多层采空积水区瞬变电磁响应研究

许新刚，岳建华，夏书兵，张 莹

(1.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏徐州 221116；2．河南省煤炭地质勘察研究总院，河南郑州 450052)



多层采空积水区瞬变电磁响应研究

许新刚1，岳建华1，夏书兵2，张 莹1

(1.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏徐州 221116；2．河南省煤炭地质勘察研究总院，河南郑州 450052)

多层采空区积水情况调查对资源整合型矿井的安全生产至关重要。为了提高瞬变电磁法对多层采空富水性的勘察水平，采用数值技术方法对积水采空区的瞬变电磁场影响规律进行了研究，分析了高、低阻多种电性组合、两层采空区的中心回线响应特征。研究结果表明，多层采空的存在导致大地电性分布更加复杂，浅层采空区积水的存在将影响深部采空区积水情况的甄别，导致瞬变电磁法的垂向分辨率降低。地层电阻率随深度逐渐降低的电性结构有助于瞬变电磁法的垂向分层。

多层采空区；瞬变电磁法；积水采空区；涡流电场；低阻异常

0 前言

矿井水害是煤矿安全生产的主要危害之一，其中，采空区突水是近年出现最多、危害较大的水害事故。在我国煤炭主产地都存在小煤窑乱挖乱采现象，导致矿区形成多层采空区且积水不明的情况。

煤炭开采多采取由浅至深的方式，浅部多煤层采掘活动使得采空区积水空间分布复杂，有的多层采空导通积水只存在于最深部采空区，有的是多层采空区均存在不同程度积水。查明浅部多层采空区的积水情况对于深部煤层的安全开采具有重要的意义。目前，瞬变电磁法是地面和井下超前探测采空区及其积水范围的主要物探方法。不同积水情况采空区的电性特征不同，而多层采空使得煤系地层的电性分布变得十分复杂。研究多层采空区的瞬变电磁响应特征有利于提高瞬变电磁法解释水平。本文采数值模拟的方法，分析积水采空区对瞬变电磁场的影响，并研究两层不同积水情况采空区的瞬变电磁响应特征，为生产实践提供指导作用。

1 双线源瞬变电磁二维模拟技术

1984年，M. L. Oristaglio和G. W. Hohmann 利用广义差分法研究了二维大地电磁场扩散特征的总场算法，给出了空间离散的DuFort-Frankel格式、时间步长的选择、边界条件的处理等问题的解决方法。本文采用了Oristaglio和Hohmann提出的二维瞬变电磁总场法编制了二维瞬变电磁数值计算程序，研究半空间瞬变电磁场响应特征。

对于双线电流源二维瞬变电场，其满足如下标量方程：

(1)

对求解区域在平面上进行剖分，采用非均匀正交网格对求解区域进行剖分。对于内部网格节点(i,j)其周围都有4个矩形面元。对式(1)的两边在控制面元ABCD上进行面积分(图1)。

(2)

图1 节点的控制面元Figure 1 Nodal control surface element

利用格林公式，对方程的两边进行空间离散近似处理，并对时间项采用中心差商近似。可以得到二维瞬变电场的Dufort-Frankel离散方程：

(3)

用均匀半空间地表线电流源产生的瞬变电场解析公式代入源项，将求解区域设置足够大，地下空间采用第一类边界条件，地面边界采用上延拓边界处理。

2 多层采空区的瞬变电磁响应特征

2.1 积水采空区对瞬变电磁扩散的影响

均匀围岩介质中，半空间瞬变电磁场的扩散是自线框边缘向下、向外扩散，极大值点位于与地表呈30°的锥面上。当地下存在非均匀介质时，瞬变电磁场在大地中的扩散会受到不同电性参数介质的影响。在地表瞬变电磁法勘探中，采空区存在积水会对场的扩散产生影响。为了研究采空区积水对瞬变电磁场的影响，设计如图2所示的电性模型，其中积水采空区用矩形低阻异常体替代，长度为300m。图3为7、72、102、182μs四个时刻地下扩散电场的等值线图。在7μs时刻后，涡流电场的极值扩散到上覆的低阻层， 低阻层的存在使得电场等值线出现了畸变。时间推移到72μs时刻，电场极值中心在横向上已经从±25m移动到了±55m，但垂向上仅仅扩散了约10m，说明低阻层的存在使得涡流电场向下的扩散速度变慢。涡流电场通过浅部低阻层扩散到积水采空区，由于积水采空区的电阻率更低，其产生的涡流场较强，对电场等值线的扰动更大。在102μs时刻，涡流扩散到积水采空区的上表层，在表层激发出强的涡流，表层部分的电场等值线密集说明梯度较大。随着时间的推移，涡流电场从表层逐渐扩散到积水低阻异常区的内部。

图2 积水采空区电性模型Figure 2 Gob ponding area electric property model

图3 积水采空区对扩散电场的影响

2.2 多层采空区的瞬变电磁响应

研究多层采空区的瞬变电磁响应特征，对于提高瞬变电磁法对采空积水区勘探的准确性非常有用。下面研究简单的两层采空区，以了解采空积水区的电性变化的响应特征。两层采空区的电性模型如图4所示，图中采空区的电阻率如表1所示。

图4 两层采空区电性模型Figure 4 Electric property model of bilevel gob area

编号ρ4/Ω·mρ7/Ω·m模型一51模型二15模型三15000模型四50001

图5(a)、(b)为模型一、二的感应电动势曲线图，模拟了两层积水量不同采空区的瞬变电磁响应，其中少量积水采空区电阻率为5Ω·m，积水量较多的采空区电阻率为1Ω·m。为了对比采空区在感应电动势曲线上的反映在图中增加了不含采空区的层状地层曲线。70μs时刻之前，二者的曲线基本重合，测量值反映的是采空区上覆围岩的电性。在70μs以后，由于积水采空区的电阻率低于围岩，其激发的涡流响应高于围岩，二者的曲线逐渐开始分离，积水采空区上中心回线中的感应电动势变高。当浅层积水采空区的电阻率高于深层采空积水区的电阻率时，在90～120μs时间段感应电动的衰减变慢，反映出浅层积水采空区；随后由于涡流电场扩散到围岩中，感应电动势的衰减又变快。在0.8ms后，感应电动势的衰减又开始变慢，反映出深层采空积水区。从图5(b)可以看出，当浅层采空区的电阻率小于深层采空区时在70μs后感应电动势的衰减就变慢，这个趋势持续很长的时间，曲线上区分不出深层积水异常区。

图5(c)、(d)为模型三、四的感应电动势曲线图，模拟了两层积水、不积水采空区的瞬变电磁响应。当浅层采空区积水电阻率非常小的时候，其响应特征和模型二相似，在70μs后就能反映出积水采空区。浅层采空区积水使得感应电动势衰减速度变慢、持续时间很长，而深层不积水采空区高阻特征未反映出来。图5(d)中的浅层没有积水采空区电阻率较高，在40 ～200μs时间段接收到的感应电动势明显低于背景值，反映了高阻采空区的存在。在200μs以后感应电动势比背景值高、衰减变慢，反映了深层采空区积水导致电阻率变低。

以上电性模型模拟结果的分析表明瞬变电磁法对积水采空区的反映要好于不积水采空区。瞬变电磁法不像直流电法会受浅层高阻的屏蔽影响，浅层采空区的电阻率高于深部采空区时，瞬变电磁法可有效分辨积水采空区。而当浅层采空区的电阻率远低于深部采空区时，很难分辨出深部采空区的积水情况，浅层低阻异常体的存在将会降低瞬变电磁法的垂向的分辨能力。

3 实例

大同某矿14#煤层开采工作面上覆3#、8#、12#煤层不同程度存在采空，具体开采和采空积水情况不详，为了保证煤矿的开采安全，采用地面瞬变电磁法探测生产工作面上覆采空区是否有积水，为矿井防治水提供科学、客观的探放水地质资料。

本区域煤层的电阻率相对于围岩是高阻。对于未积水采空区，由于采动后留下的空间为空气所充填，其电阻率大于围岩和煤层；而当采空区积水后，由于煤层中的硫、金属等各种元素的存在，造成矿井水的矿化度非常高，采空积水的电阻率极低。采空区与围岩的电性差异较大，非常适合瞬变电磁勘探方法的应用。

图6为L14测线的视电阻率断面图，图的上方标注了测点号。在3～5号测点间，3煤埋深位置出现了低阻异常， 该低阻异常向深部延伸的范围非常大。该异常的电阻率极低值位于3#层位置，其产生的涡流响应掩盖了下伏的8#、12#采空区的电性信息，据此也可以推断8#、12#位置地层的电阻率肯定高于3#层。19～25号测点出现了高阻异常，该高阻异常一直延深到12#层位置，解释该范围内煤层被采空但没有积水。在39～43号测点8#煤开始出现低阻异常，该异常延深到12#煤。51号测点附近从3#煤底板下方开始出现低阻响应，但电阻率极低值位于12#煤层，推断8#、12#煤层均不同程度积水，但12#层的积水情况比8#层严重。通过打钻验证，这三个低阻异常位置均存在采空积水情况。

图5 两层采空区感应电动势曲线

图6 L14线视电阻率断面图Figure 6 Line L14 apparent resistivity section

4 结论

研究了积水低阻采空区对瞬变电磁场的时间、空间的影响特征，模拟了两层采空区四种不同积水情况的中心回线响应特征。研究结果表明：

①多层采空区的存在使得大地中岩土体的电性特征发生很大的变化，通过简化的模型计算发现多层采空使得瞬变电磁法的响应变得复杂，实际的勘探资料更复杂。

②与直流电法不同，瞬变电磁法不受浅层高阻异常的屏蔽影响。浅层采空区电阻率高于深部采空区时，瞬变电磁法可以垂向上分辨出不同层。

③瞬变电磁法受浅层低阻异常体的影响较大。当浅层积水采空区的电阻率远低于深部采空区时，其中激发的涡流响应强且持续时间长，将掩盖深部采空区的涡流响应造成瞬变电磁法垂向分辨率下降。

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AStudy on Multilevel Gob Ponding Area Transient Electromagnetic Response

Xu Xingang1, Yue Jianhua1, Xia Shubing2and Zhang Ying1

(1. School of Resources and Geosciences, CUMT, Xuzhou, Jiangsu 221116;2. Henan Provincial Coal Geological Exploration and Research Institute, Zhengzhou, Henan 450052)

The investigation of multilevel gob ponding area is vital to safety production of resources integrated coalmines. To improve interpretation level of water yield property in gob area through the TEM, using numerical analysis studied the impact pattern of gob ponding area on the transient electromagnetic field, analyzed response features of electrical combination with various high, low resistivity, and central loop in bilevel gob area. The studied results have shown that the existing of multilevel gob ponding area has led to the distribution of telluric electric property more complex. The existing of shallow gob ponding will impact deep gob ponding situation discrimination, reflected at the reduction of TEM vertical resolution. The electrical structure of strata resistivity gradual decreasing along with the depth deepening is helpful to TEM vertical stratification.

multilevel gob area; TEM; ponded gob area; eddy electric field; low-resistivity anomaly

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.04.15

1674-1803(2017)04-0073-05

国家自然基金项目(41674133)资助。

许新刚(1978—)，男，江苏东海人，在读博士，现从事地球物理勘探研究。

2017-03-10

文献标识码：A

责任编辑：孙常长