瞬變電磁法與激電測(cè)深法在老空水探查中的應(yīng)用

張廣會(huì)

(山西澤州天泰岳南煤業(yè)有限公司,山西 晉城 048021)

0 引言

隨著近年來社會(huì)的高質(zhì)量發(fā)展,對(duì)于能源的需求也與日俱增,但是我國(guó)目前煤炭占主導(dǎo)地位的能源結(jié)構(gòu)依舊尚未改變[1-2]?！耙幻邯?dú)大”的局面,導(dǎo)致迫切需要煤炭的安全高效開采,因此近年來對(duì)于煤礦的智能化建設(shè)也越來越重視,但是制約著煤礦智能化發(fā)展的重要因素就是需要摸清煤礦地質(zhì)條件,排查生產(chǎn)所面臨的地質(zhì)災(zāi)害問題[3-6]。煤礦水害問題一直是制約著煤礦安全生產(chǎn)的主要地質(zhì)災(zāi)害,其影響僅次于煤與瓦斯突出[7]。在眾多水害類型中,老空水占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)地位,是發(fā)生次數(shù)最多、造成人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失最嚴(yán)重的水害類型[8-9]。尤其是在雨季時(shí)節(jié),采空區(qū)積水會(huì)呈現(xiàn)季節(jié)性擴(kuò)張,水害威脅進(jìn)一步加大,因此對(duì)于老空水需格外關(guān)注。對(duì)于如岳南煤礦這一類兼并重組型礦井,其小窯分布不清、廢舊老巷布設(shè)雜亂,導(dǎo)致老空水問題更為突出,是最需關(guān)注的隱蔽致災(zāi)因素。尤其是其上覆的3號(hào)煤層已完成開采使命,其形成的老空水對(duì)于下伏的9號(hào)煤層與15號(hào)煤層是潛在的隱蔽致災(zāi)因素,由此可見,查清老空水對(duì)后續(xù)安全開采至關(guān)重要。對(duì)于老空水的探查,一般常常采用地面電法類地球物理勘探與鉆孔相結(jié)合的“物探探查、鉆探驗(yàn)證”模式[10-11]。此外,還可采用一種地球物理勘探技術(shù)為主進(jìn)行先期探查,另一種物探技術(shù)進(jìn)行后續(xù)跟蹤復(fù)測(cè)驗(yàn)證的方式。在眾多地球物理勘探技術(shù)中,對(duì)于老空水比較敏感的為瞬變電磁勘探技術(shù),其勘探效果好、勘探深度大,以及較易施工等優(yōu)點(diǎn),使其在老空水探查中成為了首選[12-14]。但其也存在一定的體積效應(yīng),因此又可采用激電測(cè)深法進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證,激電測(cè)深法作為一種直流電法勘探技術(shù),其可取得電阻率與極化率兩項(xiàng)勘探成果,可從兩方面驗(yàn)證前期成果的真實(shí)性,因此具有較好的理論基礎(chǔ)與實(shí)際技術(shù)可行性。

基于上述理論,針對(duì)岳南煤礦中部采區(qū),為探查3號(hào)煤層老空水分布情況,通過分析勘探井田內(nèi)的地質(zhì)條件與地球物理特征,并開展瞬變電磁法探查試驗(yàn),依據(jù)試驗(yàn)成果正式開展瞬變電磁探查工作,從而得到老空水分布區(qū),再利用激電測(cè)深得到的電阻率與極化率進(jìn)一步驗(yàn)證上述疑似老空水分布區(qū),最終查明岳南煤礦中部采區(qū)3號(hào)煤層的老空水分布位置與范圍。

1 勘探區(qū)概況

1.1 勘探區(qū)水文條件分析

岳南煤礦由原岳南煤礦與原岳興煤礦兼并重組,但在整合前后,礦井周邊曾經(jīng)有10個(gè)礦井及小窯進(jìn)行采掘活動(dòng),而后這些小窯被整合或被關(guān)閉,其采掘布局不清、越界開采嚴(yán)重?，F(xiàn)今,上覆的山西組3號(hào)煤層已結(jié)束開采并閉層,太原組9號(hào)煤層與15號(hào)煤層是主要開采煤層。

岳南煤業(yè)井田中部勘探區(qū),3號(hào)煤層上覆的主要含水層首先是第四系松散含水層,富水性弱;其次,是弱富水性的砂巖裂隙含水層。粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖與泥巖等在含水層之間形成了較好的隔水層。已采掘完的3號(hào)煤層,其中的老空水成為了下伏煤層的主要水害來源。

1.2 地層地球物理特征分析

電磁法地球物理勘探主要依賴于地層的電性差異,老空水呈現(xiàn)為明顯的低阻特征,因此電法類勘探很容易識(shí)別。本勘探區(qū)自上而下地層的電性特征見表1。二疊系上石盒子組上部為泥巖、砂巖,之后的中下部為砂巖、砂質(zhì)泥巖,并且厚度相對(duì)較大,總體表現(xiàn)為電阻率相對(duì)較低。再往下為含煤層段的二疊系下石盒子組與石炭系,深色泥巖、灰?guī)r和砂質(zhì)泥巖與灰?guī)r發(fā)育,所以巖層視電阻率值表現(xiàn)為繼續(xù)偏低。由于本礦區(qū)3號(hào)煤層已經(jīng)開采完畢,到3號(hào)煤層位置時(shí)巖層視電阻率值會(huì)出現(xiàn)突變的情況,到9號(hào)煤層和15號(hào)煤層位置時(shí),電阻率值相對(duì)較高的煤層在視電阻率曲線表現(xiàn)出從降低趨勢(shì)變?yōu)樯仙厔?shì)的拐點(diǎn),因此,3號(hào)煤層層位表現(xiàn)為突變層位,9號(hào)煤層、15號(hào)煤層層位可視為較高電阻率地層的分界層位。奧陶系灰?guī)r為測(cè)區(qū)底部巖層,受灰?guī)r自身電阻率特征為高阻的特性,因此總體表現(xiàn)為一較明顯的高阻地層區(qū),與上部石炭系低阻地層形成鮮明對(duì)比,在視電阻率曲線上表現(xiàn)為迅速升高的趨勢(shì),因此可視為一較好的電性標(biāo)志層。

表1 地層巖性-電性

綜上,可視為標(biāo)志層位的共有2層,即石炭系煤系地層和下部奧陶系灰?guī)r地層(奧灰頂界面層位)。

2 工作參數(shù)與可行性試驗(yàn)

試驗(yàn)點(diǎn)1為測(cè)區(qū)中部且附近無干擾源的2220號(hào)線1400點(diǎn)處,試驗(yàn)確定測(cè)區(qū)較深處正常地層的瞬變電磁響應(yīng),選定合適的采集參數(shù)。在試驗(yàn)點(diǎn)1處,針對(duì)測(cè)量裝置、發(fā)射框大小、發(fā)射優(yōu)勢(shì)頻率、接收通道數(shù)量、接收線框面積、接收線框匝數(shù)、接收磁通道、供電電流和采集時(shí)間進(jìn)行針對(duì)性的試驗(yàn),綜合考慮信號(hào)信噪比、信號(hào)一致性、抗干擾能力,以及300～550 m埋深的目的層,最終確定的瞬變電磁法勘探參數(shù)見表2。

表2 試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果

試驗(yàn)點(diǎn)2位于已知存在3號(hào)煤層老空水的1 900線處,主要目的是確定采空區(qū)的瞬變電磁響應(yīng)特征,試驗(yàn)線長(zhǎng)300 m、點(diǎn)距20 m。圖1為試驗(yàn)段視電阻率剖面圖,橫軸為點(diǎn)號(hào),縱軸已將探測(cè)視深度換算為高程,其中藍(lán)顏色代表低阻區(qū),紅色代表高阻區(qū),黑色線條代表3號(hào)煤層底板等高線位置,圖中藍(lán)色網(wǎng)格代表礦方提供的已知3號(hào)煤層老空水分布位置,黃色虛線網(wǎng)格代表低阻異常區(qū)。

圖1 試驗(yàn)段視電阻率剖面

表3 3號(hào)煤層老空水一覽表

試驗(yàn)線地面標(biāo)高在892.74～945.59 m,3號(hào)煤層底板標(biāo)高在735～748 m,煤層埋深在200 m左右。視電阻率垂向上以“低-中-高”趨勢(shì)分布,高程+800 m以上的淺層是為20～50 Ω·m的低阻,對(duì)應(yīng)著二疊系砂泥巖地層;高程+800～650 m、50～100 Ω·m的中高阻,為含煤地層;高程+650 m以下視電阻率較高,變化范圍在100～140 Ω·m為奧陶系灰?guī)r。在測(cè)線1 760～1 880測(cè)點(diǎn)范圍內(nèi),3號(hào)煤層附近視電阻率明顯偏低,而該低阻異常區(qū)位置同已知3號(hào)煤層老空水位置基本相對(duì)應(yīng)。

綜上所述,利用瞬變電磁法對(duì)目的層3號(hào)煤層老空水進(jìn)行探查是合理有效的方法選擇,并確定了可滿足本次勘探地質(zhì)任務(wù)要求的工作參數(shù)。

3 瞬變電磁法探查

3.1 探查工作概況

3.4 km2的勘探范圍采用線距40 m、點(diǎn)距20 m進(jìn)行施工,包含2條試驗(yàn)線在內(nèi)共計(jì)74條勘探線,累計(jì)4 938個(gè)物理點(diǎn),其中包括占比4.2%的209個(gè)檢查點(diǎn)。除高壓線影響區(qū)域580個(gè)測(cè)點(diǎn)不進(jìn)行評(píng)級(jí)外,甲級(jí)點(diǎn)3 693個(gè),占總數(shù)的89%,乙級(jí)點(diǎn)456個(gè),占總數(shù)的11%,試驗(yàn)點(diǎn)、質(zhì)量檢查點(diǎn)全部合格,全區(qū)綜合評(píng)價(jià)為“優(yōu)秀”。

3.2 探查成果分析

3.2.1 數(shù)據(jù)處理與解釋

針對(duì)野外采集的數(shù)據(jù),通過濾除或壓制干擾信號(hào)以提高數(shù)據(jù)信噪比,而后再進(jìn)行視電阻率和深度反演。解釋過程中,在堅(jiān)持眾多解釋原則的前提下,基于試驗(yàn)段已知老空水電性特征、地質(zhì)資料、勘探成果數(shù)據(jù),以及數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析,從而確定最終的劃分閾值。基于本次的實(shí)際數(shù)據(jù)情況與實(shí)際地質(zhì)條件,確定本次低阻異常體的識(shí)別閾值為45 Ω·m。

3.2.2 測(cè)線剖面分析

針對(duì)72條瞬變電磁測(cè)線進(jìn)行處理解釋后可以得到72張視電阻率剖面圖。本次探查工作的重點(diǎn)在于3號(hào)煤層老空水,并兼顧含煤地層的灰?guī)r含水層,主要勘探深度范圍為60～560 m(高程范圍約為+600～+1 100 m)。

圖2為L(zhǎng)940號(hào)測(cè)線視電阻率剖面圖,該線位于測(cè)區(qū)南部,長(zhǎng)度為1 120 m,沿126°方位角方向布設(shè)。其總體趨勢(shì)與試驗(yàn)段基本相似,垂向上也是“低-中-高”分布。高程+720 m以上的淺層為20～50 Ω·m的低阻,是二疊系砂泥巖地層;高程+720～+600 m、50～100 Ω·m的中高阻,為含煤地層;高程+600 m以下視電阻率較高,變化范圍在100～140 Ω·m,為奧陶系灰?guī)r。測(cè)線1 640～1 800 m測(cè)點(diǎn)范圍內(nèi),3號(hào)煤層視電阻率低阻特征較為顯著。根據(jù)地質(zhì)資料,L940測(cè)線無斷層與陷落柱通過,故分析該處為采空水分布的可能性較大?；诖朔治鏊悸房蓪?duì)72條測(cè)線成果逐一分析解釋,識(shí)別低阻異常區(qū)。

圖2 L940測(cè)線視電阻率剖面

3.2.3 平面切片分析

圖3為沿3號(hào)煤層視電阻率切片圖。根據(jù)前期確定的異常劃分閾值45 Ω·m,再依據(jù)測(cè)線剖面解釋成果,結(jié)合地質(zhì)分析,劃分了10處3號(hào)煤層低阻異常區(qū),編號(hào)分別為YC3-1、YC3-2、YC3-3、YC3-4、YC3-5、YC3-6、YC3-7、YC3-8、YC3-9與YC3-10。YC3-1位于勘探區(qū)北部,呈近似橢圓形分布,視電阻率幅值在35～45 Ω·m;YC3-2位于勘探區(qū)東北部,呈半圓形分布,異常區(qū)開口向勘探區(qū)外,有向勘探區(qū)東部邊界外延伸的趨勢(shì),幅值在35～45 Ω·m之間;YC3-3位于勘探區(qū)中北部,呈不規(guī)則狀分布,視電阻率幅值在36～45 Ω·m;YC3-4位于勘探區(qū)中北部,呈近似橢圓形分布,視電阻率幅值在37～45 Ω·m;YC3-5位于勘探區(qū)中部偏西,呈近似圓形分布,幅值在42～45 Ω·m;YC3-6位于勘探區(qū)東部,呈不規(guī)則狀分布,視電阻率幅值在42～45 Ω·m;YC3-7位于勘探區(qū)中部偏南,呈寬緩條帶狀分布,視電阻率幅值在38～45 Ω·m;YC3-8位于勘探區(qū)中部偏南,呈近似梨形分布,視電阻率幅值在42～45 Ω·m;YC3-9位于勘探區(qū)南,呈不規(guī)則狀分布,視電阻率幅值在38～45 Ω·m;YC3-10位于勘探區(qū)南,呈不規(guī)則狀分布,異常區(qū)開口向勘探區(qū)外,有向勘探區(qū)東部邊界外延伸的趨勢(shì),視電阻率幅值在38～45 Ω·m。

圖3 沿3號(hào)煤層視電阻率切片

此外,還圈定了10處K5灰?guī)r層低阻異常區(qū)和7處K2灰?guī)r層低阻異常區(qū)。

4 激電測(cè)深法驗(yàn)證

為確認(rèn)瞬變電磁法探查的有效性,特選擇另外一種方法——激電測(cè)深法來對(duì)本次探查的異常區(qū)范圍進(jìn)行驗(yàn)證。選擇供電極距(AB/2)最大極距選擇最大目的層深度的1.5～2倍,即最大AB/2極距為600 m。采用正反向方波供電,供電周期8 s、迭加次數(shù)1次、延遲時(shí)間200 ms、寬度20 ms等采集參數(shù)。如圖4所示,針對(duì)前期的YC3-7所對(duì)應(yīng)的激電測(cè)深驗(yàn)證成果剖面,該測(cè)線3號(hào)煤層埋深在150～240 m(西南淺、東北深),按激電測(cè)深系數(shù)0.75計(jì)算,對(duì)應(yīng)AB/2在200～320 m,從電阻率、極化率斷面圖可知,視電阻率等值線整體表現(xiàn)為西南高、東北低,這與瞬變電磁所測(cè)結(jié)果相一致。此外,極化率在AB/2等于267～320 m時(shí)表現(xiàn)為高低高的形態(tài)。綜合各項(xiàng)指標(biāo)成果分析,結(jié)合本區(qū)域地質(zhì)與水文地質(zhì)條件,本測(cè)線東北側(cè)有3號(hào)煤層老空水分布,西南部分含水小或不含水,與瞬變電磁所推測(cè)的3號(hào)異常區(qū)YC3-7基本一致,即YC3-7低阻異常區(qū)真實(shí)存在,應(yīng)為3號(hào)煤層老空水分布區(qū)。

圖4 激電測(cè)深驗(yàn)證成果剖面

基于上述思路,針對(duì)前述的10處3號(hào)煤層低阻異常區(qū)可逐一驗(yàn)證分析。結(jié)果表明,YC3-1、YC3-2、YC3-3、YC3-4、YC3-7、YC3-8、YC3-9與YC3-10均有一致響應(yīng),得到了驗(yàn)證,但YC3-5與YC3-6低阻特征不明顯。此外,還驗(yàn)證確定了7處K5灰?guī)r層低阻異常區(qū)和5處K2灰?guī)r層低阻異常區(qū)的存在,排除了3處K5灰?guī)r層低阻異常區(qū)和2處K2灰?guī)r層低阻異常區(qū)。

5 地質(zhì)成果分析

基于瞬變電磁探測(cè)結(jié)果與激電測(cè)深驗(yàn)證結(jié)果,結(jié)合地質(zhì)與水文地質(zhì)條件分析,可得到本次的地質(zhì)成果,如圖5和表3所示。

圖5 3號(hào)煤層老空水分布區(qū)探測(cè)成果

YC3-1異常西北側(cè)距離約100 m有ZK2-1,東北側(cè)緊挨鉆孔ZK2-2,這2個(gè)鉆孔3號(hào)煤層均為采空區(qū)鉆孔,分析YC3-1為老空水分布區(qū);異常區(qū)東側(cè)存在數(shù)條高壓線路,存在電磁噪聲,異常解釋可靠程度降低;YC3-2異常北側(cè)有鉆孔ZK2-3驗(yàn)證3號(hào)煤層為采空區(qū),此處煤層埋深較淺,2021年夏季降雨量較多,分析大氣降水通過采動(dòng)地表塌陷或裂縫、開采煤層的頂板導(dǎo)水裂隙帶或地裂縫對(duì)采空區(qū)補(bǔ)給,分析YC3-2為老空水分布區(qū);異常區(qū)地表有數(shù)條高壓線,異常解釋可靠程度降低;YC3-3位于2010—2012年3號(hào)煤層采空區(qū)范圍東側(cè),分析YC3-3為老空水分布區(qū);地表沒有干擾,異常解釋可靠程度高。YC3-4異常區(qū)西側(cè)緊挨鉆孔YB-3,3號(hào)煤層為采空區(qū),分析YC3-4為老空水分布區(qū);地表沒有干擾,異常解釋可靠程度高。YC3-5異常區(qū)位于井下生產(chǎn)巷道位置上方,推測(cè)異?？赡転橄锏婪e水引起。YC3-6異常位置有變電所、工業(yè)廣場(chǎng)等地表建筑,數(shù)條高壓線穿過異常區(qū),形成很強(qiáng)的電磁干擾,推測(cè)異?？赡転樽冸娝?、工業(yè)廣場(chǎng)等地表建筑電磁干擾引起。YC3-7異常位置處根據(jù)礦方反映正在進(jìn)行探放水工作,相對(duì)低阻異常與探放水位置相吻合,分析異常為老空水分布區(qū)。YC3-8位于1995—1996年3號(hào)煤層采空區(qū)范圍東側(cè),分享YC3-8為老空水分布區(qū);地表沒有干擾,異常解釋可靠程度高。YC3-9位于1985—1988年3號(hào)煤層采空區(qū)范圍東側(cè),分析YC3-9為老空水分布區(qū);地表沒有干擾,異常解釋可靠程度高。YC3-10位于1983—1985年3號(hào)煤層采空區(qū)范圍,分析YC3-10為老空水分布區(qū);在異常區(qū)北側(cè)存在一條高壓線路,存在電磁噪聲,異常解釋可靠程度降低。

綜上所述,3號(hào)煤層低阻異常區(qū)總面積約為188 284 m2,其中老空水分辨面積約為157 678 m2。此外,還確定了K5灰?guī)r層富水區(qū)面積約為201 986 m2。K2灰?guī)r層富水區(qū)總面積約為65 463 m2。

6 結(jié)論

(1)水文地質(zhì)條件分析與地層電性的地球物理分析為勘探工作奠定了基礎(chǔ),且前期試驗(yàn)表明了開展瞬變電磁法與激電測(cè)深法的可行性,并優(yōu)選了工作參數(shù)。

(2)瞬變電磁法勘探成果解釋出3號(hào)煤層低阻異常區(qū)10處,并同時(shí)識(shí)別了10處K5灰?guī)r層異常區(qū)和7處K2灰?guī)r層異常區(qū)。

(3)激電測(cè)深法進(jìn)一步對(duì)瞬變電磁勘探成果進(jìn)行了驗(yàn)證,核實(shí)了3號(hào)煤層8處低阻異常區(qū)的存在,排除了2處干擾異常。同時(shí)核驗(yàn)了7處K5灰?guī)r層異常區(qū)和5處K2灰?guī)r層異常區(qū)的存在。

(4)依據(jù)前期瞬變電磁勘探成果和后期激電測(cè)深的驗(yàn)證情況,結(jié)合工程地質(zhì)與水文地質(zhì)分析,并考慮野外實(shí)際工況,共確定了8處3號(hào)煤層老空水分布區(qū),并兼顧圈出7處K5灰?guī)r層和K2灰?guī)r層的富水區(qū)。