瞬变电磁法与激电测深法在老空水探查中的应用

张广会

(山西泽州天泰岳南煤业有限公司,山西 晋城 048021)

0 引言

随着近年来社会的高质量发展,对于能源的需求也与日俱增,但是我国目前煤炭占主导地位的能源结构依旧尚未改变[1-2]。“一煤独大”的局面,导致迫切需要煤炭的安全高效开采,因此近年来对于煤矿的智能化建设也越来越重视,但是制约着煤矿智能化发展的重要因素就是需要摸清煤矿地质条件,排查生产所面临的地质灾害问题[3-6]。煤矿水害问题一直是制约着煤矿安全生产的主要地质灾害,其影响仅次于煤与瓦斯突出[7]。在众多水害类型中,老空水占据绝对主导地位,是发生次数最多、造成人员伤亡与财产损失最严重的水害类型[8-9]。尤其是在雨季时节,采空区积水会呈现季节性扩张,水害威胁进一步加大,因此对于老空水需格外关注。对于如岳南煤矿这一类兼并重组型矿井,其小窑分布不清、废旧老巷布设杂乱,导致老空水问题更为突出,是最需关注的隐蔽致灾因素。尤其是其上覆的3号煤层已完成开采使命,其形成的老空水对于下伏的9号煤层与15号煤层是潜在的隐蔽致灾因素,由此可见,查清老空水对后续安全开采至关重要。对于老空水的探查,一般常常采用地面电法类地球物理勘探与钻孔相结合的“物探探查、钻探验证”模式[10-11]。此外,还可采用一种地球物理勘探技术为主进行先期探查,另一种物探技术进行后续跟踪复测验证的方式。在众多地球物理勘探技术中,对于老空水比较敏感的为瞬变电磁勘探技术,其勘探效果好、勘探深度大,以及较易施工等优点,使其在老空水探查中成为了首选[12-14]。但其也存在一定的体积效应,因此又可采用激电测深法进行进一步验证,激电测深法作为一种直流电法勘探技术,其可取得电阻率与极化率两项勘探成果,可从两方面验证前期成果的真实性,因此具有较好的理论基础与实际技术可行性。

基于上述理论,针对岳南煤矿中部采区,为探查3号煤层老空水分布情况,通过分析勘探井田内的地质条件与地球物理特征,并开展瞬变电磁法探查试验,依据试验成果正式开展瞬变电磁探查工作,从而得到老空水分布区,再利用激电测深得到的电阻率与极化率进一步验证上述疑似老空水分布区,最终查明岳南煤矿中部采区3号煤层的老空水分布位置与范围。

1 勘探区概况

1.1 勘探区水文条件分析

岳南煤矿由原岳南煤矿与原岳兴煤矿兼并重组,但在整合前后,矿井周边曾经有10个矿井及小窑进行采掘活动,而后这些小窑被整合或被关闭,其采掘布局不清、越界开采严重。现今,上覆的山西组3号煤层已结束开采并闭层,太原组9号煤层与15号煤层是主要开采煤层。

岳南煤业井田中部勘探区,3号煤层上覆的主要含水层首先是第四系松散含水层,富水性弱;其次,是弱富水性的砂岩裂隙含水层。粉砂质泥岩、粉砂岩与泥岩等在含水层之间形成了较好的隔水层。已采掘完的3号煤层,其中的老空水成为了下伏煤层的主要水害来源。

1.2 地层地球物理特征分析

电磁法地球物理勘探主要依赖于地层的电性差异,老空水呈现为明显的低阻特征,因此电法类勘探很容易识别。本勘探区自上而下地层的电性特征见表1。二叠系上石盒子组上部为泥岩、砂岩,之后的中下部为砂岩、砂质泥岩,并且厚度相对较大,总体表现为电阻率相对较低。再往下为含煤层段的二叠系下石盒子组与石炭系,深色泥岩、灰岩和砂质泥岩与灰岩发育,所以岩层视电阻率值表现为继续偏低。由于本矿区3号煤层已经开采完毕,到3号煤层位置时岩层视电阻率值会出现突变的情况,到9号煤层和15号煤层位置时,电阻率值相对较高的煤层在视电阻率曲线表现出从降低趋势变为上升趋势的拐点,因此,3号煤层层位表现为突变层位,9号煤层、15号煤层层位可视为较高电阻率地层的分界层位。奥陶系灰岩为测区底部岩层,受灰岩自身电阻率特征为高阻的特性,因此总体表现为一较明显的高阻地层区,与上部石炭系低阻地层形成鲜明对比,在视电阻率曲线上表现为迅速升高的趋势,因此可视为一较好的电性标志层。

表1 地层岩性-电性

综上,可视为标志层位的共有2层,即石炭系煤系地层和下部奥陶系灰岩地层(奥灰顶界面层位)。

2 工作参数与可行性试验

试验点1为测区中部且附近无干扰源的2220号线1400点处,试验确定测区较深处正常地层的瞬变电磁响应,选定合适的采集参数。在试验点1处,针对测量装置、发射框大小、发射优势频率、接收通道数量、接收线框面积、接收线框匝数、接收磁通道、供电电流和采集时间进行针对性的试验,综合考虑信号信噪比、信号一致性、抗干扰能力,以及300～550 m埋深的目的层,最终确定的瞬变电磁法勘探参数见表2。

表2 试验参数及结果

试验点2位于已知存在3号煤层老空水的1 900线处,主要目的是确定采空区的瞬变电磁响应特征,试验线长300 m、点距20 m。图1为试验段视电阻率剖面图,横轴为点号,纵轴已将探测视深度换算为高程,其中蓝颜色代表低阻区,红色代表高阻区,黑色线条代表3号煤层底板等高线位置,图中蓝色网格代表矿方提供的已知3号煤层老空水分布位置,黄色虚线网格代表低阻异常区。

图1 试验段视电阻率剖面

表3 3号煤层老空水一览表

试验线地面标高在892.74～945.59 m,3号煤层底板标高在735～748 m,煤层埋深在200 m左右。视电阻率垂向上以“低-中-高”趋势分布,高程+800 m以上的浅层是为20～50 Ω·m的低阻,对应着二叠系砂泥岩地层;高程+800～650 m、50～100 Ω·m的中高阻,为含煤地层;高程+650 m以下视电阻率较高,变化范围在100～140 Ω·m为奥陶系灰岩。在测线1 760～1 880测点范围内,3号煤层附近视电阻率明显偏低,而该低阻异常区位置同已知3号煤层老空水位置基本相对应。

综上所述,利用瞬变电磁法对目的层3号煤层老空水进行探查是合理有效的方法选择,并确定了可满足本次勘探地质任务要求的工作参数。

3 瞬变电磁法探查

3.1 探查工作概况

3.4 km2的勘探范围采用线距40 m、点距20 m进行施工,包含2条试验线在内共计74条勘探线,累计4 938个物理点,其中包括占比4.2%的209个检查点。除高压线影响区域580个测点不进行评级外,甲级点3 693个,占总数的89%,乙级点456个,占总数的11%,试验点、质量检查点全部合格,全区综合评价为“优秀”。

3.2 探查成果分析

3.2.1 数据处理与解释

针对野外采集的数据,通过滤除或压制干扰信号以提高数据信噪比,而后再进行视电阻率和深度反演。解释过程中,在坚持众多解释原则的前提下,基于试验段已知老空水电性特征、地质资料、勘探成果数据,以及数理统计分析,从而确定最终的划分阈值。基于本次的实际数据情况与实际地质条件,确定本次低阻异常体的识别阈值为45 Ω·m。

3.2.2 测线剖面分析

针对72条瞬变电磁测线进行处理解释后可以得到72张视电阻率剖面图。本次探查工作的重点在于3号煤层老空水,并兼顾含煤地层的灰岩含水层,主要勘探深度范围为60～560 m(高程范围约为+600～+1 100 m)。

图2为L940号测线视电阻率剖面图,该线位于测区南部,长度为1 120 m,沿126°方位角方向布设。其总体趋势与试验段基本相似,垂向上也是“低-中-高”分布。高程+720 m以上的浅层为20～50 Ω·m的低阻,是二叠系砂泥岩地层;高程+720～+600 m、50～100 Ω·m的中高阻,为含煤地层;高程+600 m以下视电阻率较高,变化范围在100～140 Ω·m,为奥陶系灰岩。测线1 640～1 800 m测点范围内,3号煤层视电阻率低阻特征较为显著。根据地质资料,L940测线无断层与陷落柱通过,故分析该处为采空水分布的可能性较大。基于此分析思路可对72条测线成果逐一分析解释,识别低阻异常区。

图2 L940测线视电阻率剖面

3.2.3 平面切片分析

图3为沿3号煤层视电阻率切片图。根据前期确定的异常划分阈值45 Ω·m,再依据测线剖面解释成果,结合地质分析,划分了10处3号煤层低阻异常区,编号分别为YC3-1、YC3-2、YC3-3、YC3-4、YC3-5、YC3-6、YC3-7、YC3-8、YC3-9与YC3-10。YC3-1位于勘探区北部,呈近似椭圆形分布,视电阻率幅值在35～45 Ω·m;YC3-2位于勘探区东北部,呈半圆形分布,异常区开口向勘探区外,有向勘探区东部边界外延伸的趋势,幅值在35～45 Ω·m之间;YC3-3位于勘探区中北部,呈不规则状分布,视电阻率幅值在36～45 Ω·m;YC3-4位于勘探区中北部,呈近似椭圆形分布,视电阻率幅值在37～45 Ω·m;YC3-5位于勘探区中部偏西,呈近似圆形分布,幅值在42～45 Ω·m;YC3-6位于勘探区东部,呈不规则状分布,视电阻率幅值在42～45 Ω·m;YC3-7位于勘探区中部偏南,呈宽缓条带状分布,视电阻率幅值在38～45 Ω·m;YC3-8位于勘探区中部偏南,呈近似梨形分布,视电阻率幅值在42～45 Ω·m;YC3-9位于勘探区南,呈不规则状分布,视电阻率幅值在38～45 Ω·m;YC3-10位于勘探区南,呈不规则状分布,异常区开口向勘探区外,有向勘探区东部边界外延伸的趋势,视电阻率幅值在38～45 Ω·m。

图3 沿3号煤层视电阻率切片

此外,还圈定了10处K5灰岩层低阻异常区和7处K2灰岩层低阻异常区。

4 激电测深法验证

为确认瞬变电磁法探查的有效性,特选择另外一种方法——激电测深法来对本次探查的异常区范围进行验证。选择供电极距(AB/2)最大极距选择最大目的层深度的1.5～2倍,即最大AB/2极距为600 m。采用正反向方波供电,供电周期8 s、迭加次数1次、延迟时间200 ms、宽度20 ms等采集参数。如图4所示,针对前期的YC3-7所对应的激电测深验证成果剖面,该测线3号煤层埋深在150～240 m(西南浅、东北深),按激电测深系数0.75计算,对应AB/2在200～320 m,从电阻率、极化率断面图可知,视电阻率等值线整体表现为西南高、东北低,这与瞬变电磁所测结果相一致。此外,极化率在AB/2等于267～320 m时表现为高低高的形态。综合各项指标成果分析,结合本区域地质与水文地质条件,本测线东北侧有3号煤层老空水分布,西南部分含水小或不含水,与瞬变电磁所推测的3号异常区YC3-7基本一致,即YC3-7低阻异常区真实存在,应为3号煤层老空水分布区。

图4 激电测深验证成果剖面

基于上述思路,针对前述的10处3号煤层低阻异常区可逐一验证分析。结果表明,YC3-1、YC3-2、YC3-3、YC3-4、YC3-7、YC3-8、YC3-9与YC3-10均有一致响应,得到了验证,但YC3-5与YC3-6低阻特征不明显。此外,还验证确定了7处K5灰岩层低阻异常区和5处K2灰岩层低阻异常区的存在,排除了3处K5灰岩层低阻异常区和2处K2灰岩层低阻异常区。

5 地质成果分析

基于瞬变电磁探测结果与激电测深验证结果,结合地质与水文地质条件分析,可得到本次的地质成果,如图5和表3所示。

图5 3号煤层老空水分布区探测成果

YC3-1异常西北侧距离约100 m有ZK2-1,东北侧紧挨钻孔ZK2-2,这2个钻孔3号煤层均为采空区钻孔,分析YC3-1为老空水分布区;异常区东侧存在数条高压线路,存在电磁噪声,异常解释可靠程度降低;YC3-2异常北侧有钻孔ZK2-3验证3号煤层为采空区,此处煤层埋深较浅,2021年夏季降雨量较多,分析大气降水通过采动地表塌陷或裂缝、开采煤层的顶板导水裂隙带或地裂缝对采空区补给,分析YC3-2为老空水分布区;异常区地表有数条高压线,异常解释可靠程度降低;YC3-3位于2010—2012年3号煤层采空区范围东侧,分析YC3-3为老空水分布区;地表没有干扰,异常解释可靠程度高。YC3-4异常区西侧紧挨钻孔YB-3,3号煤层为采空区,分析YC3-4为老空水分布区;地表没有干扰,异常解释可靠程度高。YC3-5异常区位于井下生产巷道位置上方,推测异常可能为巷道积水引起。YC3-6异常位置有变电所、工业广场等地表建筑,数条高压线穿过异常区,形成很强的电磁干扰,推测异常可能为变电所、工业广场等地表建筑电磁干扰引起。YC3-7异常位置处根据矿方反映正在进行探放水工作,相对低阻异常与探放水位置相吻合,分析异常为老空水分布区。YC3-8位于1995—1996年3号煤层采空区范围东侧,分享YC3-8为老空水分布区;地表没有干扰,异常解释可靠程度高。YC3-9位于1985—1988年3号煤层采空区范围东侧,分析YC3-9为老空水分布区;地表没有干扰,异常解释可靠程度高。YC3-10位于1983—1985年3号煤层采空区范围,分析YC3-10为老空水分布区;在异常区北侧存在一条高压线路,存在电磁噪声,异常解释可靠程度降低。

综上所述,3号煤层低阻异常区总面积约为188 284 m2,其中老空水分辨面积约为157 678 m2。此外,还确定了K5灰岩层富水区面积约为201 986 m2。K2灰岩层富水区总面积约为65 463 m2。

6 结论

(1)水文地质条件分析与地层电性的地球物理分析为勘探工作奠定了基础,且前期试验表明了开展瞬变电磁法与激电测深法的可行性,并优选了工作参数。

(2)瞬变电磁法勘探成果解释出3号煤层低阻异常区10处,并同时识别了10处K5灰岩层异常区和7处K2灰岩层异常区。

(3)激电测深法进一步对瞬变电磁勘探成果进行了验证,核实了3号煤层8处低阻异常区的存在,排除了2处干扰异常。同时核验了7处K5灰岩层异常区和5处K2灰岩层异常区的存在。

(4)依据前期瞬变电磁勘探成果和后期激电测深的验证情况,结合工程地质与水文地质分析,并考虑野外实际工况,共确定了8处3号煤层老空水分布区,并兼顾圈出7处K5灰岩层和K2灰岩层的富水区。