大定源回線裝置瞬變電磁法在淺層煤礦采空區(qū)勘查中的應(yīng)用

李正，龐成寶，高曉豐，譚秀全，竇文童

(1.山東省魯南地質(zhì)工程勘察院,山東省地勘局第二地質(zhì)大隊(duì)，山東 兗州 272000；2.山東省物化探勘查院，山東 濟(jì)南 250013)

0 引言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，土地資源日益緊張，煤礦采空區(qū)土地成為可持續(xù)發(fā)展的重要資源，地下采空與地上建設(shè)間的矛盾也日益尖銳。為了緩解這一矛盾，需對(duì)采煤塌陷形成的源頭——“地下采空區(qū)”開(kāi)展調(diào)查及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)工作[1]。在搜集資料和分析研究的基礎(chǔ)上，采取物探、鉆探及巖石力學(xué)試驗(yàn)等工作手段，開(kāi)展采空區(qū)勘查工作，并依據(jù)勘查工作成果結(jié)合城市規(guī)劃功能分區(qū)完成采空區(qū)適宜性評(píng)價(jià)工作，為城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)土地資源的開(kāi)發(fā)利用提出合理化建議。

瞬變電磁法是物探技術(shù)中電磁法常用手段之一[2-3]，具有成本低、體積效應(yīng)小、橫向分辨率高、與探測(cè)目標(biāo)體耦合性佳等顯著特點(diǎn)[4-7]，被認(rèn)為是探測(cè)煤碳采空區(qū)位置最佳物探方法之一。自20世紀(jì)30年代以來(lái)，瞬變電磁法被提出并應(yīng)用于地質(zhì)勘探，基本建立了瞬變電磁法野外施工的方法技術(shù)和資料處理與解釋的理論。我國(guó)在上世紀(jì)末開(kāi)始了瞬變電磁法的相關(guān)研究，進(jìn)行了大量科研工作。近20年，瞬變電磁法進(jìn)入了高速發(fā)展和廣泛應(yīng)用階段。2007年，王慶乙提出瞬變電磁法的探測(cè)深度主要取決于激勵(lì)源基頻的大小，基頻越低，周期越大，能探測(cè)到的深度越大[8]。2013年，吳信民等提出了瞬變電磁法理論探測(cè)深度的概念，具體是指在各種假設(shè)條件下，從理論上計(jì)算出能夠有效分辨地質(zhì)異常體的最大深度[9]。2017年，蒙超對(duì)大回線瞬變電磁法應(yīng)用于淺層探測(cè)進(jìn)行了研究，通過(guò)正演模擬，說(shuō)明晚期時(shí)間道信號(hào)包含淺部地層的地質(zhì)信息，瞬變電磁法沒(méi)有理論勘探盲區(qū)，并進(jìn)行了淺層探測(cè)試驗(yàn)，取得了一定的效果[10]。

本文基于前人的研究，為查清淺層煤礦采空區(qū)的展布及規(guī)模，使用大定源回線瞬變電磁法在研究區(qū)地面進(jìn)行實(shí)際施工測(cè)量，分析處理測(cè)得的數(shù)據(jù)后可以較直觀地反映地質(zhì)情況并做出判斷，為進(jìn)一步指導(dǎo)鉆孔布設(shè)和開(kāi)展巖石力學(xué)研究提供必要的參考信息，實(shí)踐取得了較好的效果。

1 工程概況及勘查方法

1.1 工程概況

研究區(qū)域位于魯西南平原地區(qū)，面積0.072km2(300m×240m)，物探勘查工作的主要任務(wù)是查明研究區(qū)內(nèi)煤礦采空區(qū)目標(biāo)工作面上形成的老采空區(qū)的分布情況，根據(jù)勘查結(jié)果，結(jié)合鉆孔目的推薦鉆孔位置。

1.1.1 地質(zhì)概況

研究區(qū)內(nèi)大型斷裂構(gòu)造不發(fā)育，含煤地層賦存較淺，全區(qū)含煤地層幾乎都直接隱伏于第四系下。第四系巖性以黏土、黏土質(zhì)砂為主，層厚120.65～169.64m，平均145.36m。第四系以下的主要煤系地層有侏羅紀(jì)淄博群三臺(tái)組、石炭-二疊紀(jì)月門(mén)溝群山西組、太原組、本溪組，其下為奧陶系灰?guī)r。

研究區(qū)主要開(kāi)采煤層為16上煤層。相關(guān)地質(zhì)資料顯示，該煤層厚一般0.55～1.64m，平均1.19m，為薄煤層。有夾矸0～2層，厚度0.02～0.17m，巖性為泥巖、黏土巖、黃鐵礦、炭質(zhì)砂巖、炭質(zhì)泥巖，煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，屬可采穩(wěn)定煤層。16上煤層位于太原組下部，上距15上煤層31.70～46.76m，平均40.29 m。頂板為石灰?guī)r，局部相變?yōu)槟鄮r、黏土巖，局部有泥巖偽頂，底板一般為黏土巖，局部相變?yōu)榉凵皫r、泥巖。研究區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)巖漿侵入活動(dòng)。

1.1.2 地球物理特征

研究區(qū)附近第四紀(jì)巖性主要為碎屑沉積巖，電阻率一般在10～30Ω·m；中生代侏羅系主要巖性為砂巖、泥巖，其電阻率值一般在25～60Ω·m，石炭-二疊系主要巖性為砂巖、泥巖，夾灰?guī)r及煤層，其電阻率值一般在25～150Ω·m；奧陶紀(jì)灰?guī)r電阻率最高，一般在200Ω·m以上(表1)。

表1 研究區(qū)域巖礦石物性參數(shù)

因此，勘探研究區(qū)內(nèi)地層大致可劃分為3個(gè)電性層，第1個(gè)電性層為第四系低阻地層；第2個(gè)電性層為石炭—二疊系中低阻地層；第3個(gè)電性層為奧陶系高阻地層。

1.1.3 采空區(qū)解譯依據(jù)

未進(jìn)行煤礦開(kāi)采的位置，地層電阻率剖面基本反映地層分布情況，等值線橫向上連續(xù)，變化較平緩，基本呈現(xiàn)層狀，局部起伏，波動(dòng)較小。

煤礦開(kāi)采后，形成采空區(qū)，并在煤礦采空區(qū)上部發(fā)育垮落帶、裂隙帶、彎曲帶，為采空區(qū)影響帶[11]。地電場(chǎng)在采空區(qū)及其影響帶區(qū)域形成畸變，表現(xiàn)出與原生煤系地層不同的電性特征，是利用瞬變電磁法進(jìn)行煤礦采空區(qū)探測(cè)的地球物理前提[12]。當(dāng)采空區(qū)及其影響帶充水時(shí)表現(xiàn)為電阻率降低，當(dāng)其為不充水的空洞時(shí)則表現(xiàn)為電阻率值相對(duì)升高。當(dāng)采空區(qū)空間規(guī)模較大時(shí)，采空區(qū)異常表現(xiàn)為閉合的低阻或高阻異常區(qū)域；當(dāng)采空區(qū)空間規(guī)模相對(duì)較小，尤其是薄層開(kāi)采區(qū)域，采空區(qū)異常表現(xiàn)為電阻率等值線的上下擾動(dòng)。

研究區(qū)內(nèi)開(kāi)采的煤層厚度相對(duì)于賦存深度一般較薄，同時(shí)底板發(fā)育泥巖、黏土巖等低阻地質(zhì)體，物探資料不一定能分辨出采空區(qū)，但可根據(jù)采空區(qū)形成機(jī)理，推斷采空區(qū)的大致分布。當(dāng)然，這是通常意義上的電阻率相對(duì)變化。通過(guò)物探勘查手段，獲取數(shù)據(jù)并繪制電阻率擬斷面圖可推測(cè)出地下是否存在采空區(qū)，并進(jìn)一步推測(cè)采空范圍及其是否存在充水、充填、塌陷等現(xiàn)象[13-14]。

1.2 工作方法簡(jiǎn)述

1.2.1 瞬變電磁法

瞬變電磁法屬于時(shí)間域電磁感應(yīng)法，它利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)送一次脈沖場(chǎng)，在一次脈沖場(chǎng)間歇期間利用回線接收感應(yīng)二次場(chǎng)，該二次場(chǎng)是由地下良導(dǎo)地質(zhì)體受激勵(lì)引起的渦流所產(chǎn)生的非穩(wěn)電磁場(chǎng)[15-17]。通過(guò)對(duì)二次場(chǎng)的測(cè)量記錄獲得野外原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)室內(nèi)處理后，可以得到地電模型，進(jìn)而解決相關(guān)地質(zhì)問(wèn)題。

在本次瞬變電磁法野外工作中，使用儀器為加拿大Geonics公司產(chǎn)PROTEM 67D瞬變電磁儀[16]，采用大定源回線裝置，大定源回線裝置布設(shè)大線圈作為發(fā)射線框，在發(fā)射回線內(nèi)部，使用接收探頭接收電磁信號(hào)。大定源回線裝置受地面物體影響較小，只需布設(shè)大線框就可以測(cè)量線框內(nèi)部很多點(diǎn)，能夠在完成地質(zhì)任務(wù)的前提下，提高工作效率。

經(jīng)過(guò)產(chǎn)前實(shí)驗(yàn)分析，野外施工參數(shù)為：采樣道數(shù)30道，采樣頻率6.25Hz，積分時(shí)間30s，采用300m×240m矩形發(fā)射框得到的數(shù)據(jù)較好，并能滿足地質(zhì)任務(wù)的基本要求。

1.2.2 工作布置

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，結(jié)合研究區(qū)現(xiàn)場(chǎng)施工條件，本次采空區(qū)瞬變電磁法勘查主要布設(shè)測(cè)線7條，設(shè)計(jì)測(cè)線方位角90°，即東西向(圖1)。測(cè)線距40m，測(cè)點(diǎn)距20m，測(cè)線長(zhǎng)度約300m。采用南方測(cè)繪產(chǎn)的RTK銀河1接收機(jī)進(jìn)行測(cè)量放點(diǎn)等測(cè)地工作。

1—煤層底板等高線；2—斷層；3—勘探孔;4—村莊;5—瞬變電磁法測(cè)點(diǎn)及編號(hào);6—研究區(qū)范圍

2 數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 瞬變電磁法相關(guān)參數(shù)計(jì)算

瞬變電磁法觀測(cè)數(shù)據(jù)是各測(cè)點(diǎn)各個(gè)時(shí)窗的瞬變感應(yīng)電壓，需換算成視電阻率、視深度等參數(shù)，以便對(duì)資料進(jìn)行解釋[12-13,15,17]。相關(guān)研究提出的計(jì)算瞬變電磁法視電阻率的方法有許多[18-20]，但是各種計(jì)算方法眾說(shuō)紛紜，沒(méi)有統(tǒng)一評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，這也是制約瞬變電磁勘探方法發(fā)展的原因之一。本次數(shù)據(jù)處理與計(jì)算過(guò)程中主要利用了水平導(dǎo)電薄層的瞬變電磁場(chǎng)推導(dǎo)的晚期視電導(dǎo)率計(jì)算公式。

晚期視電導(dǎo)率Sτ計(jì)算公式為：

(1)

視深度hτ的計(jì)算表達(dá)式為：

(2)

式中：t—時(shí)窗時(shí)間，A—發(fā)射回線面積，I—發(fā)射電流，q—接收線圈的有效面積，μ0—真空中的磁導(dǎo)率，V(t)—感應(yīng)電壓。V(t)/I—?dú)w一化感應(yīng)電壓，d(V(t)/I)/dt—?dú)w一化感應(yīng)電壓對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

野外采集的數(shù)據(jù)處理前，首先對(duì)其逐點(diǎn)進(jìn)行整理或預(yù)處理，即檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量，剔除嚴(yán)重干擾的跳點(diǎn)數(shù)據(jù)，再對(duì)各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，以濾除或壓制干擾信號(hào)，恢復(fù)信號(hào)的變化規(guī)律，突出有效信息，再利用數(shù)據(jù)處理軟件反演計(jì)算得到視電阻率和視深度等參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)有關(guān)測(cè)量、地質(zhì)和鉆探等資料再做必要的地形校正和高程校正等處理，最后將所得數(shù)據(jù)以等值線斷面圖的形式繪制出來(lái)，這些圖件即是后期資料分析解釋的基礎(chǔ)材料。

2.3 斷面異常分析

從整體上看，各測(cè)線的視電阻率變化規(guī)律大致為先低阻，然后隨著深度的增加先降低而又逐漸升高，淺層第四系電阻率相對(duì)較低，一般低于70 Ω·m，中部石炭-二疊系為泥巖、砂巖層，電阻率較淺層相對(duì)升高，約60～130Ω·m，深部的奧陶系灰?guī)r地層，電阻率更高，一般大于150Ω·m。

圖2為測(cè)區(qū)820測(cè)線瞬變電磁測(cè)量處理視電阻率擬斷面圖及解譯成果。測(cè)線位于測(cè)區(qū)南部，電阻率由淺至深大體呈“低—中—高”的變化趨勢(shì)。各地層的電阻率橫向上連續(xù)較好，地層傾角較小，一般在6°以內(nèi)。推測(cè)第四系底板高程在-100m左右，石炭二疊系與奧陶系灰?guī)r的分界在-250m左右。研究區(qū)位于背斜的南翼，地質(zhì)情況較簡(jiǎn)單。在測(cè)點(diǎn)8240～8280之間，高程-250～-350m之間，電阻率存在向下的彎曲，推測(cè)為奧陶系灰?guī)r裂隙發(fā)育所致。測(cè)線斷面圖上16上煤高程在-170m左右，未發(fā)現(xiàn)明顯的采空區(qū)異常。由此，測(cè)線820電阻率斷面可作為該研究區(qū)的背景電阻率認(rèn)識(shí)識(shí)別。

圖3為測(cè)區(qū)940測(cè)線瞬變電磁測(cè)量處理視電阻率擬斷面圖及解譯成果。測(cè)線位于820線北側(cè)120m處，與820線相比，縱向上電阻率擬斷面圖由淺及深大體呈“低—中—高”的形態(tài)變化，趨勢(shì)上基本相同，地質(zhì)情況也變化不大,16上煤的煤層位置高程為-170m。橫向上看，測(cè)點(diǎn)8220～8420處，高程-170m，電阻率存在上下擾動(dòng)現(xiàn)象，變化在15 Ω·m左右，在測(cè)點(diǎn)8360左右，高程-200m上下，異常向下拉升，電阻率明顯下降，結(jié)合已有資料推測(cè)為采空區(qū)異常反映。

1—第四系(Q)與石炭-二疊系(C-P)地層分界線；2—石炭-二疊系(C-P)與奧陶系(O)地層分界線；3—煤層位置

1—第四系(Q)與石炭-二疊系(C-P)地層分界線；2—石炭-二疊系(C-P)與奧陶系(O)地層分界線；3—煤層位置；4—圈定采空區(qū)異常區(qū)域

圖4為測(cè)區(qū)1020測(cè)線瞬變電磁測(cè)量處理視電阻率擬斷面圖及解譯成果。測(cè)線位于820線北側(cè)約200m處，與820線相比，縱向上電阻率趨勢(shì)上大致相同，地質(zhì)情況也變化不大，16上煤的煤層位置高程為-165m。橫向上看，煤層位置上8240～8360測(cè)點(diǎn)處，電阻率等值線存在向下彎曲的趨勢(shì)，測(cè)點(diǎn)8300處電阻率相對(duì)鄰近測(cè)點(diǎn)升高，電阻率擾動(dòng)大約10Ω·m，異常向下延伸至-250m上下，為異常向下拉伸反映。結(jié)合已知的其他資料，推測(cè)此處異常為采空區(qū)異常反映。

1—第四系(Q)與石炭-二疊系(C-P)地層分界線；2—石炭-二疊系(C-P)與奧陶系(O)地層分界線；3—煤層位置；4—圈定采空區(qū)異常區(qū)域；5—鉆孔編號(hào)及位置

3 成果驗(yàn)證

圖5為研究區(qū)瞬變電磁法解譯成果平面圖。依據(jù)各測(cè)線的解譯成果，在平面上圈定了推斷解釋的采空區(qū)分布范圍。結(jié)合煤礦相關(guān)開(kāi)采、核實(shí)等資料，除采空區(qū)邊界部分有所出入外，推斷解譯成果與11605采煤工作面位于研究區(qū)內(nèi)的部分基本吻合，推斷成果基本可靠。結(jié)合相關(guān)的地質(zhì)資料、采煤塌陷地監(jiān)測(cè)資料及鉆孔施工目的等情況，確定了研究區(qū)內(nèi)鉆孔ZK01位置(圖4、圖5)，位于1020測(cè)線8360測(cè)點(diǎn)附近。由于該鉆孔主要為取得采空區(qū)影響帶范圍的計(jì)算參數(shù)，位置選于采空區(qū)邊角或留設(shè)煤柱區(qū)域內(nèi)。

由錄井資料可知，144m深度以淺，巖性主要為黏土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、中砂等，144～191m深度，巖性主要為砂巖、泥巖等，在196.55～197.85m，204.15～205.30m深度為2層煤，中間夾約6m厚泥巖，煤層破碎，未見(jiàn)開(kāi)采痕跡，為留設(shè)煤柱。在推斷解譯圖上，144m深度以淺地層視電阻率小于70Ω·m，推測(cè)為第四系覆蓋，電阻率特征基本吻合。144m深度以下，電阻率大于70 Ω·m，推測(cè)為石炭-二疊系地層，主要巖性為泥巖、砂巖夾煤層，鉆孔揭露情況與推斷解譯基本吻合。鉆孔ZK01位于留設(shè)煤柱位置，煤層未開(kāi)采，但巖石存在一定的破碎情況，為采空區(qū)影響區(qū)域。

1—煤礦采掘平面范圍；2—鉆孔位置；3—圈定采空區(qū)異常區(qū)域；4—瞬變電磁法測(cè)點(diǎn)

4 結(jié)論

本次瞬變電磁法勘查快速獲得了研究區(qū)淺部至中深度地層的電性信息,較好地解決了采空區(qū)探測(cè)等地質(zhì)問(wèn)題，取得了較好的探測(cè)結(jié)果。

(1)工程實(shí)例顯示，在淺部薄煤層開(kāi)采區(qū)域，采空區(qū)空間規(guī)模相對(duì)較小，瞬變電磁法視電阻率異常在斷面圖上多表現(xiàn)為視電阻率等值線的上下擾動(dòng)。

(2)淺層煤礦采空區(qū)勘查實(shí)踐表明，瞬變電磁法在解決淺部煤礦采空區(qū)位置分布及深度問(wèn)題上效果明顯，這取決于瞬變電磁儀的高靈敏度特點(diǎn)、合理的技術(shù)參數(shù)、嚴(yán)格規(guī)范的野外施工和精細(xì)的數(shù)據(jù)處理等因素。

(3) 瞬變電磁法在諸多方法中，對(duì)煤礦采空區(qū)的探測(cè)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，是一種經(jīng)濟(jì)、快速、行之有效的地球物理方法，隨著研究發(fā)展, 瞬變電磁技術(shù)在煤礦采空區(qū)勘查中的應(yīng)用會(huì)更完善、更廣泛。

致謝：感謝審稿專家提出的修改意見(jiàn)，感謝柏學(xué)成、張榮隋高級(jí)工程師在項(xiàng)目工作中的指導(dǎo)和建議！