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基于CSAMT的贵州山区煤矿深部富水区探测研究

2022-09-29陈品雄罗聪徐林

采矿技术 2022年5期
关键词:灰岩岩溶电阻率

陈品雄 ,罗聪 ,徐林

(1.贵州煤田地球物理勘探有限责任公司, 贵州 贵阳 550014;2.贵州省煤田地质局一七四队, 贵州 贵阳 550014)

贵州山区,尤其是黔北地区的煤系地层上覆长兴组地层及玉龙山组为灰岩地层,下覆茅口组为灰岩地层,灰岩的岩溶、岩体节理裂隙、构造等是矿山开采的重要致灾因素。多数矿井开采深度为200~600 m,随着开采深度增加,直流电阻率法探测煤矿水害已经不能满足要求;而瞬变电磁法在贵州山区受地形起伏及植被影响,大发射框施测难度大、效率低。可控源音频大地电磁法(CSAMT)具有探测深度大、工作效率高、抗干扰性强、受地形影响相对较小、设备相对轻便和横向分辨率高等特点,将成为贵州山区煤矿水害勘探的重要方法[1-5]。

可控源音频大地电磁法(CSAMT)是在大地电磁法(MT)、音频大地电磁法(AMT)为基础发展起来的方法,其采用人工源,提高了信号强度,但由于低频数据的非平面波效应导致的近场效应,过渡带数据产生低谷,近场区数据陡升,使低频数据不能正常反映深部电性特征[6-8]。本文以黔北地区新田井田可控源音频大地电磁测深数据为基础,针对CSAMT低频数据进行近场校正分析处理,以期达到充分利用低频数据的目的[9-10]。

1 近场效应形成原因及处理方法

1.1 CSAMT(标量测量方式)原理

一般以长度为1~2 km接地导线向地下发送不同频率的交变电流形成交变电磁场,观测磁场振幅Hy和电场振幅Ex。根据Cagniard(卡尼亚)公式求得地下介质的视电阻率和阻抗相位:

式中,ρs为视电阻率,Ω·m;f为发射频率,Hz;Ex为x方向的电场强度,Ⅴ/m;Hy为y方向的磁场强度,A/m;φ为阻抗相位;φE表示电场相应;φH表示磁场相伴。

CSAMT法探测的深度与大地电阻率和信号频率有关,估算有效深度H的近似公式为:

式中,H为探测深度,m;σ为趋肤深度,m;ρ为大地电阻率,Ω·m。

由式(3)可知,当大地电性结构一定时,通过转换收发电磁信号的频率可测到不同深度的地电信息,从而达到勘探目标地质体的目的。

1.2 近场效应

因为采用人工源,接收机靠近场源(采集低频数据)时,收发距r不能远远大于趋肤深度,电磁波为非平面波,不满足平面波垂直地面的假设条件,利用卡尼亚公式计算得到的视电阻率及阻抗相位会发生畸变,表现为过渡区出现低谷,近场区低频段视电阻率以近45°陡升,阻抗相位下降趋于0,远场区以外数据不适合理论公式。近场区电场与磁场完全饱和且磁场按照1/r2衰减;远场区电场与磁场水平分量按照1/r3衰减。在近场区与过渡区曲线形态无法用MT或AMT方法进行解释,限制了低频段数据的使用。

1.3 近场数据处理方式

Kn在近场时为常数 0.63,Kf在远场时为常数1。根据实际f,r和测定的值,可以把研究区分为远场区、近场区及过渡区。

在远场区,因为Kf=1,表明式(4)与式(1)相同,而在近场区和过渡区则必须用Kf和Kn系数进行校正。

2 研究区富水区特征

研究区地层出露地层有:三叠系下统夜郎组玉龙山段上部(灰岩)、三叠系下统夜郎组九级滩段下部(粉砂岩、泥岩)及第四系。未出露地层有三叠系下统夜郎组玉龙山段下部(灰岩)、沙堡湾段(主要为泥岩)、二叠系上统长兴组(灰岩)、龙潭组(含煤地层,主要由薄至中厚层状粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、泥岩及少量细砂岩组成)及下统茅口组(灰岩)。

研究区断裂和岩溶发育。T1y2含水层富水性强,部分区域直接裸露地表,沿节理密集带在T1y2含水层发育呈南北延伸的沟谷,沿沟谷形成季节性地表溪流,雨季沟谷中地表溪流在径流过程中多沿落水洞集中注入地下,成为T1y2地下水的补给来源。

主采煤层M4与P3c-T1y2含水层间隔水岩层厚度小于矿井顶板冒落导水裂隙带高度,未来开采过程中,P3c-T1y2岩溶地下水将通过裂隙或断层带进入矿井,造成矿坑涌水,特别是暴雨期间,大量地表水可能通过落水洞涌入矿坑,造成矿坑突水。P2m灰岩若存在岩溶裂隙发育,其对后续煤矿开采龙潭组底部煤层会造成水患威胁。研究区位于F5正断层附近。F5正断层位于井田西南部蒙家寨-梨子冲一带,长3.2 km,走向NE35°~45°,倾向SE,倾角为71°,地表出露清楚,落差30 m左右。

通过对研究区及附近区域进行野外踏勘和调查,研究区无采掘活动。结合该区地层及地层产状情况,地表泉点、岩溶、构造发育情况,研究区主要水患(富水区)为 F5正断层和 T1y2、P3c、P2m灰岩内形成的岩溶裂隙。

结合研究区附近钻孔的测井视电阻率曲线资料,将工区内地层视电阻率进行了统计,统计结果见表1。

表1 研究区附近钻孔岩心视电阻率测量统计

3 近场校正效果分析

本次 CSAMT探测布置一个发射源,长度为1990 m,收发距为8.25~8.65 km(大于探测深度10倍),接收偶极矩为20 m。采用标量测量方式。

图1为1号测线10 m、130 m、230 m测点卡尼亚电阻率和阻抗相位曲线,虽然1号测线收发距为 8.65 km,但从曲线可以看出近场效应明显。卡尼亚电阻率阻抗相位曲线均比较圆滑,未出现明显畸变点,在低频200~50 Hz左右,卡尼亚电阻率明显进入低谷,尾部明显升高;阻抗相位在200 Hz左右出现最高点,低频衰减逐渐趋近于0。200~50 Hz明显进入过渡带低谷,50 Hz以后明显进入近场区。表明在高频区域(远场区),卡尼亚视电阻率能够客观地反映出地电断面的垂向变化;但在过渡区和近场区,电场和磁场衰减的强度变化不一致,卡尼亚视电阻率不能正确反映地电断面变化情况。

图1 1号测线10 m、130 m、230 m测点卡尼亚电阻率和阻抗相位曲线

图2为1号测线10 m、130 m、230 m点位实测卡尼亚电阻率和近场校正后视电阻率曲线。近场校正后远区(高频段)无变化,过渡带低谷消失,近场区低频曲线不再陡升。表明近场校正效果良好,较好地解决了过渡带及近场引起曲线畸变的问题。

图2 1号测线10 m、130 m、230 m测点实测卡尼亚电阻率曲线(黑色)和近场校正后视电阻率曲线(蓝色)

4 剖面异常响应分析

图3为1号测线二维反演电阻率剖面图(横纵比例为1:5)。从电阻率剖面可以看出,T1y3地层整体呈相对低阻,符合砂岩和泥岩电性特征;T1y2地层呈相对高阻,符合灰岩电性特征;P2m地层整体呈相对高阻,符合灰岩电性特征;P3l地层呈相对低阻,符合粉砂岩、泥岩、煤层电性特征;尤其T1y1、P3c呈相对低阻(泥岩)—高阻(灰岩)薄互层,电性特征反应不明显。表明CSAMT在纵向对高阻及低阻地层分辨率均较好;由于厚度关系,对薄层高阻或低阻互层反应不明显。

F5断层为正断层,倾角为71°,断距约31 m,出露明显。在图3上显示上盘为相对高阻,下盘为相对低阻,推断下盘发育破碎带发育,F5断层电性特征反应明显。

图3 1号测线二维反演电阻率剖面

据图3推断岩溶发育范围6个,均呈相对低阻。T1y2地层发育4个,编号I至Ⅳ;P3c地层发育1个,编号Ⅴ;P2m地层发育1个,编号Ⅵ。该区域无煤层露头,煤层埋深,据调查该区域未发生过煤层采掘活动,无采空区。

图4为2号测线二维反演电阻率剖面图(横纵比例为1:5)。各地层电性特征与1号测线相似,表明CSAMT整体对高阻及低阻的地层均反应明显,对高低阻互层的薄地层反应不明显,对横向上 F5断层反应明显。

图4 2号测线二维反演电阻率剖面

据图4推断岩溶发育范围9个,均呈相对低阻。T1y2地层发育6个,编号I至Ⅵ;P3c地层发育1个,编号Ⅶ;P2m地层发育2个,编号Ⅷ和Ⅸ。该区域无煤层露头,煤层埋深,据调查该区域未发生过煤层采掘活动,无采空区。P2m地层发育较1号测线偏低,根据研究区附近302号钻孔,茅口灰岩发育裂隙及溶蚀,表明测线2区段岩溶裂隙较为发育。

根据以上两个剖面特征:表明通过近场校正后,CSAMT在纵向对高阻及低阻地层分辨率均较好;由于厚度关系,对薄层高阻或低阻互层反应不明显。F5断层断距30 m,从浅部至深部均反应明显,表明通过近场校正后,CSAMT在横向上从浅部至深部均有良好的分辨率。两条测线共推断的岩溶发育位置15个,其横向大小为15~30 m,表明通过近场校正后,可控源音频大地电磁法横向上区分岩溶异常也具有良好的效果。

5 结论

(1)对数据进行近场校正,近场校正后远场区(高频段)无变化,过渡度带低谷消失,近场区低频曲线不再陡升。近场校正效果良好,较好地解决了过渡带及近场引起曲线畸变的问题。

(2)对部分剖面进行分析,表明通过近场校正后,CSAMT在纵向对地层分辨率较好,其结果与测井曲线统计的视电阻率吻合度好;CSAMT对断层具有良好的分辨率,对岩溶异常也具有良好的地响应效果。

(3)通过实测资料,可控源音频大地电磁在按测量10倍深度选择收发距时近场效应相当明显,对其低频数据进行近场校正处理提取并应用十分有必要。通过对实测资料近场校正处理后,能很好地反映深部地层及富水区的异常特征,表明视电阻率数据相当于远区视电阻率数据,提高了 CSAMT深部低频数据的可靠利用程度,能更好地服务于贵州山区矿山复杂地质条件下的的深部防治水工作。

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