矿井瞬变电磁法三维可视化探测陷落柱应用研究＊

2014-05-30周嗣辉于景邨蒋宗霖苏本玉常江浩邢修举周璇

中国煤炭 2014年4期

周嗣辉于景邨，2 蒋宗霖苏本玉，2 常江浩邢修举周璇

（1.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏省徐州市，221116；2.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏省徐州市，221008；3.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西省西安市，710000）

目前研究陷落柱发育规律的物探方法主要有三维地震勘探、无线电波透视法、矿井直流电测深法和矿井瞬变电磁法等。在三维地震勘探中，由于地震波被煤层反射严重，导致煤层底板以下的陷落柱发育特征无法准确查明；无线电波透视法只能确定工作面内的局部构造发育，不能研究其与深部岩层的连续性；直流电测深法在多角度探测上也存在缺陷；瞬变电磁法可以实现对不同煤岩层层位的多角度探测，研究陷落柱发育的多种特征，弥补了以上勘探方法的不足，但目前的研究大多还都处于二维的分析研究上，本文基于瞬变电磁法基础理论，采用自然邻点插值方法，实现陷落柱发育形态的三维可视化，为矿井安全生产提供可靠依据。

1 陷落柱发育特征及探测原理

1.1 陷落柱发育特征

煤系或者其下伏地层中含有可溶性岩矿层，由于这些岩层或矿层极易被地下水溶蚀形成溶孔、溶洞，并且会伴随地下水的不间断活动溶蚀空间逐渐增大。含煤区域内，发育有良好的地下水通道（主要是指断层、裂隙和透水性较好的张扭性断裂），它们沟通地下含水层与可溶性岩、矿层之间的水力联系，因此极易导通深部含水层。如果矿井巷道掘进或者工作面回采工程中遭遇导含水陷落柱，短时间内会导致大量的水涌进巷道，甚至会导致淹井事故发生，给矿井安全生产带来极大威胁，因此准确地探查陷落柱构造的存在及其导含水性意义重大。

1.2 矿井瞬变电磁探测陷落柱原理

矿井瞬变电磁法是利用不接地回线向采掘空间周围的煤岩体中发射电磁场，通过在发射间歇测量煤岩体中电性不均匀体感应产生的电场随时间的变化，来达到查明各种地质目标体的目的。由于煤系地层的沉积序列比较清晰，在原生地层状态下，其导电性特征在纵向上有固定的变化规律，而在横向上相对比较均一，陷落柱的形成会打破地层的电性变化规律。当存在陷落柱构造时，若是陷落柱不含水，对应位置岩石导电变差，局部的视电阻率值明显变大；若是陷落柱含水，则其导电性变好，局部的视电阻率值会明显降低，为矿井瞬变电磁法研究陷落柱的导含水状态提供良好的地质条件。

2 陷落柱三维显示技术

2.1 三维数学计算方法

地质问题一般都涉及多方向多角度的测量，因此采集到的大量数据必须经过科学计算，而实现三维显示需要较为准确的数学插值方法。一般多采用克里格方法、自然邻点法、多项式回归法等等。而自然邻点插值方法是一种基于Voronoi Diagram的非结构化网格插值方法，该方法对于处理在空间上高度离散化分布的不规则矿井瞬变电磁探测数据，以及描述数据在空间尺度上的剧烈变化具有良好的效果，因此本次三维显示空间插值采用自然邻点法。

2.2 三维可视化技术

一般的矿井瞬变电磁法探测成果图为反映探测方向横向延拓面上的二维视电阻率等值线拟断面图，而由于巷道空间以及探测装置的限制，无法反映垂直煤岩层方向的视电阻率变化情况。因此在进行矿井瞬变电磁资料处理解释的时候，如果只对横向上的多角度视电阻率等值线拟断面图分析则难以对在垂直方向上煤岩层电性特征发生变化的陷落柱进行空间定位和影响范围的确定。

为了反应垂直方向陷落柱影响范围，并对异常区域进行三维显示，需4个步骤完成。

（1）对矿井下采集到的数据进行预处理，把采集到的时间——归一化感应电位信息转化为探测深度——视电阻率信息，并把离散的数据转化到三维坐标系中。

（2）对水平方向的数据离散点进行自然邻点法插值，生成横向的二维视电阻率等值线拟断面图，从横向的视电阻率变化趋势上找出可能为地质异常区域的位置。

（3）对于疑似地质异常区域的位置，提取多个同一探测深度垂直方向的数据离散点，并进行自然邻点法插值，生成垂向的二维视电阻率等值线拟断面图，分析地质异常在垂直方向的变化范围。

（4）综合对比分析步骤（2）和步骤（3）生成的视电阻率等值线拟断面图，划定地质异常区域范围，并把相应的低阻异常区域经过自然邻点法插值后用三维可视化技术显示出来，给出更为准确的地球物理学解释。

3 工程应用

Ⅳ6210综采工作面为淮北矿业集团袁庄矿的主力回采工作面，该工作面走向长620 m，倾向长170 m。煤层平均厚度1.8 m。采煤工作面沿走向开采，回采至距离联巷口200 m位置时，水平距离工作面运输巷40～70 m位置揭露矸石，经地质调查，确定为陷落柱。为保证矿井安全生产，需查明陷落柱导含水性。从采煤工作面开始沿运输巷共布置22个测点，测点间距为5 m，共计105 m，进行矿井瞬变电磁法探测。每个测点分别对综采工作面煤层底板进行4个方向的探测，探测角度α依次为探测线圈法线方向与煤层底板夹角为－15°，－30°，－45°，－60°，如图1所示。仪器采用澳大利亚Terra TEM型瞬变电磁仪，采样时间为100 ms，叠加次数32次，时间采用标准时间序列，发射线框为边长2 m×2 m×40匝，接收线框为边长2 m×2 m×60匝的重叠回线装置。

图1 探测方向示意图

图2为采用矿井瞬变电磁法在Ⅳ6210运输巷对工作面煤层底板进行陷落柱探测的视电阻率等值线拟断面图，单位Ω·m；X坐标为对应的巷道内测点位置，Y坐标为沿探测方向的探测距离。从上至下的4个探测方向显示结果中可以看出，在X坐标0～100 m，Y坐标小于40 m范围内，视电阻率等值线变化均匀，从10Ω·m递减到3Ω·m，为相对高阻反应区域；而在X坐标50～100 m，Y坐标40～100 m范围内，视电阻率等值线成封闭型曲线（即图中颜色最深部分），其对应区域视电阻率值小于2Ω·m，为相对低阻反应。从上至下探测角度依次增大、探测深度逐渐加深的4个探测方向成果图，视电阻率值小于2Ω·m的低阻区域随着深度的加大逐渐变小（即图中颜色最深部分面积从上至下依次变小），推断该位置赋含水构造发育的可能性极大，但埋藏从浅部到深部煤岩层赋含水性逐渐减弱，与深部的导含水层联系不大。参照已知水文地质资料表明，X坐标50～90 m，Y坐标45～90 m位置对应已经揭露的陷落柱构造。为更具体了解陷落柱构造造成的矿井瞬变电磁法低视电阻率探测结果，研究该处低阻异常影响在纵向上的变化规律，在该探测成果的基础上依次提取3个纵向切片，对应的切片位置为图2中X＝50 m、65 m、80 m 3个断面，提取断面数据并采用自然邻点插值方法对数据进行计算成图，见图3。综合分析异常区域在纵向上变化规律，加强地球物理解释。

图3为3个纵向断面进行自然邻点法数据插值后的视电阻率等值线拟断面图，单位Ω·m；X坐标为沿探测方向的探测距离，Y坐标为相对纵向探测距离。3个切片图从左至右依次反应不同测点坐标沿探测方向的视电阻率变化情况，图中颜色最深部分为视电阻率值小于2Ω·m的低阻反应区域，呈上大下小的漏斗状或似漏斗状，是典型的陷落柱构造轴线方向剖面形态，由此可以明显地看出该陷落柱的纵向剖面发育形态，陷落柱的边界位置也能较为准确的圈定。

图2 横向探测结果视电阻率等值线图

图3 纵向自然邻点法插值后视电阻率等值线图

图2和图3分别从横向和纵向对该探测区域的陷落柱构造发育形态进行了剖分成像，为研究该陷落柱构造在三维空间上发育形态，采用自然邻点法空间插值法对该探测范围内视电阻率数值小于2Ω·m的低阻区域进行空间三维成像描述，生成如图4中深颜色部分所示的陷落柱构造发育特征的三维立体视电阻率显示图，可以形象地看出，该深颜色部分为一个典型的漏斗体型陷落柱构造发育，与陷落柱构造的地质发育特征相符。后经采掘现场分析确认，探测区域划定的陷落柱构造位置与实际揭露陷落柱构造发育位置基本吻合，对本次探测结果进行了准确的验证。由于矿井瞬变电磁法测得的低阻异常体与陷落柱构造发育特征相一致，推断该陷落柱构造充含水，但低阻异常范围从浅部到深部逐渐减小，说明该陷落柱构造赋含水性从浅部到深部依次逐渐减弱，且与深部含水层水力联系不大，不会将深部含水层的水导入回采工作面，排除了矿井安全生产威胁隐患。

图4 陷落柱发育特征三维视电阻率显示图

针对此次矿井瞬变电磁探测结果，矿方结合工作面设计回采范围，在图2中X＝65 m设计两个钻探赋含水探查孔对该陷落柱位置低阻异常区进行验证。钻孔 1 方位角 128°，俯角 54°，孔深78.2 m，终孔层位二灰底板向下5.6 m。施工过程中，出水2 m3。钻孔2方位角311°，俯角75°，孔深65.4 m，终孔层位二灰底板向下5.7 m。施工过程中，出水1 m3。经水质化验表明所充水为顶板砂岩水，与深部含水层无水力联系，后对两钻孔均按照要求进行了注浆封孔。