定的瞬變電磁法勘探參數見表2。

表2 試驗參數及結果

試驗點2位于已知存在3號煤層老空水的1 900線處,主要目的是確定采空區的瞬變電磁響應特征,試驗線長300 m、點距20 m。圖1為試驗段視電阻率剖面圖,橫軸為點號,縱軸已將探測視深度換算為高程,其中藍顏色代表低阻區,紅色代表高阻區,黑色線條代表3號煤層底板等高線位置,圖中藍色網格代表礦方提供的已知3號煤層老空水分布位置,黃色虛線網格代表低阻異常區。

圖1 試驗段視電阻率剖面

表3 3號煤層老空水一覽表

試驗線地面標高在892.74～945.59 m,3號煤層底板標高在735～748 m,煤層埋深在200 m左右。視電阻率垂向上以“低-中-高”趨勢分布,高程+800 m以上的淺層是為20～50 Ω·m的低阻,對應著二疊系砂泥巖地層;高程+800～650 m、50～100 Ω·m的中高阻,為含煤地層;高程+650 m以下視電阻率較高,變化范圍在100～140 Ω·m為奧陶系灰巖。在測線1 760～1 880測點范圍內,3號煤層附近視電阻率明顯偏低,而該低阻異常區位置同已知3號煤層老空水位置基本相對應。

綜上所述,利用瞬變電磁法對目的層3號煤層老空水進行探查是合理有效的方法選擇,并確定了可滿足本次勘探地質任務要求的工作參數。

3 瞬變電磁法探查

3.1 探查工作概況

3.4 km2的勘探范圍采用線距40 m、點距20 m進行施工,包含2條試驗線在內共計74條勘探線,累計4 938個物理點,其中包括占比4.2%的209個檢查點。除高壓線影響區域580個測點不進行評級外,甲級點3 693個,占總數的89%,乙級點456個,占總數的11%,試驗點、質量檢查點全部合格,全區綜合評價為“優秀”。

3.2 探查成果分析

3.2.1 數據處理與解釋

針對野外采集的數據,通過濾除或壓制干擾信號以提高數據信噪比,而后再進行視電阻率和深度反演。解釋過程中,在堅持眾多解釋原則的前提下,基于試驗段已知老空水電性特征、地質資料、勘探成果數據,以及數理統計分析,從而確定最終的劃分閾值。基于本次的實際數據情況與實際地質條件,確定本次低阻異常體的識別閾值為45 Ω·m。

3.2.2 測線剖面分析

針對72條瞬變電磁測線進行處理解釋后可以得到72張視電阻率剖面圖。本次探查工作的重點在于3號煤層老空水,并兼顧含煤地層的灰巖含水層,主要勘探深度范圍為60～560 m(高程范圍約為+600～+1 100 m)。

圖2為L940號測線視電阻率剖面圖,該線位于測區南部,長度為1 120 m,沿126°方位角方向布設。其總體趨勢與試驗段基本相似,垂向上也是“低-中-高”分布。高程+720 m以上的淺層為20～50 Ω·m的低阻,是二疊系砂泥巖地層;高程+720～+600 m、50～100 Ω·m的中高阻,為含煤地層;高程+600 m以下視電阻率較高,變化范圍在100～140 Ω·m,為奧陶系灰巖。測線1 640～1 800 m測點范圍內,3號煤層視電阻率低阻特征較為顯著。根據地質資料,L940測線無斷層與陷落柱通過,故分析該處為采空水分布的可能性較大。基于此分析思路可對72條測線成果逐一分析解釋,識別低阻異常區。

圖2 L940測線視電阻率剖面

3.2.3 平面切片分析

圖3為沿3號煤層視電阻率切片圖。根據前期確定的異常劃分閾值45 Ω·m,再依據測線剖面解釋成果,結合地質分析,劃分了10處3號煤層低阻異常區,編號分別為YC3-1、YC3-2、YC3-3、YC3-4、YC3-5、YC3-6、YC3-7、YC3-8、YC3-9與YC3-10。YC3-1位于勘探區北部,呈近似橢圓形分布,視電阻率幅值在35～45 Ω·m;YC3-2位于勘探區東北部,呈半圓形分布,異常區開口向勘探區外,有向勘探區東部邊界外延伸的趨勢,幅值在35～45 Ω·m之間;YC3-3位于勘探區中北部,呈不規則狀分布,視電阻率幅值在36～45 Ω·m;YC3-4位于勘探區中北部,呈近似橢圓形分布,視電阻率幅值在37～45 Ω·m;YC3-5位于勘探區中部偏西,呈近似圓形分布,幅值在42～45 Ω·m;YC3-6位于勘探區東部,呈不規則狀分布,視電阻率幅值在42～45 Ω·m;YC3-7位于勘探區中部偏南,呈寬緩條帶狀分布,視電阻率幅值在38～45 Ω·m;YC3-8位于勘探區中部偏南,呈近似梨形分布,視電阻率幅值在42～45 Ω·m;YC3-9位于勘探區南,呈不規則狀分布,視電阻率幅值在38～45 Ω·m;YC3-10位于勘探區南,呈不規則狀分布,異常區開口向勘探區外,有向勘探區東部邊界外延伸的趨勢,視電阻率幅值在38～45 Ω·m。

圖3 沿3號煤層視電阻率切片

此外,還圈定了10處K5灰巖層低阻異常區和7處K2灰巖層低阻異常區。

4 激電測深法驗證

為確認瞬變電磁法探查的有效性,特選擇另外一種方法——激電測深法來對本次探查的異常區范圍進行驗證。選擇供電極距(AB/2)最大極距選擇最大目的層深度的1.5～2倍,即最大AB/2極距為600 m。采用正反向方波供電,供電周期8 s、迭加次數1次、延遲時間200 ms、寬度20 ms等采集參數。如圖4所示,針對前期的YC3-7所對應的激電測深驗證成果剖面,該測線3號煤層埋深在150～240 m(西南淺、東北深),按激電測深系數0.75計算,對應AB/2在200～320 m,從電阻率、極化率斷面圖可知,視電阻率等值線整體表現為西南高、東北低,這與瞬變電磁所測結果相一致。此外,極化率在AB/2等于267～320 m時表現為高低高的形態。綜合各項指標成果分析,結合本區域地質與水文地質條件,本測線東北側有3號煤層老空水分布,西南部分含水小或不含水,與瞬變電磁所推測的3號異常區YC3-7基本一致,即YC3-7低阻異常區真實存在,應為3號煤層老空水分布區。

圖4 激電測深驗證成果剖面

基于上述思路,針對前述的10處3號煤層低阻異常區可逐一驗證分析。結果表明,YC3-1、YC3-2、YC3-3、YC3-4、YC3-7、YC3-8、YC3-9與YC3-10均有一致響應,得到了驗證,但YC3-5與YC3-6低阻特征不明顯。此外,還驗證確定了7處K5灰巖層低阻異常區和5處K2灰巖層低阻異常區的存在,排除了3處K5灰巖層低阻異常區和2處K2灰巖層低阻異常區。

5 地質成果分析

基于瞬變電磁探測結果與激電測深驗證結果,結合地質與水文地質條件分析,可得到本次的地質成果,如圖5和表3所示。

圖5 3號煤層老空水分布區探測成果

YC3-1異常西北側距離約100 m有ZK2-1,東北側緊挨鉆孔ZK2-2,這2個鉆孔3號煤層均為采空區鉆孔,分析YC3-1為老空水分布區;異常區東側存在數條高壓線路,存在電磁噪聲,異常解釋可靠程度降低;YC3-2異常北側有鉆孔ZK2-3驗證3號煤層為采空區,此處煤層埋深較淺,2021年夏季降雨量較多,分析大氣降水通過采動地表塌陷或裂縫、開采煤層的頂板導水裂隙帶或地裂縫對采空區補給,分析YC3-2為老空水分布區;異常區地表有數條高壓線,異常解釋可靠程度降低;YC3-3位于2010—2012年3號煤層采空區范圍東側,分析YC3-3為老空水分布區;地表沒有干擾,異常解釋可靠程度高。YC3-4異常區西側緊挨鉆孔YB-3,3號煤層為采空區,分析YC3-4為老空水分布區;地表沒有干擾,異常解釋可靠程度高。YC3-5異常區位于井下生產巷道位置上方,推測異常可能為巷道積水引起。YC3-6異常位置有變電所、工業廣場等地表建筑,數條高壓線穿過異常區,形成很強的電磁干擾,推測異常可能為變電所、工業廣場等地表建筑電磁干擾引起。YC3-7異常位置處根據礦方反映正在進行探放水工作,相對低阻異常與探放水位置相吻合,分析異常為老空水分布區。YC3-8位于1995—1996年3號煤層采空區范圍東側,分享YC3-8為老空水分布區;地表沒有干擾,異常解釋可靠程度高。YC3-9位于1985—1988年3號煤層采空區范圍東側,分析YC3-9為老空水分布區;地表沒有干擾,異常解釋可靠程度高。YC3-10位于1983—1985年3號煤層采空區范圍,分析YC3-10為老空水分布區;在異常區北側存在一條高壓線路,存在電磁噪聲,異常解釋可靠程度降低。

綜上所述,3號煤層低阻異常區總面積約為188 284 m2,其中老空水分辨面積約為157 678 m2。此外,還確定了K5灰巖層富水區面積約為201 986 m2。K2灰巖層富水區總面積約為65 463 m2。

6 結論

(1)水文地質條件分析與地層電性的地球物理分析為勘探工作奠定了基礎,且前期試驗表明了開展瞬變電磁法與激電測深法的可行性,并優選了工作參數。

(2)瞬變電磁法勘探成果解釋出3號煤層低阻異常區10處,并同時識別了10處K5灰巖層異常區和7處K2灰巖層異常區。

(3)激電測深法進一步對瞬變電磁勘探成果進行了驗證,核實了3號煤層8處低阻異常區的存在,排除了2處干擾異常。同時核驗了7處K5灰巖層異常區和5處K2灰巖層異常區的存在。

(4)依據前期瞬變電磁勘探成果和后期激電測深的驗證情況,結合工程地質與水文地質分析,并考慮野外實際工況,共確定了8處3號煤層老空水分布區,并兼顧圈出7處K5灰巖層和K2灰巖層的富水區。