TEM技術在淺埋多層采空區探測中的應用

雷鵬翔,魏新帥,茹 良

(陜西陜北礦業韓家灣煤炭有限公司,陜西 榆林 719315)

0 引言

隨著煤礦大規模高強度開采,淺部煤炭資源消耗殆盡。同時由于前期亂采濫挖,形成了眾多形態復雜,缺乏準確、詳細地質資料的小窯積水采空區。積水采空區賦存特征復雜,甚至會出現多層采空區重疊的現象[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范圍。瞬變電磁法是一種常用的積水采空區地球物理勘探方法,其具有對低阻體反映靈敏、野外施工速度快、對地質異常體的分辨能力較高等優點[4-6]。近年來,采用瞬變電磁探測煤礦積水采空區成為一項熱門技術,國內外眾多相關專家、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地球物探技術,基于該技術對低阻體物質有著較強的敏感性,尤為適合野外作業,能夠高可靠地分辨出地質異常體等。這些年,瞬變電磁探測煤礦積水采空區儼然成為時下熱點。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,結果表明推斷采空區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采空區地質及地球物理資料,總結了采空區的地球物理特征,并根據結果有針對性的設計了多組不同的施工參數開展試驗,形成了一整套技術路線,在后續的采空區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進行勘查,出色的完成了探測任務;李剛[10]結合地面瞬變電磁技術圍繞李村煤礦二采區頂底板富水區以及形態予以研究。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測。筆者以陜北礦業韓家灣煤礦為例,采用瞬變電磁正演模擬和約束反演技術進行多層采空區積水的精細探測。

1 測區概況與地球物理特征

探測對象是陜北礦業韓家灣煤礦,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范》(2017)相關計算公式分析可得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。

井田區域地層從老到新分別包括上三疊統永坪組(T3y)、直羅組(J2z)、全新統風積沙(Q4eol)。結合地質信息以及該礦的鉆孔電測井曲線可以確定當地地層電性從淺到深的主要呈現方式即“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的亥姆霍茲方程獲得諧變場,之后結合時-頻域轉換方式把頻率域的電磁場轉化至時間域形式。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形成過渡過程場,階躍波因為激發便捷、有效,得到廣泛認可。響應的關系式為

(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為

BZ(t)=

(4)

式(4)可采用線性數字濾波技術計算。

晚期瞬變電磁閥近場模式下,其視電阻率函數為

(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。由式(4)、式(5)、式(6)可求解得到瞬變電磁法視電阻率數值。

就探測區域內井田中的鉆孔信息予以梳理,構建與之對應的地電結構參數,地電模型如圖1所示。進行正演模擬計算,發射回線為320 m×320 m(考慮目標層埋深,參考以往勘探經驗,正演首選該參數),電流為10 A。

圖1 地電模型

理論模擬結果如圖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果,地層視電阻率從早(期)到晚(期)為由高至低的形態,采空積水地層模型視電阻率由早到晚呈現低高低的形態特點,中早期為典型的低阻響應。

圖2 正演數值模擬結果

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的取值模式。學者Zhdanov構建了一種結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果的方法,該方法可以在數據擬合效率不高的情況下,將正則化因子予以衰減以實現自適應[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。結合Occam反演模型的核心內容,可構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,模型電性層數定為30,結合對數等間隔離散每層的層厚,切實降低矩陣函數的病態性。

綜合地電模型中的第3層電性和層厚作為先驗系統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出四層電性結構,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層反演電阻率結果同給定的參數有著明顯的不同,給予第3層條件約束的情況下,該層的反演電阻率結果趨向給定的參數,每層的電性差異性提高,分層質量也有了極大的提升,反演的高阻層參數趨向給定的數值。

圖3 反演成果比較

4 施工布置及探測成果分析

4.1 施工布置與參數選擇

基于回線源瞬變電磁方法,針對采空區積水情況和煤層的頂板含水層富水情況展開探測,測線網格密度設計為40 m×20 m。線距、點距分別是40 m以及20 m,測線76條,發射回線邊長320 m,發射的電流約為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測線響應數據進行計算,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果。從圖5可看出視電阻率等值線相對穩定,卻無法反映探測位置的“低阻—高阻—低阻”地電結構特點,此外,圖內也難以直接的得到積水采空區和煤層頂板含水層富水區的低阻異常,電性分層表現并不理想,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據作為先驗系統進行計算,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煤層的頂板部分區域呈現明顯的低阻特征。

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。圖中回采大巷東側為現代化的綜采模式,2-2煤層已回采完畢,采空后地表出現許多的地裂縫,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。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。測區內4-2煤層為進行采掘工作,圈定的5處低阻異常區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采空區積水和含水層,后涌水量趨于穩定。綜上,可以證明此次電法勘探成果可靠。

圖8 3-1煤層低阻異常區平面

圖9 4-2煤層低阻異常區平面

5 結論

(1)根據地質資料與測區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據為先驗系統的TEM一維自適應Occam約束反演系統,該反演結論對初值的限制較少,規避了反演期間結果趨于局部極小值以及反演多解性等問題,提升了數據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。