基于瞬變電磁法和同位素測(cè)氡法的煤層綜合探測(cè)

商宇航， 劉春雨， 邰振華， 劉世明， 杜添添

(1.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院, 哈爾濱 150022; 2.黑龍江省煤田地質(zhì)物測(cè)隊(duì), 哈爾濱 150001)

楊澗煤礦位于寧武煤田北部，屬兼并重組煤礦，含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組，主要巖性為灰白，淺灰色粗粒砂巖、中粒砂巖，深灰色細(xì)粒砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖及煤組成，水平、波狀和斜層理發(fā)育。共含煤層21層，其中穩(wěn)定可采煤層8層，分別為3#、8#、10#、11#、12-1#、12-2#、13#、15#煤層。

同位素測(cè)氡法確定的是平面異常，無(wú)法確定深度，但其基本不受電磁場(chǎng)及居民區(qū)干擾，可以彌補(bǔ)瞬變電磁法的不足[1-4]。筆者采用瞬變電磁法和同位素測(cè)氡法聯(lián)合約束的基本模式對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行綜合勘探，推斷3#和8#煤層采空區(qū)、富水區(qū)及采空積水區(qū)的位置，為下部煤層安全開采提供地質(zhì)依據(jù)。

1 瞬變電磁法和同位素測(cè)氡法基本原理

1.1 瞬變電磁法

不同的巖層具有不同的導(dǎo)電性，進(jìn)而表現(xiàn)為具有不同的電阻率。一般情況下，泥巖、中粗砂巖、礫巖、煤層、灰?guī)r其電阻率值依次增高，但泥灰?guī)r電阻率略低于煤層電阻率。煤系地層和奧灰?guī)r地層均屬于沉積地層，空間分布為層狀分布，地層致密完整時(shí)橫向?qū)щ娦跃鶆蚍植?，而不同橫向坐標(biāo)的縱向?qū)щ娦宰兓?guī)律相近[5-7]。如果巖層中有充水裂隙或巖溶存在，水體的導(dǎo)電性較好，與圍巖產(chǎn)生電性差異，巖層的電阻率隨裂隙水、巖溶水的礦化度與飽和度升高而降低[8]。煤層開采后，形成采空區(qū)，巖體發(fā)生不同程度的破壞和變形，致使采空區(qū)上部地層的地球物理特征發(fā)生顯著變化[9-10]。從瞬變電磁勘探的角度，可將采空區(qū)分為未充水和充水兩種情況分析：當(dāng)采空區(qū)未充水時(shí)，其電阻率明顯高于圍巖的電阻率；當(dāng)采空區(qū)充水時(shí)，由于地下水富含各種離子，受外界激發(fā)后，局部導(dǎo)電性增加，電阻率將明顯低于圍巖電阻率[11]。圖1為瞬變電磁激發(fā)原理。

圖1 瞬變電磁激發(fā)原理示意

由圖1可見，在地表敷設(shè)不接地線框，輸入階躍電流，當(dāng)回線中電流突然斷開時(shí)，在地下半空間將激起感應(yīng)渦流以維持?jǐn)嚅_電流前已存在的磁場(chǎng)，并且此渦流場(chǎng)隨時(shí)間以等效渦流環(huán)的形式向下、向外傳播。利用不接地線圈或地面中心探頭觀測(cè)二次渦流磁場(chǎng)或電場(chǎng)的變化情況，能夠反映出淺層至中深層的地電結(jié)構(gòu)。

圖2概述了瞬變電磁法的數(shù)據(jù)處理與解釋流程，且處理和解釋始終同步進(jìn)行。當(dāng)測(cè)區(qū)存在人為干擾時(shí)，需采用低通濾波壓制噪聲等高頻干擾。而后，依次做時(shí)間校正、視電阻率計(jì)算和時(shí)深轉(zhuǎn)換等基礎(chǔ)處理，計(jì)算出視電阻率和視深度。

圖2 瞬變電磁法數(shù)據(jù)處理流程

視電阻率計(jì)算公式為：

(1)

式中:μ0——磁導(dǎo)率；

t——時(shí)窗時(shí)間；

m——發(fā)射磁矩；

q——接收線圈的有效面積；

V(t)——感應(yīng)電壓。

視縱向電導(dǎo)Sτ和視深度hτ的計(jì)算表達(dá)式為

(2)

(3)

式中:V(t)/I——?dú)w一化感應(yīng)電壓；

A——發(fā)射回線面積；

d(V(t)/I)/dt——?dú)w一化感應(yīng)電壓對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)。

后續(xù)的正、反演計(jì)算采用迭代模式完成，不斷修改地電模型，直至模擬電性曲線與實(shí)際電性曲線的擬合度達(dá)到預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，最后形成能夠有效反映地下電性分布的視電阻率斷面圖[12]。若要顯示煤層或者目標(biāo)層的橫向電性差異，可使用相應(yīng)層位的視電阻率繪制順層平面圖。

1.2 同位素測(cè)氡法

氡(222Rn)是鈾系的子體，也是唯一呈氣態(tài)的惰性氣體，可以由地下深部遷移至地表，并攜帶出地層深部信息。氡衰變過(guò)程釋放出α粒子。α粒子減速后形成大量氡核，可將氡及其子體極化，并在電場(chǎng)力和范德華力的作用下，與氡及其子體相互作用形成“團(tuán)簇”，如圖3所示。當(dāng)“團(tuán)簇”結(jié)合的氦核達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，氡就將隨之向上運(yùn)移，形成明顯的向上運(yùn)移氣流。

圖3 He和Rn形成“團(tuán)簇”示意

氡氣濃度與巖性存在一定的關(guān)系，如放射性物質(zhì)含量較高的巖漿巖，氡值較高，而沉積巖的氡值較低。煤層開采形成大面積采空區(qū)，促使地質(zhì)體發(fā)生變形，從而改變了地下氣體的運(yùn)移與集聚環(huán)境，放射性氡氣通過(guò)采空區(qū)的儲(chǔ)氣、集氣及通道作用，向采空區(qū)運(yùn)移、集聚，在地表形成一個(gè)與采空區(qū)形態(tài)相對(duì)應(yīng)的氡氣異常區(qū)。因此，測(cè)量地表氡元素的濃度(實(shí)際是測(cè)量氡及其子體衰變所釋放的射線的強(qiáng)度)，可以用于圈定采空區(qū)的平面位置。

2 探測(cè)工作量與質(zhì)量評(píng)價(jià)

2.1 瞬變電磁法工作量與質(zhì)量評(píng)價(jià)

瞬變電磁勘探在全區(qū)均勻布設(shè)測(cè)點(diǎn)，構(gòu)成線距20 m、點(diǎn)距20 m的測(cè)網(wǎng)。實(shí)際完成3 804個(gè)測(cè)點(diǎn)(包含336個(gè)干擾點(diǎn))、質(zhì)量檢查點(diǎn)156個(gè)(干擾區(qū)質(zhì)量檢查點(diǎn)13個(gè))，完成試驗(yàn)點(diǎn)238個(gè)、試驗(yàn)物理點(diǎn)851個(gè)(干擾區(qū)內(nèi)65個(gè))，總計(jì)完成物理點(diǎn)4 811個(gè)，覆蓋1.458 85 km2。

全區(qū)測(cè)深點(diǎn)已經(jīng)過(guò)三級(jí)質(zhì)量驗(yàn)收。其中，對(duì)非干擾區(qū)測(cè)點(diǎn)(3 468個(gè))進(jìn)行評(píng)級(jí)，甲級(jí)測(cè)點(diǎn)2 942個(gè)，乙級(jí)測(cè)點(diǎn)526個(gè)，甲級(jí)率84.83%，乙級(jí)率15.17%。

依據(jù)《地面瞬變電磁法技術(shù)規(guī)程》(DZ/T 0187—1997)，質(zhì)量評(píng)價(jià)主要以系統(tǒng)檢查觀測(cè)來(lái)衡量。

全區(qū)各檢查點(diǎn)上各觀測(cè)道的均方誤差M計(jì)算公式為：

(4)

式中：Nj(ti)——第j點(diǎn)第i測(cè)道原始觀測(cè)數(shù)據(jù)；

Nj′(ti)——第j點(diǎn)第i測(cè)道系統(tǒng)檢查觀測(cè)數(shù)據(jù)；

n——參加統(tǒng)計(jì)計(jì)算的測(cè)道數(shù)。

質(zhì)量檢查143個(gè)，占野外資料采集數(shù)據(jù)(除336個(gè)受高壓線影響的點(diǎn)外)的4.12%，總均方相對(duì)誤差為6.36%，數(shù)據(jù)質(zhì)量符合《煤炭電法勘探規(guī)范》(MT/T898—2000)及《設(shè)計(jì)》要求。

2.2 同位素測(cè)氡法工程及數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)

本次采用TYHC-1活性炭測(cè)氡儀進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)，同位素測(cè)氡法以網(wǎng)狀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，線距40 m，點(diǎn)距20 m，共布置31條測(cè)線(2條重復(fù)觀測(cè)線)，測(cè)點(diǎn)1 287個(gè)(重復(fù)觀測(cè)點(diǎn)84個(gè)，室內(nèi)重復(fù)測(cè)量點(diǎn)77個(gè))。

室外質(zhì)量檢查通過(guò)重復(fù)測(cè)量完成。在同一條線的相同點(diǎn)位置重復(fù)布設(shè)活性炭吸附器，將兩次測(cè)氡數(shù)據(jù)對(duì)比分析，結(jié)果表明，測(cè)量數(shù)據(jù)整體形態(tài)基本一致，每點(diǎn)的氡值差異在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)，氡值異常區(qū)范圍相近，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可信。室內(nèi)以系統(tǒng)檢查觀測(cè)來(lái)衡量，質(zhì)量檢查點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)符合放射性測(cè)量的統(tǒng)計(jì)漲落規(guī)律。放射性測(cè)量數(shù)據(jù)服從泊松分布，滿足下列關(guān)系式，即

(5)

檢查點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量誤差的衡量公式為

(6)

式中，σ——均方誤差。

相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差計(jì)算公式為

(7)

式中：nc——放射源加本底時(shí)的計(jì)數(shù)率；

nb——本底的計(jì)數(shù)率；

tb——確定nb所花費(fèi)的時(shí)間；

tc——確定nc所花費(fèi)的時(shí)間。

本次同位素測(cè)氡法野外重復(fù)觀測(cè)點(diǎn)84個(gè)，占全區(qū)設(shè)計(jì)物理點(diǎn)總數(shù)的7.0%；室內(nèi)共施工檢查點(diǎn)77個(gè)，占全區(qū)觀測(cè)工作點(diǎn)總數(shù)的6.4%，均符合規(guī)范要求。

3 資料解釋

3.1 視電阻率與同位素測(cè)氡對(duì)比分析

選擇研究區(qū)內(nèi)兩條較為典型的地電斷面(161線、185線)進(jìn)行詳細(xì)分析與解釋。斷面中等值線顏色從藍(lán)色—青色—淡紫羅蘭色—橙色—紅色的漸變，代表了視電阻率由低—較低—較高—高的漸變過(guò)程。

3.1.1 161線

圖4是161線視電阻率斷面(黑粗線為煤層底板)，圖5為161線測(cè)氡曲線。

圖4 161線瞬變電磁視電阻率擬斷面

圖5 161線測(cè)氡剖面

從縱向上看，由淺部到深部視電阻率值基本為“低—高—低”的變化特征，符合相應(yīng)地層的電性分布特征。從橫向上看，3#煤層底板附近，1 420—1 600段和1 640—2 000段為視電阻率低值區(qū)，幅值小于98.9 Ω·m，推斷為采空積水區(qū)，2 020—2 240段為視電阻率高值區(qū)，幅值105～140 Ω·m，推斷為采空區(qū)；8#煤層底板附近，1 420—1 680段、1 780—1 860段及2 020—2 240段均處于高值區(qū)，視電阻率值為105～140 Ω·m，推斷為采空區(qū)。

在圖5中，1 260—1 620號(hào)點(diǎn)段氡值較高，均超過(guò)600個(gè)計(jì)數(shù)/3 min，且波動(dòng)較大，僅1 400和1 540測(cè)點(diǎn)氡值低于異常下限值，但不影響曲線整體形態(tài)，根據(jù)已有地質(zhì)資料和礦方提供的采掘資料，推斷為采空區(qū)。

3.1.2 185線

圖6為185線視電阻率斷面，圖7為185線測(cè)氡曲線。從縱向上看，由淺部到深部視電阻率值基本呈現(xiàn)“低—高—低”的變化特征，符合相應(yīng)地層的電性分布特征。從橫向上看，采用與161線相同的推斷方法，在3#煤層底板附近，1 240—1 600段、1 640—1 860段及1 920—2 060段為采空積水區(qū)；在8#煤層底板附近，1 240—1 560段和1 940—2 060段為采空積水區(qū)，1 600—1 700段為采空區(qū)。

在圖7中，1 420—1 600號(hào)點(diǎn)段、1 660—1 760號(hào)點(diǎn)段及1 820—2 020號(hào)點(diǎn)段氡值較高，均超過(guò)600個(gè)計(jì)數(shù)/3 min，且波動(dòng)較大，僅個(gè)別測(cè)點(diǎn)氡值低于異常下限值，不影響曲線整體形態(tài)，推斷為采空區(qū)。

圖6 185線瞬變電磁視電阻率擬斷面

圖7 185線測(cè)氡剖面

3.2 順層視電阻率分析

圖8為3#煤層順層視電阻率切片，勘探區(qū)北部以低阻為主，南部主要為高阻區(qū)。結(jié)合實(shí)際開采資料，將視電阻率大于150 Ω·m的區(qū)域劃為3#煤層采空區(qū)；將視電阻率值為75.0～98.9 Ω·m的區(qū)域劃分為富水區(qū)，將視電阻率值小于75 Ω·m的區(qū)域劃分為采空積水區(qū)。

圖8 3#煤層順層視電阻率切片

圖9為8#煤層順層視電阻率切片，幅值同樣呈現(xiàn)北低南高的特征。

圖9 8#煤層順層視電阻率切片

結(jié)合實(shí)際開采資料，將視電阻率值大于150 Ω·m的區(qū)域劃為8#煤層采空區(qū)；將視電阻率值為75.0～98.9 Ω·m的區(qū)域劃分為富水區(qū)，將視電阻率值小于75.0 Ω·m的區(qū)域劃分為采空積水區(qū)。

3.3 同位素測(cè)氡濃度平面特征分析

同位素測(cè)氡法以氡氣濃度等值線為分析依據(jù)，與瞬變電磁綜合解釋，如圖10所示。反映了勘探區(qū)內(nèi)同位素氡氣濃度分布特征。依據(jù)各測(cè)氡曲線異常帶的劃定結(jié)果、生成同位素氡氣濃度的平面分布特征，結(jié)合瞬變電磁勘探解釋結(jié)果，將氡值大于650個(gè)計(jì)數(shù)/3 min以上的區(qū)域劃為采空區(qū)。對(duì)比順層視電阻率與氡氣濃度區(qū)域特征，推測(cè)的采空區(qū)位置基本一致，可信度較高。

圖10 勘探區(qū)內(nèi)氡氣濃度分布平面

3.4 煤層綜合推斷成果圖

依據(jù)瞬變電磁法與同位素測(cè)氡技術(shù)的斷面、平面解釋結(jié)果，分別得到3#煤層、8#煤層的綜合推斷成果圖見圖11、圖12。圖中，紅色網(wǎng)格區(qū)域?yàn)椴煽諈^(qū)，青色網(wǎng)格區(qū)域?yàn)楦凰畢^(qū)，藍(lán)色網(wǎng)格區(qū)域?yàn)椴煽辗e水區(qū)。采空區(qū)為CK，采空積水區(qū)為CKJS，富水區(qū)為FS，由上到下、由左到右進(jìn)行編號(hào)。綜合分析3#、8#煤層視電阻率與氡濃度分布特征，圖11圈定了3#煤層采空區(qū)3處，采空積水區(qū)1處，富水區(qū)4處；圖12圈定了8#煤層采空區(qū)4處，采空積水區(qū)2處，富水區(qū)6處。本次圈定的采空區(qū)與現(xiàn)存的地質(zhì)、采掘資料基本吻合，部分采空積水區(qū)和富水區(qū)得到了生產(chǎn)驗(yàn)證，推斷成果可信度較高。

圖11 3#煤層綜合推斷成果圖

圖12 8#煤層綜合推斷成果圖

4 結(jié)束語(yǔ)

闡述了瞬變電磁法和同位素測(cè)氡法的測(cè)量原理，并將兩種方法綜合應(yīng)用于楊澗煤礦3#、8#煤層，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理，獲得了各測(cè)線的視電阻率擬斷面圖、順煤層等值線圖及氡氣濃度分布平面圖。結(jié)合地質(zhì)資料，推斷3#、8#煤層的采空區(qū)、積水區(qū)、富水區(qū)分布情況，部分推測(cè)結(jié)果得到了實(shí)際生產(chǎn)的證實(shí)。本研究成果可為整合井田的采空區(qū)治理、災(zāi)害預(yù)測(cè)和開拓設(shè)計(jì)提供地質(zhì)依據(jù)。