復(fù)雜地形下瞬變電磁法探測(cè)多層采空區(qū)積水

李章波，陳　露

復(fù)雜地形下瞬變電磁法探測(cè)多層采空區(qū)積水

李章波1，陳露2

（1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院，重慶 400039， 2.西南石油大學(xué) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都610500）

根據(jù)井田構(gòu)造形態(tài)勘探線呈NE-SW向布置，瞬變電磁法測(cè)量采用40m×20m的網(wǎng)度400×400m發(fā)射線框，15A發(fā)射電流，8.333Hz發(fā)射頻率，420μ s采樣延遲時(shí)間等參數(shù)能夠取得最佳數(shù)據(jù)效果。資料處理時(shí)采用直接剔除畸變數(shù)據(jù)和非線性濾波兩種方法消除噪聲干擾，處理結(jié)果為5號(hào)煤層含水異常區(qū)有14個(gè)，其中2個(gè)富水性強(qiáng)，5個(gè)富水性中等；8號(hào)煤層含水異常區(qū)有10個(gè)，其中1個(gè)富水性強(qiáng)；1個(gè)富水性中等；富水性中等以上的區(qū)域面積為113 281m2。經(jīng)礦方實(shí)際掘進(jìn)證實(shí)了研究成果的準(zhǔn)確性。

瞬變電磁；多目標(biāo)層；老空水；技術(shù)參數(shù)

瞬變電磁法（TEM）是利用不接地回線向地下發(fā)射階躍波形電磁脈沖，激發(fā)地下導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)渦旋電流，在渦流電流激發(fā)的二次磁場(chǎng)沒(méi)有立即隨一次場(chǎng)的消失而消失時(shí)，及時(shí)接收二次磁場(chǎng)并研究其與時(shí)間的變化規(guī)律，從而確定地下目標(biāo)體的電性分布結(jié)構(gòu)及空間形態(tài)的地球物理勘探方法[1]-[5]。它具有探測(cè)深度大、體積效應(yīng)小、異常形態(tài)簡(jiǎn)單、分層能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，它對(duì)低阻充水?dāng)鄬?、充泥充水溶洞、破碎帶等不良地質(zhì)體反應(yīng)靈敏，易于探測(cè)出低弱的電阻率異常，可有效的區(qū)分采空區(qū)及含水區(qū)，因而在煤炭行業(yè)應(yīng)用廣泛。

探測(cè)研究區(qū)地理位置為東經(jīng)110°57′51″~110°59′56″，北緯37°41′03″~37°42′43″。為呂梁山系梁峁?fàn)钪械蜕近S土地貌，侵蝕切割強(qiáng)烈、沖溝發(fā)育，地形復(fù)雜、溝谷縱橫，不利于探測(cè)方法的實(shí)施和解譯。同時(shí)本次工作的目標(biāo)層為5號(hào)、8號(hào)煤層采空區(qū)，埋深跨度大（180~520m），噪聲干擾強(qiáng)。因而需要對(duì)探測(cè)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)和優(yōu)化選取。

1　地質(zhì)特征及其地球物理特性

1.1地形地貌

探測(cè)區(qū)屬呂梁山系，井田內(nèi)大部被黃土所覆蓋，黃土層受強(qiáng)烈的侵蝕切割，形成為典型的梁峁?fàn)钪械蜕近S土地貌，地形復(fù)雜、溝谷縱橫，地勢(shì)總體呈現(xiàn)為北高南低，最高點(diǎn)位于井田西南部，標(biāo)高+1 114.6m，最低點(diǎn)位于井田中部的溝谷，標(biāo)高+885.0m，最大相對(duì)高差229.60m。

1.2地質(zhì)特征

探測(cè)區(qū)地表大部區(qū)域?yàn)辄S土覆蓋，基巖零星出露。井田內(nèi)發(fā)育的地層由老至新有：奧陶系中統(tǒng)峰峰組灰?guī)r、泥灰?guī)r、泥巖、角礫狀灰?guī)r；石炭系中統(tǒng)本溪組鐵鋁巖、灰?guī)r、泥巖、砂巖；上統(tǒng)太原組石英砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖及煤層；二疊系下統(tǒng)山西組砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖及煤層；石盒子組中細(xì)粒砂巖、灰綠色泥巖、砂質(zhì)泥巖；上第三系上新統(tǒng)粘土、亞粘土（含鈣質(zhì)結(jié)核層）；第四系中上更新統(tǒng)黃土；全新統(tǒng)砂礫石。

5號(hào)煤層位于山西組，埋深約180～200m，平均厚度7.21m；8號(hào)、9號(hào)煤層位于太原組，埋深約280～320m，平均厚度分別為3.21m、3.78m，8號(hào)煤層上距5號(hào)煤層約47m。

1.3地層地球物理特性

一般而言，灰?guī)r、煤層、礫石層、中粗砂巖、粉砂巖、泥巖電阻率依次降低，煤層的電阻率略高泥灰?guī)r[2-5]。在橫向上，煤系地層導(dǎo)電性具有均一性，當(dāng)煤層中出現(xiàn)采空區(qū)時(shí)，則表現(xiàn)為異常高阻，當(dāng)采空區(qū)充水時(shí)，則表現(xiàn)為異常低阻；通過(guò)對(duì)比探測(cè)到的電阻率的變化、異常，可得到異常分布形態(tài) ，進(jìn)從而達(dá)到探測(cè)采空區(qū)和老空水的目的[2]-[5]。

探測(cè)區(qū)地層的電性特征表、圖1所示。

勘探區(qū)地層巖性、厚度及電阻率一覽表

2　工作參數(shù)研究

圖1　鉆孔柱狀圖與旁側(cè)測(cè)點(diǎn)視電阻率曲線對(duì)比圖

不同的探測(cè)區(qū)、不同的埋深、不同的地質(zhì)背景、不同的目的層與探測(cè)目標(biāo)層數(shù)需選擇不同的工作參數(shù)，合理的工作參數(shù)是完成探測(cè)目的的關(guān)鍵因素。本次選取45個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)研究，檢查物理點(diǎn)61個(gè)。

2.1發(fā)射線框規(guī)格

一般而言發(fā)射線框面積越大，探測(cè)深度越深，但縱向分辨率隨之降低，同時(shí)降低施工效率。本次工作目的層埋深180m～320m，故選擇邊長(zhǎng)為200×200m和400 ×400m的發(fā)射線框進(jìn)行優(yōu)選。

采用同頻率25Hz、同發(fā)射電流15A、同采樣時(shí)間3min對(duì)邊長(zhǎng)200m×200m和400m× 400m的發(fā)射邊框進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果（圖2）表明兩種發(fā)射線框的起始有效數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)間相同，400×400m線框的最后一個(gè)有效數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)間比200×200m線框的晚十幾毫秒，說(shuō)明前者對(duì)于晚期信號(hào)的干擾壓制效果好，能取得時(shí)間窗口更寬的原始數(shù)據(jù)，提高了勘探深度。因而應(yīng)采用400×400m規(guī)格的發(fā)射線框。

2.2發(fā)射電流

圖2　發(fā)射線框?qū)Ρ仍囼?yàn)圖

圖3　發(fā)射電流對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

一般而言發(fā)射電流越大，一次場(chǎng)的影響越深，激發(fā)的二次場(chǎng)的強(qiáng)度也越大、持續(xù)時(shí)間也越久、勘測(cè)深度也更深。在發(fā)射線框?yàn)?00×400m，同發(fā)射頻率、同采樣時(shí)間為3min時(shí)，對(duì)10A和15A的發(fā)射電流進(jìn)行比選，結(jié)果如圖3所示。當(dāng)發(fā)射電流為10A時(shí)（圖3a），原始衰減曲線末端數(shù)據(jù)出現(xiàn)蹦跳，數(shù)據(jù)離差較大，5Hz晚期道甚至出現(xiàn)負(fù)值（空缺，曲線不顯示）；而15A時(shí)（圖3b）晚期信號(hào)光滑、連續(xù)?？梢?jiàn)，發(fā)射電流為10A時(shí)激發(fā)的二次場(chǎng)強(qiáng)度不夠，不能有效的壓制晚期信號(hào)的干擾，因而選擇發(fā)射電流為15A。

2.3發(fā)射頻率

發(fā)射頻率影響充電時(shí)間和量測(cè)時(shí)間，發(fā)射頻率低，充電時(shí)間和量測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，能接收到更深的信號(hào)（晚期信號(hào)），但淺部分辨率低；發(fā)射頻率高，充電時(shí)間和量測(cè)時(shí)間短，晚期信號(hào)效果差，但淺部分辨率高。在同發(fā)射線框（400×400m）、同發(fā)射電流（15A）、同采樣時(shí)間（3min）的情況下，對(duì)25Hz、8.333Hz和5Hz三種發(fā)射頻率進(jìn)行比選，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，發(fā)射頻率為25Hz時(shí)在100m深度處信號(hào)較密集，對(duì)淺部探測(cè)分辨率較高；發(fā)射頻率為8.333Hz和5Hz時(shí)，200m～400m深度處信號(hào)較密集，能很好的探測(cè)中深部目的層，但發(fā)射頻率為5Hz晚期信號(hào)強(qiáng)度低于背景噪聲，抗干擾能力差。根據(jù)本次工作目的層的埋深情況（180m-320m），最終確定發(fā)射頻率為8.333Hz。

2.4采樣延遲研究

采樣延遲影響不同深度信號(hào)的接收，采樣延遲越大采集的深部信息越可靠，在同發(fā)射邊框（400m× 400m）、同發(fā)射電流（15A）、同發(fā)射頻率（8.333Hz）情況下對(duì)采樣延遲時(shí)間為380μ s、400μ s、420μ s、440μ s進(jìn)行比選試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，可見(jiàn)380μ s、400μ s的采樣延遲信號(hào)很不穩(wěn)定，440μ s的采樣延遲信號(hào)衰減較快，420μ s的采樣延遲信號(hào)穩(wěn)定，故選擇采樣延遲時(shí)間為420μ s。

圖4　發(fā)射頻率對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

圖5　采樣延遲對(duì)比試驗(yàn)曲線圖

3　現(xiàn)場(chǎng)工作

3.1儀器設(shè)備

現(xiàn)場(chǎng)儀器采用加拿大鳳凰地球物理公司研制的第八代多功能電法系統(tǒng)（V8），由發(fā)射系統(tǒng)、采集（接收）系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、數(shù)據(jù)記錄處理系統(tǒng)組成；具有3個(gè)磁道、3個(gè)電道， 頻率范圍10 000Hz-0.000 05Hz （20000秒），工作溫度-20℃-+50℃；采用GPS同步，當(dāng)GPS信號(hào)不好時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)晶振時(shí)鐘會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)同步；采用24位A/D轉(zhuǎn)換器，可保持最高動(dòng)態(tài)范圍和分辨率；可接收多頻點(diǎn)信號(hào)，提高了測(cè)量垂向分辨率和勘探精度；可高精度同步疊加、掃頻，任意增加疊加次數(shù)和掃頻時(shí)間；采用大功率發(fā)射機(jī)，頻率高，可有效的避免干擾信號(hào)。

3.2測(cè)線布置

探測(cè)區(qū)地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)為一走向北東、向北西緩傾的單斜，褶曲不發(fā)育，地層走向變化不大，地層傾角為5°~8°。因此本次工作勘探線沿NE-SW向展布，采用40m×20m網(wǎng)度進(jìn)行一次高密度面性量測(cè)，以提高對(duì)中小異常的分辨能力。

本次工作布置測(cè)線58條，剖面總長(zhǎng)23 260m，測(cè)線物理點(diǎn)1 212個(gè)，另有檢查物理點(diǎn)61個(gè)，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)45個(gè)。

4　資料處理

圖6　資料處理流程圖

4.1技術(shù)措施與流程

探測(cè)區(qū)為黃土覆蓋的丘陵地貌，沖溝縱橫，交通繁忙，干擾噪聲大，因而采用直接剔除畸變數(shù)據(jù)和非線性濾波兩種方法進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。最終采用TEMPRO及IX1D瞬變電磁法處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理主要流程如圖6所示。

4.2資料解釋

資料解釋采取以下步驟：①解析多測(cè)道斷面圖和對(duì)應(yīng)的視電阻率斷面圖；②將視電阻率、視深度做成一個(gè)瞬變電磁測(cè)深的三維數(shù)據(jù)體，根據(jù)從不同角度切取的視電阻率等值線平面圖進(jìn)行富水異常的綜合解釋?zhuān)虎廴Τ龊惓А?/p>

1）多測(cè)道曲線：根據(jù)二次感應(yīng)電壓表現(xiàn)為中間高兩側(cè)低的倒“U”形或倒“V”形特征解譯含水異常體，富水性越強(qiáng)，中間高與兩側(cè)低的變化幅度越大（圖7）。

2）等視電阻率斷面圖：當(dāng)采空區(qū)或裂隙帶充水時(shí)，導(dǎo)電性加強(qiáng)，在電法剖面圖上表現(xiàn)為局部高電導(dǎo)、低電阻異常，視電阻率等值線上表現(xiàn)為“高-低-高”或圈閉狀低阻異常。

3）視電阻率順層水平切面圖：多測(cè)道曲線和等視電阻率斷面均是從測(cè)線剖面上進(jìn)行的解釋?zhuān)纯紤]含水體的平面聯(lián)系，一般情況下，同一分布穩(wěn)定、完整的層位其電阻率值變化不大，反映在視電阻率圖上即等值線分布均勻、平緩；反之，若局部地層為富水和含導(dǎo)水構(gòu)造區(qū)域，電性的均勻分布規(guī)律被打破，在順層切片圖上異常區(qū)就會(huì)呈現(xiàn)視電阻率值減小、等值線扭曲、變形圈閉或呈密集條帶狀等。

4.3地質(zhì)成果

5號(hào)、8號(hào)煤層探測(cè)結(jié)果如圖9所示（藍(lán)色為富水區(qū)），由圖9可知，5號(hào)含水異常區(qū)域14個(gè)，其中強(qiáng)含水異常區(qū)2個(gè)（深藍(lán)色）、中等含水異常區(qū)5個(gè)（淺綠色區(qū)域）、弱含水異常區(qū)7個(gè)（黑色圈定區(qū)域），強(qiáng)含水區(qū)面積22 563m2，中等含水區(qū)面積83 898m2，弱含水區(qū)面積69 535m2；8號(hào)含水異常區(qū)域10個(gè)，其中強(qiáng)含水異常區(qū)個(gè)（深藍(lán)色）、中等含水異常區(qū)個(gè)（淺綠色區(qū)域）、弱含水異常區(qū)8個(gè)（黑色圈定區(qū)域），強(qiáng)含水區(qū)面積3 587m2，中等含水區(qū)面積3 233m2，弱含水區(qū)面積37 005m2。

圖7　多測(cè)道曲線含水異常示意圖

圖8　含水異常的瞬變電磁等視電阻率斷面圖

5　結(jié)論

1）由于場(chǎng)地地形起伏大，溝壑縱橫，對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)射線框邊長(zhǎng)為400×400m即可有效的壓制晚期信號(hào)的干擾，再放大線框邊長(zhǎng)已無(wú)必要且影響施工效率。

2）考慮探測(cè)深度的要求和信號(hào)干擾的因素，瞬變電磁供電電流為15A時(shí)探測(cè)效果較好。

3）本次勘探目的層深度180~320m，對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)發(fā)射頻率為8.333Hz時(shí)對(duì)目標(biāo)層探測(cè)的分辨率較高，抗干擾能力強(qiáng)。

4）為了采集到可靠的深部信息，采樣延遲時(shí)間選擇為420μ s。

5）工區(qū)溝壑縱橫，交通繁忙，干擾信號(hào)多且較強(qiáng)，因而在數(shù)據(jù)處理時(shí)采用直接剔除畸變數(shù)據(jù)和非線性濾波兩種方法。

6）通過(guò)實(shí)驗(yàn)選擇的以上瞬變電磁法參數(shù)，在研究礦井取得了良好的地質(zhì)效果?？碧浇Y(jié)果表明，工區(qū)內(nèi)5號(hào)煤層含水異常區(qū)有14個(gè)，其中2個(gè)富水性強(qiáng)，5個(gè)富水性中等；8號(hào)煤層含水異常區(qū)10個(gè)，其中1個(gè)富水性強(qiáng)，1個(gè)富水性中等。

7）成果驗(yàn)證：在勘探研究報(bào)告提交半年后，據(jù)礦方反饋，在掘進(jìn)8101運(yùn)輸巷時(shí)，在8號(hào)煤層II號(hào)含水異常區(qū)外圍警戒線發(fā)現(xiàn)巖壁潮濕，打超前鉆，20m見(jiàn)老空（鉆桿推進(jìn)速度明顯加快），22m見(jiàn)煤，25m見(jiàn)木屑卡鉆終孔，涌水量1.35m3每小時(shí)。表明本次勘探在研究礦井取得了良好的地質(zhì)效果，有效的指導(dǎo)了礦井巷道開(kāi)拓，為煤礦安全生產(chǎn)提供了參考資料。

圖9　煤順層切片立體圖（上圖5號(hào)煤層，下圖8號(hào)煤層）

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The Application of TEM to the Detection of Multilayer Goaf Water under Condition of Complex Landform

LI Zhang-bo1CHEN Lu2
（Chongqing Research Institute， China Coal Technology & Engineering Group， Chongqing400039；2-Institute of Earth Science and Technology， Southwest Petroleum University， Chengdu610500）

the feasibility tests and the optimal selection of emission frame size， emission current， emission frequency， sampling delay time， exploration line arrangement， and data processing techniques are taken in order to detect the deeply buried and multi-layer goaf water under condition of complex landform by the TEM. The results show that it is efficient that the emission frame size is 400×400m， the ?emission current is 15A， the emission frequency is 8.333Hz， the ?sampling delay time 420μs. The Exploration line was arranged NE-SW direction according to the structural form in the mine field. Detection results show that there are 14 abnormal aqueous areas in the fifth coal seam area， 2 among which are strong rich water areas and 5—medium rich water areas. There are 10 abnormal aqueous areas in the eighth coal seam area， one among which is strong rich water areas and one medium rich water areas. The total size of medium to strong rich water areas is 113281m2. The mine actual excavation confirms the accuracy of the research results.

complex landform； multi-target layer； TEM； goaf water； technical parameter

P631,3+25

A

1006-0995（2015）03-0443-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2015.03.030

2014-05-29

李章波（1983-）男，四川內(nèi)江人，工程師，主要從事煤礦防治水方面物探工作