瞬变电磁法在采空区积水与灰岩富水区探测中的应用

2024-01-26郭红雷

陕西煤炭 2024年2期

郭红雷

(山西高平科兴米山煤业有限公司,山西晋城 048400)

0 引言

水害作为煤矿开采过程中所面临的第二大灾害,严重威胁着煤矿安全高效绿色生产[1-3]。近年来,煤矿水害所引发的事故灾害次数和人员伤亡均呈现为逐年下降的趋势,但2021年局部反弹[4]。可见,煤矿水害问题依旧值得重点关注。特别是整合矿井,开采程度较深,以及下组煤开采尤为需要重视水害问题[5]。米山煤矿作为资源整合矿井,3号煤层已基本采空,采空区积水威胁大,同时所开采的15号煤层顶板灰岩层水害问题也威胁着煤矿安全生产。因此,查明15号煤层上覆的采空区积水、灰岩富水区是其面临急需解决的问题。目前,对于煤矿水害的探测,主要依赖于地面地球物理勘查技术与钻探技术[6],其中地球物理勘查技术凭借施工快捷、覆盖面大、性价比高等优势,得到了很好的推广应用[7-8]。在众多地球物理勘查技术中,瞬变电磁技术可以很好的反映介质的相对电性差异,对于含水体这一低阻异常体可以进行很好识别,因此在地面探测中常常用于水害的探查[8-10]。对于采空区积水、灰岩富水区的瞬变电磁探测成果,一般采用钻探验证,但其周期长、成本高[11]。为快速验证瞬变电磁法的探测成果,可采用不同物探技术进行相互验证,由此衍生出水害综合物探技术。基于此思路,在前期分析地质、水文资料的基础上,结合地球物理特征分析,通过瞬变电磁试验确定探测设备、回线装置与探测参数,从而开展瞬变电磁探测,初步确定15号煤层的上覆采空区积水和灰岩富水区,并进一步进行不同硬件设备、回线装置与探测参数的瞬变电磁法浅埋区复测和不同物探技术的直流电法复测,从而验证前期成果,以提高矿井水文地质勘探程度,夯实矿井防治水技术基础,进而为下一步安全高效绿色开采提供技术支撑。

1 地质概况与地球物理特征

1.1 地质概况

米山煤矿为资源整合矿井,3号煤层资源已枯竭,仅剩余部分煤柱未采,现开采15号煤层。15号煤层位于K2灰岩之下,平均距3号煤层92.40 m。

地层中的砂岩、灰岩局部可形成良好的储水空间,本探测区自上而下共存在五大含水层。地表水、大气降水,经塌陷区、地裂缝、构造裂隙、采动裂隙等导水通道进入含水层,更进一步可进入煤层。15号煤层开采主要受K5、K2灰岩水影响,同时3号煤层采空区积水通过导水通道也威胁15号煤层的采掘。

1.2 地球物理特征

地面瞬变电磁法探测中,对于地层而言,其电性呈现为横向均一、垂向差异的特征,即横向上地层连续,视电阻率也相同、连续分布。垂向地层岩性不同造成了视电阻率垂向的差异性。此外,构造的发育会造成地层不连续,从而形成电性差异的现象。理论上,采空区积水、岩层富水区因水体的存在,其电阻率相对正常地层明显偏小[12-13]。本次探测区自上而下,第四系为中高阻,二叠系整体上呈相对中等电阻,石炭系宏观上为相对中高阻反映,奥陶系则表现为高阻,见表1。

2 探测试验

在正式开展瞬变电磁探测之前,先期需开展探测试验,以选择合适的硬件设备、工艺装置与探测参数。探测试验点选择在了人为干扰较小,并可揭露大部分地层的钻孔附近。试验设备选用了国际应用最为广泛的V8电法系统,采用大定源回线工艺装置,试验内容见表2。综合考虑3号煤层与15号煤层0～235 m的埋深深度、探测深度范围、探测能量、抗干扰能力、探测分辨率与深度、信噪比、多探头相对误差和场源强度等因素,优选出的参数见表2。

表1 地层岩性-电性

表2 试验参数及结果

在钻孔ZK2-2附近的L6测线里程700 m至900 m段,进行地层电性评价和有效性评价试验,该段地势平坦,无电性干扰,交通方便,地表为黄土覆盖。视电阻率剖面如图1所示,呈现为典型的高—中—低的地层电性分布趋势。浅部+810～+840 m高程段为第四系松散的粘土层,呈现为视电阻率中高阻现象;中部+780～+810 m高程范围为二叠系砂岩、泥岩层,且受3号煤层采空区影响,呈现为中低阻视电阻率;自780 m高程的石炭系、奥陶系视电阻率逐渐增大。

图2为钻孔ZK2-2视电阻率测井显示,视电阻率自3号煤层总体呈现增大的曲线,实际地层电性分布与试验剖面趋势一致。110 m、157 m、165 m处电阻率值为极大值,分别对应了K5灰岩、K2灰岩、15号煤层。

综上所述,本瞬变电磁法的硬件设备、大定源回线装置,以及探测参数符合地层电性规律,方法可靠有效。

图1 试验段视电阻率剖面Fig.1 Apparent resistivity profile of the test section

图2 钻孔测井视电阻率曲线Fig.2 Apparent resistivity curve of borehole logging

3 瞬变电磁探测成果分析

3.1 探测工作概况

本次完成瞬变电磁试验线1条、试验点20个、检查点110个、基本物理测点1 390个、测线20条,总计物理点1520个,面积1.06 km2。检查点占比7.24%,总平均相对误差3.25%,中误差超限点5个、占检查点的4.5%,达到了质控要求。甲级1 218个、达到80.13%,乙级283个、达18.62%,废点19个、空点0个、空点废品率1.25%。总体数据质量较好,达到质控标准,满足后期处理与解释。

3.2 探测成果分析

3.2.1 数据处理与解释

采集的瞬变电磁数据,经前期预处理后,通过异常点删除、曲线滤波、高程校正后,进行全期视电阻率反演。在解释中,同一地层连续分布、电性特征一致,其视电阻率也一致,阻值分布连续、稳定。若地层局部含水时,此处电阻率降低,呈现为局部相对低阻现象。依据此特征,结合地质、水文条件可圈定低阻积水、富水异常区。

以地质分析为基础,结合实测数据数理统计,可确定低阻异常区阈值。根据视电阻率算术平均值与视电阻率标准偏差值的数学关系可以划分5个级别。经计算,δn为110 Ω·m,δn为90 Ω·m,五级分区结果见表3。依此标准,把视电阻率值≤20 Ω·m(部分区域按相对低阻原则有所扩大)定义为采空区积水、岩层富水区的相对阈值。

阈值的确定为低阻富水异常区的划分提供了物探依据,根据物探划分的异常区结合已有地质资料和井下采掘资料进行去伪存真分析,可以确定采空区积水、灰岩富水区的大小和分布情况。

表3 视电阻率数据分级

3.2.2 视电阻率剖面分析

图3为L2测线视电阻率剖面,位于二采区南部,主要为平缓耕地,地表为黄土覆盖,无明显干扰。浅部为第四系松散粘土层中高阻,中部为二叠系中低阻,下部为大规模石炭系和奥陶系中高阻。这一垂向分布特征与前期试验结果,以及钻井视电阻率测井曲线基本一致,由此可见探测成果可用。再结合视电阻率数据分级标准,可以划定相对低阻富水异常区。在测线1 200～1 290 m里程范围,3号煤层底板附近出现较大范围的相对低阻异常,结合地质资料推测其为3号煤层采空区积水。此外,在测线620～670 m里程范围,K5灰岩底板附近也存在一处明显的相对低阻异常,结合区域地质资料分析,推测该处为K5灰岩富水区。

依据上述解释分析思路,针对3号煤层、K5灰岩层、K2灰岩层,可对探测区内20条测线依次进行解释分析,初步圈出煤层采空区积水和灰岩富水区。

图3 L2测线视电阻率剖面Fig.3 Apparent resistivity profile of L2 survey line

3.2.3 视电阻率平面切片分析

根据测线数据可生成三维成果数据体,再利用煤层底板等高线高程可提取生成沿3号煤层底板等高线的视电阻率平面切片,如图4所示。沿3号煤层视电阻率总体呈现为中等阻值分布,与剖面3号煤层处一致。局部中低阻分布较广,尤其是在探测区西南—南部,表明3号煤层采空区分布较广。经地质分析后,3号煤层共解释8处相对低阻异常区,分别标记为3#YC1～3#YC8,初步推测为3号煤层采空区积水。另外,3#YC2、3#YC3这2处受高压线电磁干扰影响,其数据质量有所下降,解释成果可靠性有所降低,后期复测需进一步验证。

图4 沿3号煤层视电阻率切片Fig.4 Section of apparent resistivity along No.3 coal seam

此外,进一步利用灰岩底板等高线高程提取生成沿K5灰岩层、K2灰岩层的沿层底板视电阻平面切片。再结合测线解释成果,K5灰岩层圈定3处相对低阻异常区,编号K5#YC1～K5#YC3;K2灰岩层也圈定3处相对低阻异常区,编号K2#YC1～K2#YC3。

由此,可以得到本次采空区积水和灰岩层富水区的初步探测成果。

4 探测成果复测验证

针对前期探测成果,采用不同设备、装置与参数的瞬变电磁法对南部浅埋区域进行复测,以进一步验证前期识别的隐蔽水害分布情况。由于瞬变电磁复测的南部浅埋区域,其覆盖深度浅、范围小,因此又采用直流电法对前期探测的异常区进行针对性复测,以不同方法验证前期成果准确性。

4.1 瞬变电磁法复测

瞬变电磁法复测采用TerraTEM24电法仪,选择重叠回线装置,线圈边长2.5 m、线圈160匝、采样时间80 ms、发射电流15 A,即设备、装置与参数均区别前期瞬变电磁探测。

图5为L2测线复测视电阻率剖面,与前期成果基本一致,但其探测深度浅,对浅部3号煤层采空区积水复测效果较好。在测线1 200～1 290 m里程范围,和前期探测成果一致,在3号煤层相对低阻异常区3#YC8也出现较大范围的相对低阻异常,复测结果表明3#YC8采空区积水应当存在。

图5 L2测线复测视电阻率剖面Fig.5 Apparent resistivity profile of L2 survey line retest

4.2 直流电法复测

直流电法通过地下供电在地层中形成电流,从而可以测量供电正负极中点处不同深度的电阻率分布情况[14]。本次直流电测深法针对前期8处3号煤层采空区积水和6处K5、K2灰岩含水区进行复测,其中AB/2为200～300 m。探测点依据瞬变电磁解释的低阻异常区数量和位置布置了57个基本物理测深点。

针对前期受高压线影响的3#YC3,在L6测线600 m里程处进行直流电法复测。此处3号煤层埋深76.3 m、K5灰岩埋深92.5 m、K2灰岩埋深153.7 m。由图6可知,视电阻曲线浅部呈缓慢上升趋势,进入煤层后加速抬升,在目标层位无明显低阻反映,在K2灰岩之后进入奥灰后再加速增大。可知该处视电阻率无明显低阻变化,因此3#YC3低阻异常区不应为煤层采空区积水,而是高压线电磁干扰的假异常响应。

图6 L6测线600 m里程处直流电法复测视电阻率曲线Fig.6 Apparent resistivity curve of DC retest at 600 m of L6 survey line

又如,针对处于同一平面范围的3号煤层相对低阻异常区3#YC1与K5灰岩相对低阻异常区K5#YC1,在L18测线660 m里程处进行直流电法复测。此处3号煤层埋深107.9 m、K5灰岩埋深124.1 m、K2灰岩埋深184.6 m。由图7可知,地表及浅部视电阻率在40～60 Ω·m间平缓波动,在进入煤层后快速下降,在3号煤层及K5灰岩层位附近达到最低,呈现明显低阻反映,之后剧烈抬升。由此可知,3号煤层采空区积水3#YC1、K5灰岩富水区K5#YC1均应存在。