城市地区充水薄层煤炭采空区瞬变电磁法探测效能分析❋

孙兴昊, 罗平凡, 姜巧巧, 钱振嵩, 郭秀军,4

(1. 中国海洋大学环境科学与工程学院, 山东 青岛 266100; 2. 山东轨道交通勘察设计院有限公司, 山东 济南 250014;3. 山东省地矿工程勘察院, 山东 济南 250014; 4. 山东省海洋环境地质工程重点实验室, 山东 青岛 266100)

山东省济南市圣井煤矿矿区位于济南市章丘区境内,属于冲洪积平原地貌,地面较为平整,地形起伏较小。区域地层由老到新依次为:奥陶系中统马家沟组,石炭系中统本溪组、上统太原组,二叠系下统山西组及第四系[1]。本文研究煤层为3煤,该煤层位于二叠系下统山西组中,煤层埋深为50～70 m,煤层厚度为0.7～1.5 m,开采厚度平均为1 m,顶板为砂岩、粉砂岩,底板为砂岩。根据前期勘探资料,该煤层已被完全开采完,形成采空区。根据规划,济南地铁8号线拟从该区域穿过。采空区的存在会严重制约地下工程建设,甚至造成地表开裂、沉陷、变形,结构物开裂、损毁。在地下水资源丰富的地区,采空区充水现象普遍存在。由于充水采空区与周围地质环境存在明显的物性差异,因此,可以利用地球物理勘探技术对充水采空区进行探测[2]。近年来,对充水采空区的地球物理探测技术较为成熟,但已有研究中采空区厚度多在5～20 m之间[3-4],对于厚度小于2 m的薄层煤矿采空区的探测和研究较少,因此本文针对薄层煤层采空区探测的可行性展开研究。目前,常用的充水采空区地球物理探测方法主要包括瞬变电磁法[5-8]、高密度电法[9]、大地电磁法[10]、天然源面波法[11]等,各种物探方法均在探测充水采空区方面取得了一定的效果[4]。当煤层被采空后,若采空区充水则采空区表现为低阻体异常特征。瞬变电磁法对低阻异常体反应极其灵敏,横向探测分辨率较高,施工方便,工作效率高[5]。天然源面波法分辨率较高,抗干扰能力强,探测深度较大,不受地形限制,野外施工便捷,适用于交通繁忙、人口密集、电磁干扰严重和震动复杂的城市环境[11]。

本文以济南圣井矿区作为研究区,选择瞬变电磁法为主要探测方法对该矿区进行探测,并用天然源面波法进行二次探测,通过天然源面波法的探测结果对瞬变电磁法的探测结果进行验证,同时,结合钻探结果进行验证,分析瞬变电磁法的探测能力。然后根据已知资料建立简化模型,采用有限元法针对充水采空区进行正演模拟,通过二分法计算全区视电阻率,使用烟圈法对全区视电阻率进行反演,分析瞬变电磁法对薄层煤炭充水采空区探测的剖面的异常特征。然后分别模拟不同深度、不同充水率和不同厚度下瞬变电磁法对薄层采空区的探测,确定瞬变电磁法对薄层采空区的探测能力。

1 探测原理和探测设备

1.1 瞬变电磁法

瞬变电磁法是通过不接地回线或者接地线源向地下发射脉冲电磁波产生一次电磁场,在一次电磁场的作用下,地下导体内部感应产生感应涡流,感应涡流产生的二次电磁场随时间以等效涡流环的形式向下传播、向外扩展,通过线圈或者接地电极观测二次电磁场,得到二次电磁场随时间衰减的特性曲线,根据二次电磁场随着时间的衰减变化特征曲线判断地下地质体的电性特征,从而探明不良地质体的分布情况[12-13]。

通过对探测区进行现场勘查,本文选取中心回线装置进行探测。中心回线装置是指接收线框位于发射线框中心,在测量过程中两个线框沿探测剖面同步移动进行数据采集的一种瞬变电磁法装置。

本次瞬变电磁探测选用加拿大Phoenix公司生产的V8多功能电法仪,设定发射电流10 A;关断时间为10 ms;50 Hz频率干扰压制;选用20 m×20 m的矩形发射线框,共3匝;选用直径为1 m的圆形接收线框,共100匝。

1.2 天然源面波法

天然源面波法的信号场源为地球内部系统产生的震动,根据面波频散原理,波速会随着频率和波长的变化而变化,通过从天然场的微动信号中提取出瑞利面波的频散曲线,反演频散曲线得到地下横波波速剖面,从而推测地下不良地质体的分布[11,14]。

通过对探测区进行现场勘查,采用“L”型台阵布设检波器进行探测,在水平方向和垂直方向共布设8个检波器进行探测,道间距为10 m。

本次天然源面波探测选用北京市水电物探研究所生产的WD-2无线智能微动勘探系统,检波器布置L型台阵,道间距为10 m,长边50 m,短边20 m;接收频率段为2～31.5 Hz;接收道数为8道;采样间隔为4 ms;采样时间不少于10 min。

2 瞬变电磁法实地探测效果

2.1 探测测线布设

为探明圣井矿区采空区的分布情况,根据现场探测条件,共布设2条测线进行探测,其中,SJ1测线沿济南市经十路方向横向布设,长为2 420 m,进行瞬变电磁法和天然源面波法探测;SJ3测线垂直经十路方向纵向布设,长为380 m,进行瞬变电磁法探测,SJ1和SJ3测线布设如图1所示。

图1 探测工作部署图

2.2 探测成果解译

将通过瞬变电磁法采集的各个测点数据进行视电阻率和视深度转换,并对数据进行滤波、一维反演,绘制视电阻率等值线图。探测区域SJ1线1 600～2 200 m视电阻率剖面图如图2所示。探测区域SJ3线40～320 m视电阻率剖面图如图3所示。

图2 SJ1测线实测视电阻率等值线图

图3 SJ3测线实测视电阻率等值线图

由图2中可以看出,在SJ1线视电阻率等值线图中,从地表到高程75 m之间的空白区域属于瞬变电磁法探测的盲区,无法获取有效信息。结合地质资料,综合分析认为,在高程75 m以下,等值线图横向上视电阻率呈近似平行分布,垂向上视电阻率值呈现“高-低-高”的变化,上部的高阻层对应3煤顶部砂岩、泥岩,中部的低阻层对应3煤采空区,下部的高阻层对应3煤采空区下部的砂岩、泥岩。3煤被开采完,当存在充水采空区时,在视电阻率等值线图上将反映为低阻的电性标志层。水平位置1 600～1 930 m、1 960～2 200 m,高程35～50 m,出现低阻异常,结合地质资料,分析认为这些异常区存在充水采空区。结合地质资料解译出1条断层,为F11断层。

由图3可以看出,在SJ3线水平位置40～320 m,高程25～40 m,出现低阻异常区,结合地质资料,分析认为该异常区存在充水采空区。

从图2中可看出,在SJ1和SJ3两条测线的交汇处位置,高程30～55 m出现低阻异常区。从图3中可看出,在两测线交汇处位置,高程35～40 m出现低阻异常区。结合图2和图3可看出,SJ1和SJ3两条测线在交汇处探测出的低阻异常区相互对应。

从天然源面波法采集的原始微动信号中提取出频散曲线,对频散曲线反演,绘制横波波速等值线图。探测区域SJ1线横波波速等值线图如图4。

图4 SJ1测线横波波速等值线图

从图4中可以看出,在水平位置1 650～1 900 m、1 930～2 200 m,高程35～55 m,出现“U”型异常区,横波波速值对比周围出现明显降低,该异常与图2中瞬变电磁法探测出的异常相互对应,结合地质资料,分析认为这些异常区存在充水采空区。结合地质资料解译出1条断层,为F11断层。

通过天然源面波法解译出的异常区对通过瞬变电磁法解译出的异常区进行了较好的验证,证实了瞬变电磁法对薄层充水采空区探测的可行性,说明瞬变电磁法可以对薄层充水采空区进行探测。对比瞬变电磁法和天然源面波法的探测结果,可以看出,瞬变电磁法探测结果中的异常区更为明显,这说明瞬变电磁法对薄层充水采空区的探测更为灵敏。

为验证SJ1和SJ3线通过瞬变电磁法和天然源面波法探测出的采空区的准确性,布设地质钻探点进行钻孔验证,布设SJK1、SJK2钻孔作为本次探测验证钻孔,如图所示。其中,SJK1孔在高程35.4～37.5 m,SJK2孔在高程25～26.2 m出现漏水、掉钻、进尺变快、岩心破碎、塌孔、漏浆,认为这两个钻孔均揭露3煤采空区,且采空区充水。瞬变电磁法和天然源面波法解译出的充水采空区和钻孔验证的结果基本吻合,因此认为瞬变电磁法和天然源面波法对薄层充水采空区的探测结果准确、可靠。

3 瞬变电磁法探测效果数值模拟分析

3.1 全区视电阻率计算和烟圈法反演

3.1.1全区视电阻率计算 本文通过感应电动势对全区视电阻率进行定义,利用二分搜索法对全区视电阻率进行计算。二分搜索法的基本思想,是在探测区域电阻率可能的取值范围[ρmin,ρmax]内,二等分取值范围[ρmin,ρmax],将其中点处的电阻率值ρmid=(ρmin+ρmax)/2代入均匀半空间解析式,计算中点的感应电动势Vmid(t)。如果实测t时刻的感应电动势V0(t)大于中点处的理论感应电动势Vmid(t),根据感应电动势随电阻率增加而单调递减的特性,V0(t)对应的视电阻率值应在[ρmin,ρmid]中,反之,则在[ρmid,ρmax]中。以此类推,直到V0(t)与Vmid(t)之差小于某一个阈值,停止计算,就求出了t时刻感应电动势V0(t)对应的全区视电阻率值[15-16]。

3.1.2 烟圈法反演 M.N.Nabighian指出,当一次场的电流关断后,任一时刻,地下半空间介质中形成的感应涡流在地表产生的二次磁场可以等效为一个水平环状电流产生的磁场,地下涡流向外、向下扩散的现象,即为“烟圈效应”[16-18]。

根据烟圈理论,t时刻烟圈的垂向传播深度d和垂向传播速度v为:

(1)

(2)

式中:ρ表示均匀半空间的电阻率;t表示采样时间;μ0表示真空磁导率。

通过差分公式近似计算传播速度v:

(3)

由(2)可得

(4)

将(3)代入(4),可得似电阻率

(5)

似电阻率对应的深度为:

(6)

式中:ti、tj表示两个相邻的采样时间;tj>ti,ρi、ρj为相邻两个采样时间对应的全区视电阻率;tji是ti和tj的算术平均值。

3.2 数值模型建立

根据探测研究区的地层特性和电性特征,通过COMSOL软件系统建立简化的含薄层充水采空区的三维地电模型,进行正演计算。模型自上至下依次为空气层、第四系覆盖层和砂页岩层,采空区在砂页岩层中,位于第四系覆盖层正下方,模型具体情况如图5所示。参考该地区以往电测井及电测深资料对模型进行电阻率赋值。其中,空气层大小为300 m×300 m×200 m,电阻率设定为106Ωm。土层大小为300 m×300 m×5 m,电阻率设定为100 Ωm。砂岩层分为两层,采空区上方砂岩层大小为300 m×300 m×55 m,采空区下方砂岩层大小为300 m×300 m×140 m,电阻率设定为200 Ωm 。采空区大小为200 m×300 m×1 m,位于砂岩层中部,采空区充水后因浸润效应使得电阻率下降[13],电阻率设定为5 Ωm,采空区左右两侧各有50 m×300 m×1 m的煤层,煤层电阻率设定为250 Ωm,采空区顶界埋深60 m,采空区XZ方向平面视图如图5所示。

图5 采空区模型XZ方向平面视图

3.3 计算参数设置

选用装置为中心回线装置,发射线框大小为20 m×20 m,匝数为3匝,供电电流为10A,关断时间为10 ms,接收线框半径为0.5 m,匝数为100匝。测线沿采空区正上方布设,测线长为200 m。测点位于接收线框中心,第1个测点坐标为(-100,0,0),测点沿x轴正方向移动,点距为20 m,共计11个测点。正演计算采用有限元法,计算得到各个测点的感应电动势衰减曲线,通过二分搜索法计算全区视电阻率,并对全区视电阻率进行烟圈反演。

3.4 数值模拟结果及分析

烟圈反演结果如图6所示。从图6中可以看出,在水平位置-100～100 m,埋深50～80 m,出现低阻异常,该低阻异常即为模型正演设定的充水采空区。瞬变电磁法探测的横向边界与模型预设较为吻合,纵向边界较模型预设边界扩大30倍,横向分辨率较高,纵向分辨率较低,这是瞬变电磁法固有的缺点。当1 m厚度的充水采空区埋深60 m时,瞬变电磁法能对充水采空区进行有效的探测。

图6 厚度为1 m、顶界埋深60 m的充水采空区模型视电阻率剖面图

3.5 采空区不同充水率对探测效果的影响

为探究薄层充水采空区充水率不同时,瞬变电磁法对充水采空区的探测效果的差异,通过改变采空区的充水率,模拟了采空区充水率为50%和0的瞬变电磁探测。本次模拟将采空区分为上下两层,上层为空气层,电阻率为106Ωm,下层为水层,电阻率为5 Ωm,当采空区充水率为50%时,上层空气层厚度和下层水层厚度均为0.5 m,当采空区充水率为0时,空气层厚度为1 m,不含水层。反演结果如图7和图8所示。

图7 50%充水率的采空区模型视电阻率剖面图

图8 不充水的采空区模型视电阻率剖面图

从图7可以看出,在水平位置-40～40 m,埋深50～65 m,出现低阻异常,该低阻异常与模型设定的60 m埋深的充水率为50%的采空区相对应。从图中可以看出,当采空区充水率降到50%时,异常区仍为低阻异常区,异常区相较充水率为100%时变小,瞬变电磁法探测的左右侧边界相较模型预设边界偏差60 m,纵向边界较模型预设边界扩大15倍。从图8可以看出,图中无明显异常区。这说明当采空区充水率降到0时,瞬变电磁法无法对薄层采空区进行探测。

3.6 采空区深度对探测效果的影响

为探究薄层充水采空区不同埋深时,瞬变电磁法对充水采空区的探测效果的差异,本文进一步增加薄层充水采空区的埋深,模拟了充水采空区顶部埋深在80、100和120 m的瞬变电磁探测,反演结果如图9、图10和图11所示。

图10 厚度为1 m、顶界埋深100 m的充水采空区模型视电阻率剖面图

图11 厚度为1 m、顶界埋深120 m的充水采空区模型视电阻率剖面图

从图9可以看出,在水平位置-80～80 m,埋深65～85 m,出现低阻异常,该低阻异常与模型设定的80 m埋深的充水采空区相对应。从图中可以看出,当模型的采空区埋深增加到80 m时,异常区相较采空区埋深在60 m时变小,瞬变电磁法探测的左右侧边界较模型预设边界偏差20 m,纵向边界较模型预设边界扩大20倍。从图10可以看出,在水平位置-60～60 m,埋深80～100 m,出现低阻异常,该低阻异常与模型设定的100 m埋深的充水采空区相对应。从图10中可以看出,当模型的采空区埋深增大到100 m时,异常区相较采空区埋深在60 m时进一步变小,瞬变电磁法探测的左右侧边界较模型预设边界偏差40 m,纵向边界较模型预设边界扩大20倍。从图11可以看出,当模型的采空区埋深增大到120 m时,图中无明显异常区,通过瞬变电磁法已经难以对采空区进行探测。综上,在本文设置的模拟条件下,可以看出瞬变电磁法对1 m厚的薄层充水采空区的探测极限深度为100 m。

3.7 采空区厚度对探测结果的影响

为探究薄层充水采空区不同厚度时,瞬变电磁法对充水采空区的探测效果的差异,通过改变采空区的厚度,模拟了采空区厚度为0.5和2 m的瞬变电磁探测。反演结果如图12和图13所示。

图12 厚度为0.5 m、顶界埋深60 m的充水采空区模型视电阻率

图13 厚度为2 m、顶界埋深60 m的充水采空区模型视电阻率

从图12可以看出,在水平位置-40～40 m,埋深50～65 m,出现低阻异常,该低阻异常与模型设定的0.5 m厚度的充水采空区相对应。从图中可以看出,当模型采空区的厚度为0.5 m时,异常区相较采空区厚度为1 m时变小,瞬变电磁法探测的左右侧边界较模型预设边界偏差60 m,纵向边界较模型预设边界扩大30倍。从下图13可以看出,在水平位置-100～100 m,埋深50～100 m,出现低阻异常,该低阻异常与模型设定的2 m厚度的充水采空区相对应。从图中可以看出,当模型采空区的厚度为2 m时,异常区相较采空区厚度为1 m时变大,瞬变电磁法探测的横向边界与模型预设较为吻合,纵向边界较模型预设边界扩大25倍。在本文的模拟条件下,当采空区厚度降为0.5 m时,瞬变电磁法仍能对其进行较为有效的探测。

4 结论和建议

(1)通过瞬变电磁法和天然源面波法两种方法相结合的探测方法能够实现对薄层充水采空区的探测,天然源面波法探测的结果很好地验证了瞬变电磁法探测的结果,探测结果经过钻孔验证,取得了较好的效果。在瞬变电磁法和天然源面波法的数据解译过程中,需要结合已有的地质资料来对异常区进行判定,通过综合分析的思路来解译成果,才能确保探测的准确性。

(2)通过已知资料建立简化模型,模拟实际探测的计算结果表明,当厚度为1 m的充水采空区顶界埋深为60 m时,瞬变电磁法能对充水采空区进行有效的探测。

(3)模拟计算结果表明,当薄层采空区埋深60 m时,随着采空区充水率的降低,瞬变电磁法的探测效果越来越差,当充水率降到50%时,反演结果异常区的范围变小,当充水率降到0时,无法通过反演结果对采空区的位置进行划分。这说明瞬变电磁法对低阻异常区的探测极其灵敏,对高阻区的探测极不灵敏。

(4)模拟计算结果表明,当1 m厚度的薄层充水采空区埋深60 m时,瞬变电磁法的探测效果较好,反演的结果能较为准确地分辨出横向边界,反演出的异常区的厚度比比正演设定的厚度大。随着采空区深度增加,异常区范围逐渐变小,横向边界的分辨率逐渐降低,当采空区深度达到120 m时,瞬变电磁法无法探测出薄层采空区的存在。

(5)模拟计算结果表明,当薄层充水采空区埋深为60 m时,随着采空区厚度的减小,瞬变电磁法的探测效果越来越差,异常区范围越来越小。当厚度为2 m时,能较为准确地分辨出横向边界,随采空区厚度的降低,异常区的范围逐渐减小,横向边界的分辨率逐渐降低。