TEM技术在浅埋多层采空区探测中的应用

2023-11-14雷鹏翔魏新帅

陕西煤炭 2023年6期

雷鹏翔,魏新帅,茹良

(陕西陕北矿业韩家湾煤炭有限公司,陕西榆林 719315)

0 引言

随着煤矿大规模高强度开采,浅部煤炭资源消耗殆尽。同时由于前期乱采滥挖,形成了众多形态复杂,缺乏准确、详细地质资料的小窑积水采空区。积水采空区赋存特征复杂,甚至会出现多层采空区重叠的现象[1-3]。在开采深部煤炭资源时需落实煤矿防治水16字方针,探明上部采空积水区范围。瞬变电磁法是一种常用的积水采空区地球物理勘探方法,其具有对低阻体反映灵敏、野外施工速度快、对地质异常体的分辨能力较高等优点[4-6]。近年来,采用瞬变电磁探测煤矿积水采空区成为一项热门技术,国内外众多相关专家、学者在此邻域开展了一系列研究。

瞬变电磁法为目前较为常见的积水采空区地球物探技术,基于该技术对低阻体物质有着较强的敏感性,尤为适合野外作业,能够高可靠地分辨出地质异常体等。这些年,瞬变电磁探测煤矿积水采空区俨然成为时下热点。例如,顾光跃等[7]以华北型煤田某小煤窑采空区为例,采用大定源回线装置进行瞬变电磁法探测,随后进行了钻探验证,结果表明推断采空区与钻探揭露情况相差无几;徐慧等[8]收集分析了大量陕北浅埋煤层地区采空区地质及地球物理资料,总结了采空区的地球物理特征,并根据结果有针对性的设计了多组不同的施工参数开展试验,形成了一整套技术路线,在后续的采空区地球物理探测中取得了不错的应用效果;陕北某矿早期采用房柱式开采方式,采空区的埋藏深度、分布范围和积水情况不明,对下一步的开采造成巨大安全隐患,为此杨勇[9]利用瞬变电磁法及高密度2种方法相互配合对采空区进行勘查,出色的完成了探测任务;李刚[10]结合地面瞬变电磁技术围绕李村煤矿二采区顶底板富水区以及形态予以研究。前面的研究主要围绕单个目标体,没有围绕多层目标体展开精细监测。笔者以陕北矿业韩家湾煤矿为例,采用瞬变电磁正演模拟和约束反演技术进行多层采空区积水的精细探测。

1 测区概况与地球物理特征

探测对象是陕北矿业韩家湾煤矿,矿井为斜井多水平的开拓形式。煤层分为5层,为典型的近水平煤层群,2-2、3-1、4-2煤层为大部分可采、全部可采类型。目前,2-2煤层全井田初步实现了回采,目前正围绕3-1煤层进行开采,同时4-2煤层的开采工作也已进入了准备阶段。2-2煤与下伏3-1煤层间距30.75～52.05 m,平均38.22 m。3-1煤层与下伏4-2煤层的间距34.15～45.16 m,均值为36.39 m。由《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》(2017)相关计算公式分析可得3-1煤层垮落带高度为7.9～11.94 m,导水裂隙带最大高度是30.40～44.66 m,3-1煤层导水裂隙带可完全导通至上覆2-2煤层采空区。

井田区域地层从老到新分别包括上三叠统永坪组(T3y)、直罗组(J2z)、全新统风积沙(Q4eol)。结合地质信息以及该矿的钻孔电测井曲线可以确定当地地层电性从浅到深的主要呈现方式即“低阻—高阻—低阻”变化特性,纵向的电性特点较为显著。

2 理论正演模拟计算

阶跃电流影响下,回线中心的层状介质频率域电磁响应[11]即为

(1)

瞬变电磁场解析求解的主要过程是在利用频率域内的亥姆霍兹方程获得谐变场,之后结合时-频域转换方式把频率域的电磁场转化至时间域形式。一般而言,瞬变电磁场基于阶跃波以及其他的类型的脉冲电流波形在大地激发形成过渡过程场,阶跃波因为激发便捷、有效,得到广泛认可。响应的关系式为

(2)

通过傅里叶变化可以得到时间域的响应,阶跃电流激发下的磁场强度垂直分量为

HZ(t)=

(3)

磁感应强度垂直分量的微分参数为

BZ(t)=

(4)

式(4)可采用线性数字滤波技术计算。

晚期瞬变电磁阀近场模式下,其视电阻率函数为

(5)

V(t)=BZ(t)SrN

(6)

式中,V(t)为所观测的二次感应电压;M为发送磁矩;q为接收线圈总面积;Sr为单匝接收线圈面积;N为接收线圈匝数。由式(4)、式(5)、式(6)可求解得到瞬变电磁法视电阻率数值。

就探测区域内井田中的钻孔信息予以梳理,构建与之对应的地电结构参数,地电模型如图1所示。进行正演模拟计算,发射回线为320 m×320 m(考虑目标层埋深,参考以往勘探经验,正演首选该参数),电流为10 A。

图1 地电模型

理论模拟结果如图2所示,图2(a)为二次场电压衰减曲线,采空积水地层模型信号强度明显大于正常地层。图2(b)是对应视电阻率响应结果,地层视电阻率从早(期)到晚(期)为由高至低的形态,采空积水地层模型视电阻率由早到晚呈现低高低的形态特点,中早期为典型的低阻响应。

图2 正演数值模拟结果

3 基于自适应算法的Occam反演

自适应正则化算法,即反演阶段可综合特殊的准则自适应控制正则化函数的取值模式。学者Zhdanov构建了一种结合初始信息拟合方程以及模型约束方程的比值来明确正则化因子初始结果的方法,该方法可以在数据拟合效率不高的情况下,将正则化因子予以衰减以实现自适应[12-15]。

Occam反演基于典型的带平滑限制的最小二乘反演模型,于特定的拟合偏差机制下保证模型的粗糙性最低。结合Occam反演模型的核心内容,可构建对应的目标方程为

(7)

(8)

式中,z为深度,选择zi/zi-1来当做某一低于1的常量,因而可改成矩阵的方式

R=‖∂m‖2

(9)

其中∂为粗糙度矩阵,表示为

(10)

((WJ1)TWJ1+μ∂T∂)Δmk=(WJ1)TWΔdk

(11)

式中,Δmk,Δdk,J1分别为第k次反演的模型修改量、第k次模型响应以及观测信息的残差、雅可比矩阵,它的元素即为Jij=∂Fi[m]/∂mj。

为了反演方法的有效性,构建KH型地电模型,各层的电阻率由上至下依次为100 Ω·m、500 Ω·m、100 Ω·m、500 Ω·m,各个层厚分别是50 m、100 m、100 m,表现出“低阻—高阻—低阻—高阻”特点,正演时回线源边长为360 m×360 m,信号采样延时至10 ms。反演期间假定最高的反演深度是600 m,模型电性层数定为30,结合对数等间隔离散每层的层厚,切实降低矩阵函数的病态性。

综合地电模型中的第3层电性和层厚作为先验系统信息分析约束反演效果,计算过程中逐渐的提高约束,同无约束对比,存在约束时的反演效果显著提升。如图3所示,低阻层进行约束的反演效果良好,不难看出是否施加约束的情况下反演都可以表现出四层电性结构,而无约束情况下的第2层以及第3层的差异不明显,分层也不突出,同时第2～4层反演电阻率结果同给定的参数有着明显的不同,给予第3层条件约束的情况下,该层的反演电阻率结果趋向给定的参数,每层的电性差异性提高,分层质量也有了极大的提升,反演的高阻层参数趋向给定的数值。

图3 反演成果比较

4 施工布置及探测成果分析

4.1 施工布置与参数选择

基于回线源瞬变电磁方法,针对采空区积水情况和煤层的顶板含水层富水情况展开探测,测线网格密度设计为40 m×20 m。线距、点距分别是40 m以及20 m,测线76条,发射回线边长320 m,发射的电流约为15 A,施工布置如图4所示。

图4 施工布置

4.2 探测效果分析

基于晚期视电阻率公式将47测线响应数据进行计算,得到时间道-视电阻率等值线拟断面图,具体如图5所示,其横向坐标表示水平距离,纵向则是各个测点时间道结果。从图5可看出视电阻率等值线相对稳定,却无法反映探测位置的“低阻—高阻—低阻”地电结构特点,此外,图内也难以直接的得到积水采空区和煤层顶板含水层富水区的低阻异常,电性分层表现并不理想,没有完成对多层目标的精细化勘探。通过约束反演技术手段进行处理,图6给出了该测线反演后成果,处理时参照钻孔电阻率数据作为先验系统进行计算,反演之后的断面纵向电性变化信息同实际地层大致相同,分层能力得到了提升。2-2、3-1及4-2煤层的顶板部分区域呈现明显的低阻特征。

图5 时间道-视电阻率拟断面

图6 反演电阻率断面

图7～图9则是多目标层低阻异常位置的平面图。图中回采大巷东侧为现代化的综采模式,2-2煤层已回采完毕,采空后地表出现许多的地裂缝,长时间的降水和含水层赋存水补给,导致上述工作面低洼的位置可能会存在大面积的积水。下方的3-1煤层低阻异常位置和2-2煤层低阻异常位置相近,与2-2煤层采空积水往下渗透补给可能相关。从整体来看4-2煤层顶板异常强度有明显的降低,同时范围也显著缩小,为明显的片状的分布形态。测区内4-2煤层为进行采掘工作,圈定的5处低阻异常区推断可能都是该煤层顶板砂岩裂隙含、富水导致。从矿方收集的资料可知,213105及213106工作面采空区停采线位置为采空标高最低处,利于水的汇集。2021年6月30日,位于该位置的1号密闭放水孔出水量为15 m3/h,充水源为213106采空区积水和含水层,后涌水量趋于稳定。综上,可以证明此次电法勘探成果可靠。