瞬變電磁法探測復(fù)雜狀態(tài)下煤礦充水采空區(qū)物理模擬實驗

裴肖明，馮國瑞，戚庭野

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024； 2.山西省綠色采礦工程技術(shù)研究中心，山西 太原 030024)

0 引言

近年來，隨著煤炭資源大量開采，遺留的積水采空區(qū)數(shù)目也顯著增加，進(jìn)而可能在煤層采掘工作中引起重大的煤礦水害事故[1-3]。瞬變電磁法作為地球物理探測法的代表，其對低阻體(積水)反應(yīng)靈敏、地形要求低、體積小以及工作效率高等優(yōu)點[4-5]使得該方法廣泛應(yīng)用于積水采空區(qū)的勘探任務(wù)中。物理模擬實驗?zāi)苷鎸嵖陀^地模擬現(xiàn)場實際工況，得到地下積水采空區(qū)的響應(yīng)特征，從而增加結(jié)果的可靠性，目前關(guān)于瞬變電磁法探測采空區(qū)的物理實驗也有大量的研究。姜志海和焦險峰[6]采用礦井瞬變電磁超前探測扇面掃描采樣法，構(gòu)建全空間物理模型并對柱狀良導(dǎo)體與低阻薄板進(jìn)行了超前探測；焦險峰和劉志新[7]設(shè)計3種線圈裝置對不同狀態(tài)的淺埋異常體(金屬棒)進(jìn)行了瞬變電磁探測實驗，并證明可用于淺層積水采空區(qū)的勘探工作；許時昂等[8]以圓形銅球模擬巷道中的積水采空區(qū)域，設(shè)計了連續(xù)重疊覆蓋的瞬變電磁超前探測物理實驗進(jìn)行分析研究；張廣博[9]使用銅棒與銅板模擬積水異常體設(shè)計物理模擬實驗，研究在掘進(jìn)過程中線圈與異常體在不同距離條件下X、Y、Z三分量的瞬變電磁響應(yīng)特征；邢修舉等[10]選擇淡鹽水池作為實驗場地、圓柱體銅棒作為積水采空區(qū)設(shè)計物理實驗，并采用三維瞬變電磁超前探測技術(shù)研究隧道積水采空區(qū)的響應(yīng)特征；王國庫[11]開展了相似比為1∶100的大型水槽物理模擬實驗，研究采空區(qū)在不同含水率條件下的瞬變電磁響應(yīng)特征；王巍等[12]選用花泥模擬圍巖，低阻球體模擬積水異常體建立物理實驗?zāi)Ｐ?，研究其在凸地形、凹地形、斜坡以及不同坡度等條件下深埋積水采空區(qū)的電磁響應(yīng)特征；高彬[13]以正方體紙箱為承載體設(shè)計了立方體六通道對偶發(fā)射模型，開展了礦井多通道瞬變電磁法探測地下巷道積水采空區(qū)的物理模擬實驗，驗證了該方法具有判斷低阻異常體方位的能力。

上述各項研究雖然進(jìn)行了大量的物理實驗，但僅能達(dá)到精準(zhǔn)探測積水采空區(qū)的大致方位，同時也很少對復(fù)雜分布狀態(tài)下的積水采空區(qū)具體的響應(yīng)特征值進(jìn)行探究。基于此，本文通過設(shè)計瞬變電磁探測的相似模擬實驗，對不同積水量以及不同垮落巖體存在狀態(tài)下積水采空區(qū)的感應(yīng)電動勢響應(yīng)進(jìn)行定量分析，得到各自模型條件下的瞬變電磁響應(yīng)規(guī)律，這對于煤礦埋藏復(fù)雜的采空區(qū)積水水害防治也具有技術(shù)指導(dǎo)意義。

1 瞬變電磁物理模擬實驗系統(tǒng)

1.1 相似性準(zhǔn)則

物理模擬實驗的目的是最大限度地還原現(xiàn)場地質(zhì)狀況，從而更直觀、準(zhǔn)確地描述煤礦積水采空區(qū)的瞬變電磁響應(yīng)特征[14-15]，由于實驗條件有限，需滿足相似性準(zhǔn)則，通過計算合適的相似比復(fù)制現(xiàn)場地電模型來達(dá)到目的。由于所有電磁現(xiàn)象理論都基于麥克斯韋方程組進(jìn)行推導(dǎo)，因而其相似性原理也是以該方程組為出發(fā)點，時間域瞬變電磁法的基本準(zhǔn)則由兩大方程式表示[16-17]：

(1)

(2)

式中:σm、μm、Lm、εm、tm分別代表物理模擬實驗的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何長度、介電常數(shù)以及采樣時間，σf、μf、Lf、εf、tf分別表示野外探測試驗的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何長度、介電常數(shù)以及采樣時間。

介電常數(shù)會影響位移電流的變化，本次研究并不考慮位移電流的影響，因而基本準(zhǔn)則的表達(dá)式選擇式(1)，這是對整個瞬變電磁幾何形態(tài)的模擬。但是，瞬變電磁響應(yīng)參數(shù)為有量綱的參量，所以既需要模擬電磁系統(tǒng)的幾何分布形態(tài)，也需模擬系統(tǒng)的絕對值，確定模擬的幾何比例，稱之為絕對(比例)模擬。以 Lee和Leawis給出的均勻空間理論公式為例，其響應(yīng)表達(dá)式為

(3)

(4)

由于野外現(xiàn)場試驗與物理模擬實驗所用設(shè)備完全一致，因而有tm=tf，所以式(1)可作簡化運(yùn)算

(5)

(6)

式中k為線型比例尺，又稱作縮比系數(shù)。本次實驗選擇縮比系數(shù)為100來對現(xiàn)場地層特征與電磁參數(shù)進(jìn)行模擬。

1.2 工程背景

神東煤礦位于陜西省北部、晉陜蒙三省交界地帶，其中心位置在鄂爾多斯大型聚煤盆地的東北部，主要可采煤層為侏羅系中下統(tǒng)延安組的1、2-2、3-1、4和5-2號煤層。烏蘭木倫河貫穿整個研究區(qū)域，植被稀少，地表水系沒有發(fā)育，年降雨量較少且大部分流失，從而形成的地下水量較少，但容易在局部煤礦采空區(qū)內(nèi)積聚，進(jìn)而造成嚴(yán)重煤礦積水水害。

選擇1號煤層為工程背景，地層分布見表1。該煤層厚度在3.0～11.9 m，平均厚度9.3 m;埋深淺，距地表60～70 m;煤層結(jié)構(gòu)簡單，部分含有砂質(zhì)泥巖夾矸；頂板巖層主要為細(xì)砂巖、粉砂巖，部分地段為中粗砂巖，底板主要為砂質(zhì)泥巖與泥巖。煤礦各地層電阻率分別為：砂巖，10～105Ω·m；煤層，10～104Ω·m；石灰?guī)r，60～4×105Ω·m；(砂質(zhì))泥巖，10～300 Ω·m；礦井水，1～10 Ω·m。

表1 神東煤礦1號煤層地層分布

1.3 物理模型

為了實現(xiàn)模型的裝填、壓實以及方便觀察積水采空區(qū)的形態(tài)，本次實驗使用長100 cm、寬60 cm、高50 cm的亞克力有機(jī)玻璃架子作為實驗臺，參照神東煤礦侏羅系1號煤層的頂?shù)装鍘r性以及實驗臺參數(shù)，采用砂子、石灰、石膏以及水4種相似模擬材料[18-19]進(jìn)行配比。經(jīng)過計算，確定幾何相似比為100∶1，容重相似比為1.6∶1，應(yīng)力相似比為160∶1。

根據(jù)上述比例來構(gòu)建各地層模型并鋪設(shè)在亞克力玻璃架子中，其巖層的相似模擬材料配比如表2所示。模型從上至下依次為細(xì)砂巖層、粉砂巖層和中砂巖層、煤層以及砂質(zhì)泥巖層，在煤層部分留有長50 cm、寬60 cm、高10 cm的空腔作為采區(qū)，兩側(cè)模擬煤柱部分同時在煤層與上覆巖中間加一玻璃板固定。在玻璃架子左右兩側(cè)開有直徑為2 cm圓孔插入導(dǎo)水軟管以控制積水量，同時在空腔周圍涂上水泥漿結(jié)構(gòu)防止積水對相似模擬材料構(gòu)成破壞，在玻璃架子的后側(cè)面開槽控制垮落巖體的投放，垮落巖體根據(jù)頂板層材料配比完成制備，通過導(dǎo)水軟管排放水來控制水量，分別對全充水、充1/2水、未充水、全充水含垮落巖體、充1/2水含垮落巖體以及未充水含垮落巖體6種條件下的積水采空區(qū)進(jìn)行探測，整體的物理模擬系統(tǒng)如圖1所示。

表2 巖層相似模擬材料配比

圖1 物理模擬系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of physical simulation model

表3 各相似模擬試件的電性特征

圖3 電阻測試系統(tǒng)示意Fig.3 Schematic diagram of resistance test system

1.4 實驗裝置

儀器選用SMARTem24瞬變電磁系統(tǒng)進(jìn)行探測工作，該系統(tǒng)主要由發(fā)射裝置與接收裝置組成。發(fā)射裝置主要包括12 V汽車蓄電池、滑動變阻器以及瞬變電磁發(fā)射機(jī)，其中蓄電池用以供電，所串聯(lián)的滑動變阻器來控制發(fā)射電流處于安全值，發(fā)射機(jī)在發(fā)射線圈上提供電流信號。接收裝置包括瞬變電磁接收主機(jī)以及探測線圈，接收主機(jī)用于接收所探測的電磁響應(yīng)信號并成圖，探測線圈由多根白色多芯漆包線均勻纏繞而成電線構(gòu)成，這種線具有較大的電阻值且線徑較小，能大大提高信噪比從而最大程度地抑制自藕效應(yīng)[14]，此外在線圈繞制時，各匝線圈用等邊方形塑料框架作回線支架，并且采用重疊回線式線圈組合裝置進(jìn)行實驗，也能進(jìn)一步降低自感、互感等的干擾，保證探測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。由于積水采空層埋深較淺，根據(jù)相似性準(zhǔn)則中縮比系數(shù)k以及具體設(shè)計情況確定發(fā)射線圈邊長為20 cm×20 cm、繞制9匝，接收線圈邊長為20 cm×20 cm、繞制27匝[6, 17]。具體的參數(shù)設(shè)置如下：發(fā)射電流9 A，發(fā)射頻率為6.25 Hz，探測的采樣時間為34 ms；時間窗口數(shù)為28；測線與測點采用15 cm×10 cm的網(wǎng)格式進(jìn)行布置，即線距15 cm，點距10 cm，共探測0、10、20三條測線，測點以10號為起點，90號為終點從左向右依次布設(shè)9個測點，如圖4所示。

圖4 測線測點布置Fig.4 Layout of surveying lines and points

2 探測結(jié)果的分析與討論

通過所模擬計算的感應(yīng)電動勢衰減曲線來具體研究各積水采空區(qū)的瞬變電磁響應(yīng)特征，如圖5所示，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理與分析，選擇各自測線上測點10、20、30、40、50上的衰減曲線進(jìn)行研究。當(dāng)采空區(qū)全充水時，在采樣時間0.5～3.2 ms的區(qū)間(異常反映時間段)內(nèi)，感應(yīng)電動勢在衰減期間會受到低阻效應(yīng)影響,衰減速率減慢，導(dǎo)致各衰減曲線出現(xiàn)明顯的異?！巴蛊稹爆F(xiàn)象，形態(tài)變?yōu)椤癝”形，且該時間內(nèi)響應(yīng)值急劇上升，同時測點距離積水區(qū)越近，整體的電動勢數(shù)值越大。當(dāng)采空區(qū)內(nèi)含1/2量的積水時，由于采空區(qū)內(nèi)空氣的影響，積水造成的低阻效應(yīng)有所減弱，各曲線仍會出現(xiàn)小幅度的異?！巴蛊稹爆F(xiàn)象，對應(yīng)該時間內(nèi)響應(yīng)值也有小幅度的增加。當(dāng)采空區(qū)內(nèi)未積水時，在整個采樣時間區(qū)間內(nèi)，各衰減曲線趨勢近乎重合，并無明顯的異?，F(xiàn)象發(fā)生，且形態(tài)變?yōu)橐?guī)律衰減形態(tài)。當(dāng)采空區(qū)內(nèi)充水(包括全充水條件與充1/2水條件)且含有垮落巖體時，由于垮落巖體的高阻特性使得電動勢曲線在異常反映時間段內(nèi)仍然出現(xiàn)明顯的“凸起”異常，但異常幅度相較于不含垮落體模型有所降低，曲線的整體衰減趨勢與不含垮落體的模型類似，表明垮落巖體產(chǎn)生的影響十分有限。當(dāng)采空區(qū)內(nèi)沒有充水且含有垮落體時，感應(yīng)電動勢的衰減曲線基本重合，分布規(guī)律與未充水采空區(qū)模型十分相近。

圖5 不同狀態(tài)充水采空區(qū)的衰減電動勢曲線Fig.5 Curves of decay electromotive force of water-filled goaf in different states

上述6種積水采空區(qū)模型主要根據(jù)積水量以及有無垮落巖體兩大因素進(jìn)行分類分析，下面對這兩個因素對衰減電動勢的響應(yīng)特征進(jìn)行研究。選擇位于積水采空區(qū)中心位置上方的50號測點對其不同充水量條件下感應(yīng)電動勢的衰減曲線圖如圖6a所示。衰減電動勢的響應(yīng)值大小取決于不同埋深深度下地層的電阻值，由于各采空區(qū)模型所鋪設(shè)的上覆巖層設(shè)定相同，3種積水量條件的采空區(qū)模型的初始響應(yīng)值基本相同。之后，由于采空內(nèi)積水的存在，感應(yīng)電動勢在衰減過程中會受到低阻效應(yīng)的影響，曲線在0.5～3.2 ms的采樣時間內(nèi)會產(chǎn)生異常的“上凸起”現(xiàn)象，在異常過程中的響應(yīng)值關(guān)系為全充水﹥充1/2水﹥未充水模型。整個衰減過程表明積水量越大，其產(chǎn)生的低阻效應(yīng)與異常反映程度越強(qiáng)，同時其感應(yīng)電動勢響應(yīng)的衰減速率越慢，響應(yīng)值越高。

對異常反映發(fā)生時間段內(nèi)不同積水量采空區(qū)的感應(yīng)電動勢響應(yīng)進(jìn)行定量分析，以未充積水模型為基準(zhǔn)，研究其衰減電動勢的增幅特征，列出異常階段響應(yīng)值大小如表4所示，并根據(jù)表中數(shù)據(jù)，得到響應(yīng)值的增幅情況，如圖6b所示。選擇未充水模型作為參照量，對于充1/2水的采空區(qū)，其增幅由6.61%開始單調(diào)遞增，到采樣時間1.08 ms時達(dá)到最大值12.86%，之后由于瞬變電磁波繼續(xù)開始遠(yuǎn)離積水采空層，其電磁信號逐漸減弱，進(jìn)而導(dǎo)致衰減電動勢響應(yīng)值逐步減小，增加倍數(shù)也不斷下降，在3.1840 ms(異常時間末)處達(dá)到6.32%；全充水模型的初始增加比率為10.56%，之后按二次函數(shù)式單調(diào)遞增，在2.066 ms達(dá)到最大值35.35%，之后呈下降趨勢，最后降至22.81%。從整個異常衰減過程可以看出，采空區(qū)積水量越多，其電動勢響應(yīng)值增加的百分比與幅度就越高，同時響應(yīng)值到達(dá)極大值的時間也越長，即異常持續(xù)的時間越長，且增幅曲線呈現(xiàn)先遞增后減小的趨勢。

圖6 不同積水量采空區(qū)衰減電動勢曲線(a)及衰減電動勢響應(yīng)增幅特征(b)Fig.6 Attenuation electromotive force curves in goaf with different amounts of accumulated water(a) and the increase characteristics of induced electromotive force(b)

表4 不同充水量采空區(qū)的衰減電動勢響應(yīng)值

不同垮落巖體存在狀態(tài)對充水采空區(qū)電磁響應(yīng)的影響如圖7所示，從全充水、充1/2水以及未充水三種條件下進(jìn)行對比分析?？迓鋷r體由上頂板巖層垮塌形成，內(nèi)部物理性質(zhì)發(fā)生改變，致使其電阻值相對圍巖很高，存在高阻特性。但積水的影響對于瞬變電磁信號占主體位置，因此當(dāng)采空區(qū)充水時，包括全充水模型和充1/2水模型在異?！巴蛊稹睍r間內(nèi)(0.5～3.2 ms)，含跨落巖體采空區(qū)模型的感應(yīng)電動勢相較于無垮落體模型在衰減過程中產(chǎn)生的異?，F(xiàn)象會減弱，并且響應(yīng)值也會有小幅度的減少。整體而言，呈高阻特性的垮落巖體將有限地減弱低阻異常效應(yīng)。當(dāng)采空區(qū)未充水時，在空氣與垮落體的高電阻作用下，瞬變電磁信號的穿透力很差，難以識別地下目標(biāo)，此時兩條衰減曲線基本重合分布，垮落巖體的影響可以忽略。

圖7 不同垮落體存在狀態(tài)充水采空區(qū)衰減電動勢曲線Fig.7 Curves of attenuation electromotive force in the water-filled goaf with different existence status of collapsed bodies

對異常反映時間段內(nèi)不同垮落巖體存在狀態(tài)采空區(qū)的感應(yīng)電動勢響應(yīng)進(jìn)行定量分析，設(shè)定無垮落體的充水采空區(qū)模型為參照量，研究其衰減電動勢的減幅特征，當(dāng)采空區(qū)未充水時，垮落體產(chǎn)生的影響可忽略不計，因而不對其進(jìn)行分析。列出全充水條件與充1/2水條件下的異常階段響應(yīng)值大小如表5所示，并根據(jù)表中數(shù)據(jù)得到響應(yīng)值的減幅情況，如圖8a、b所示。對于全充水模型，其降幅在異常初始時間0.564 5 ms時為1.07%，之后響應(yīng)值減小的百分比大跨度遞增，在2.066 ms處達(dá)到極大值7.17%，此時比率增長的斜率開始急劇下降，到3.184 0 ms時降為4.26%。充1/2水模型的初始降低比率為1.06%，整個變化形式為先上升后下降，其電動勢響應(yīng)值的降幅先不斷增加，到1.08 ms處達(dá)到極大值4.70%，隨后開始下降，在異常時間末降幅變?yōu)?.56%。從整個異常衰減過程可以看出，垮落巖體可以有限抵消積水帶來的低阻異常效應(yīng)影響，使感應(yīng)電動勢響應(yīng)值顯示出極微小的下降，但目標(biāo)體仍會產(chǎn)生明顯的低阻異常反映。

圖8 不同充水條件下衰減電動勢響應(yīng)減幅特征Fig.8 Amplitude reduction characteristics of attenuation electromotive force response under different water-filled conditions

表5 不同垮落體存在狀態(tài)充水采空區(qū)的衰減電動勢響應(yīng)值

3 結(jié)論

通過設(shè)計充水采空區(qū)的瞬變電磁相似模擬探測實驗，可得到6種不同狀態(tài)充水采空區(qū)模型的瞬變電磁響應(yīng)特征，結(jié)論如下。

1)采空區(qū)內(nèi)的充水量越大，低阻效應(yīng)的影響就越明顯，感應(yīng)電動勢衰減曲線在采樣時間約0.5～3.2 ms內(nèi)出現(xiàn)的異常“上凸”幅度就越大。全充水模型的衰減曲線呈“S”形，充1/2水的曲線呈“拱橋”形態(tài)；對于未充水采空區(qū)，各曲線衰減趨勢基本一致，衰減速率處于正常水平。

2)垮落巖體的存在會微小地減弱充水采空區(qū)在衰減過程中受到的低阻效應(yīng)，同時全充水含垮落體模型對應(yīng)的衰減電動勢響應(yīng)的減幅大于充1/2水含垮落體的采空區(qū)模型。此外，當(dāng)充水采空區(qū)內(nèi)含有垮落體時，感應(yīng)電動勢響應(yīng)仍然存在明顯的異常增大，表明呈低阻特性的積水與高阻垮落體相比，其對于瞬變電磁信號的影響更大。

3)以未充水模型的電動勢響應(yīng)值為基準(zhǔn)，全充水模型的最大增幅比為35.35%，且到達(dá)最大值時間為2.066 ms；充1/2水模型的最大增幅比為12.86%，且到達(dá)最值時間為1.08 ms。以不含垮落體模型為基準(zhǔn)，全充水含垮落體模型的感應(yīng)電動勢減幅比最大為7.17%，充1/2水含垮落體模型的減幅比最大為4.70%，其到達(dá)最大值時間分別為2.066 ms和1.08 ms。由此表明采空區(qū)內(nèi)充水量越大，其感應(yīng)電動勢的增幅就越大；當(dāng)含有垮落巖體時，感應(yīng)電動勢的減幅越大，同時響應(yīng)值到達(dá)極大值的時間就越久。

4)通過感應(yīng)電動勢響應(yīng)變化規(guī)律再次證明積水量對于感應(yīng)電動勢響應(yīng)的變化影響極大。瞬變電磁法在充水的低阻介質(zhì)中探測效果更顯著，靈敏度更高，電磁信號響應(yīng)更強(qiáng)烈，而對于未充水的高阻體來說，電磁波穿透介質(zhì)的能力很差，響應(yīng)強(qiáng)度也更弱。這也為現(xiàn)場積水區(qū)探測工作提供了技術(shù)指導(dǎo)。