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(yīng)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(zāi)害,嚴重威脅著煤礦安全高效綠色生產(chǎn)[1-3]。近年來,煤礦水害所引發(fā)的事故災(zāi)害次數(shù)和人員傷亡均呈現(xiàn)為逐年下降的趨勢,但2021年局部反彈[4]。可見,煤礦水害問題依舊值得重點關(guān)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(chǎn)。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(shù)與鉆探技術(shù)[6],其中地球物理勘查技術(shù)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(yīng)用[7-8]。在眾多地球物理勘查技術(shù)中,瞬變電磁技術(shù)可以很好的反映介質(zhì)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(shù)進行相互驗證,由此衍生出水害綜合物探技術(shù)。基于此思路,在前期分析地質(zhì)、水文資料的基礎(chǔ)上,結(jié)合地球物理特征分析,通過瞬變電磁試驗確定探測設(shè)備、回線裝置與探測參數(shù),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(shè)備、回線裝置與探測參數(shù)的瞬變電磁法淺埋區(qū)復(fù)測和不同物探技術(shù)的直流電法復(fù)測,從而驗證前期成果,以提高礦井水文地質(zhì)勘探程度,夯實礦井防治水技術(shù)基礎(chǔ),進而為下一步安全高效綠色開采提供技術(shù)支撐。

1 地質(zhì)概況與地球物理特征

1.1 地質(zhì)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(xiàn)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(jīng)塌陷區(qū)、地裂縫、構(gòu)造裂隙、采動裂隙等導(dǎo)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(dǎo)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(xiàn)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(gòu)造的發(fā)育會造成地層不連續(xù),從而形成電性差異的現(xiàn)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(xiàn)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(shè)備、工藝裝置與探測參數(shù)。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(shè)備選用了國際應(yīng)用最為廣泛的V8電法系統(tǒng),采用大定源回線工藝裝置,試驗內(nèi)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(shù)見表2。

表1 地層巖性-電性

表2 試驗參數(shù)及結(jié)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(xiàn)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(xiàn)為視電阻率中高阻現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(yīng)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(shè)備、大定源回線裝置,以及探測參數(shù)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(zhì)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%。總體數(shù)據(jù)質(zhì)量較好,達到質(zhì)控標準,滿足后期處理與解釋。

3.2 探測成果分析

3.2.1 數(shù)據(jù)處理與解釋

采集的瞬變電磁數(shù)據(jù),經(jīng)前期預(yù)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(xiàn)為局部相對低阻現(xiàn)象。依據(jù)此特征,結(jié)合地質(zhì)、水文條件可圈定低阻積水、富水異常區(qū)。

以地質(zhì)分析為基礎(chǔ),結(jié)合實測數(shù)據(jù)數(shù)理統(tǒng)計,可確定低阻異常區(qū)閾值。根據(jù)視電阻率算術(shù)平均值與視電阻率標準偏差值的數(shù)學(xué)關(guān)系可以劃分5個級別。經(jīng)計算,δn為110 Ω·m,δn為90 Ω·m,五級分區(qū)結(jié)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(jù),根據(jù)物探劃分的異常區(qū)結(jié)合已有地質(zhì)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(shù)據(jù)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(jié)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(jié)合視電阻率數(shù)據(jù)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(xiàn)較大范圍的相對低阻異常,結(jié)合地質(zhì)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(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料分析,推測該處為K5灰?guī)r富水區(qū)。

依據(jù)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(nèi)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(jù)測線數(shù)據(jù)可生成三維成果數(shù)據(jù)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(xiàn)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(jīng)地質(zhì)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(shù)據(jù)質(zhì)量有所下降,解釋成果可靠性有所降低,后期復(fù)測需進一步驗證。

圖4 沿3號煤層視電阻率切片F(xiàn)ig.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(jié)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(fù)測驗證

針對前期探測成果,采用不同設(shè)備、裝置與參數(shù)的瞬變電磁法對南部淺埋區(qū)域進行復(fù)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(fù)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(fù)測,以不同方法驗證前期成果準確性。

4.1 瞬變電磁法復(fù)測

瞬變電磁法復(fù)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(shè)備、裝置與參數(shù)均區(qū)別前期瞬變電磁探測。

圖5為L2測線復(fù)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(fù)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(xiàn)較大范圍的相對低阻異常,復(fù)測結(jié)果表明3#YC8采空區(qū)積水應(yīng)當存在。

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

4.2 直流電法復(fù)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(fù)測,其中AB/2為200～300 m。探測點依據(jù)瞬變電磁解釋的低阻異常區(qū)數(shù)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(fù)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。可知該處視電阻率無明顯低阻變化,因此3#YC3低阻異常區(qū)不應(yīng)為煤層采空區(qū)積水,而是高壓線電磁干擾的假異常響應(yīng)。

圖6 L6測線600 m里程處直流電法復(fù)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(fù)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(xiàn)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(yīng)存在。

圖7 L18測線660 m里程處直流電法復(fù)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(fù)測結(jié)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(jié)論

(1)基于探測區(qū)地質(zhì)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(chǔ),優(yōu)選了瞬變電磁探測的設(shè)備、回線裝置和探測參數(shù)。

(2)瞬變電磁探測依據(jù)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(shè)備、回線裝置和探測參數(shù)的瞬變電磁法復(fù)測,以及不同物探技術(shù)的直流電法復(fù)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(zhì)資料與地球物理特征分析,以探測試驗優(yōu)選設(shè)備、回線裝置和探測參數(shù),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(shè)備、裝置和參數(shù)的瞬變電磁法復(fù)測和不同物探技術(shù)的直流電法復(fù)測,驗證探測成果,說明這一技術(shù)思路可行,具有較好的應(yīng)用價值。