許新剛，岳建華，夏書(shū)兵，張 瑩

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221116；2．河南省煤炭地質(zhì)勘察研究總院，河南鄭州 450052)

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多層采空積水區(qū)瞬變電磁響應(yīng)研究

許新剛1，岳建華1，夏書(shū)兵2，張 瑩1

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221116；2．河南省煤炭地質(zhì)勘察研究總院，河南鄭州 450052)

多層采空區(qū)積水情況調(diào)查對(duì)資源整合型礦井的安全生產(chǎn)至關(guān)重要。為了提高瞬變電磁法對(duì)多層采空富水性的勘察水平，采用數(shù)值技術(shù)方法對(duì)積水采空區(qū)的瞬變電磁場(chǎng)影響規(guī)律進(jìn)行了研究，分析了高、低阻多種電性組合、兩層采空區(qū)的中心回線響應(yīng)特征。研究結(jié)果表明，多層采空的存在導(dǎo)致大地電性分布更加復(fù)雜，淺層采空區(qū)積水的存在將影響深部采空區(qū)積水情況的甄別，導(dǎo)致瞬變電磁法的垂向分辨率降低。地層電阻率隨深度逐漸降低的電性結(jié)構(gòu)有助于瞬變電磁法的垂向分層。

多層采空區(qū)；瞬變電磁法；積水采空區(qū)；渦流電場(chǎng)；低阻異常

0 前言

礦井水害是煤礦安全生產(chǎn)的主要危害之一，其中，采空區(qū)突水是近年出現(xiàn)最多、危害較大的水害事故。在我國(guó)煤炭主產(chǎn)地都存在小煤窯亂挖亂采現(xiàn)象，導(dǎo)致礦區(qū)形成多層采空區(qū)且積水不明的情況。

煤炭開(kāi)采多采取由淺至深的方式，淺部多煤層采掘活動(dòng)使得采空區(qū)積水空間分布復(fù)雜，有的多層采空導(dǎo)通積水只存在于最深部采空區(qū)，有的是多層采空區(qū)均存在不同程度積水。查明淺部多層采空區(qū)的積水情況對(duì)于深部煤層的安全開(kāi)采具有重要的意義。目前，瞬變電磁法是地面和井下超前探測(cè)采空區(qū)及其積水范圍的主要物探方法。不同積水情況采空區(qū)的電性特征不同，而多層采空使得煤系地層的電性分布變得十分復(fù)雜。研究多層采空區(qū)的瞬變電磁響應(yīng)特征有利于提高瞬變電磁法解釋水平。本文采數(shù)值模擬的方法，分析積水采空區(qū)對(duì)瞬變電磁場(chǎng)的影響，并研究?jī)蓪硬煌e水情況采空區(qū)的瞬變電磁響應(yīng)特征，為生產(chǎn)實(shí)踐提供指導(dǎo)作用。

1 雙線源瞬變電磁二維模擬技術(shù)

1984年，M. L. Oristaglio和G. W. Hohmann 利用廣義差分法研究了二維大地電磁場(chǎng)擴(kuò)散特征的總場(chǎng)算法，給出了空間離散的DuFort-Frankel格式、時(shí)間步長(zhǎng)的選擇、邊界條件的處理等問(wèn)題的解決方法。本文采用了Oristaglio和Hohmann提出的二維瞬變電磁總場(chǎng)法編制了二維瞬變電磁數(shù)值計(jì)算程序，研究半空間瞬變電磁場(chǎng)響應(yīng)特征。

對(duì)于雙線電流源二維瞬變電場(chǎng)，其滿足如下標(biāo)量方程：

(1)

對(duì)求解區(qū)域在平面上進(jìn)行剖分，采用非均勻正交網(wǎng)格對(duì)求解區(qū)域進(jìn)行剖分。對(duì)于內(nèi)部網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)(i,j)其周?chē)加?個(gè)矩形面元。對(duì)式(1)的兩邊在控制面元ABCD上進(jìn)行面積分(圖1)。

(2)

圖1 節(jié)點(diǎn)的控制面元Figure 1 Nodal control surface element

利用格林公式，對(duì)方程的兩邊進(jìn)行空間離散近似處理，并對(duì)時(shí)間項(xiàng)采用中心差商近似?？梢缘玫蕉S瞬變電場(chǎng)的Dufort-Frankel離散方程：

(3)

用均勻半空間地表線電流源產(chǎn)生的瞬變電場(chǎng)解析公式代入源項(xiàng)，將求解區(qū)域設(shè)置足夠大，地下空間采用第一類(lèi)邊界條件，地面邊界采用上延拓邊界處理。

2 多層采空區(qū)的瞬變電磁響應(yīng)特征

2.1 積水采空區(qū)對(duì)瞬變電磁擴(kuò)散的影響

均勻圍巖介質(zhì)中，半空間瞬變電磁場(chǎng)的擴(kuò)散是自線框邊緣向下、向外擴(kuò)散，極大值點(diǎn)位于與地表呈30°的錐面上。當(dāng)?shù)叵麓嬖诜蔷鶆蚪橘|(zhì)時(shí)，瞬變電磁場(chǎng)在大地中的擴(kuò)散會(huì)受到不同電性參數(shù)介質(zhì)的影響。在地表瞬變電磁法勘探中，采空區(qū)存在積水會(huì)對(duì)場(chǎng)的擴(kuò)散產(chǎn)生影響。為了研究采空區(qū)積水對(duì)瞬變電磁場(chǎng)的影響，設(shè)計(jì)如圖2所示的電性模型，其中積水采空區(qū)用矩形低阻異常體替代，長(zhǎng)度為300m。圖3為7、72、102、182μs四個(gè)時(shí)刻地下擴(kuò)散電場(chǎng)的等值線圖。在7μs時(shí)刻后，渦流電場(chǎng)的極值擴(kuò)散到上覆的低阻層， 低阻層的存在使得電場(chǎng)等值線出現(xiàn)了畸變。時(shí)間推移到72μs時(shí)刻，電場(chǎng)極值中心在橫向上已經(jīng)從±25m移動(dòng)到了±55m，但垂向上僅僅擴(kuò)散了約10m，說(shuō)明低阻層的存在使得渦流電場(chǎng)向下的擴(kuò)散速度變慢。渦流電場(chǎng)通過(guò)淺部低阻層擴(kuò)散到積水采空區(qū)，由于積水采空區(qū)的電阻率更低，其產(chǎn)生的渦流場(chǎng)較強(qiáng)，對(duì)電場(chǎng)等值線的擾動(dòng)更大。在102μs時(shí)刻，渦流擴(kuò)散到積水采空區(qū)的上表層，在表層激發(fā)出強(qiáng)的渦流，表層部分的電場(chǎng)等值線密集說(shuō)明梯度較大。隨著時(shí)間的推移，渦流電場(chǎng)從表層逐漸擴(kuò)散到積水低阻異常區(qū)的內(nèi)部。

圖2 積水采空區(qū)電性模型Figure 2 Gob ponding area electric property model

圖3 積水采空區(qū)對(duì)擴(kuò)散電場(chǎng)的影響

2.2 多層采空區(qū)的瞬變電磁響應(yīng)

研究多層采空區(qū)的瞬變電磁響應(yīng)特征，對(duì)于提高瞬變電磁法對(duì)采空積水區(qū)勘探的準(zhǔn)確性非常有用。下面研究簡(jiǎn)單的兩層采空區(qū)，以了解采空積水區(qū)的電性變化的響應(yīng)特征。兩層采空區(qū)的電性模型如圖4所示，圖中采空區(qū)的電阻率如表1所示。

圖4 兩層采空區(qū)電性模型Figure 4 Electric property model of bilevel gob area

編號(hào)ρ4/Ω·mρ7/Ω·m模型一51模型二15模型三15000模型四50001

圖5(a)、(b)為模型一、二的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線圖，模擬了兩層積水量不同采空區(qū)的瞬變電磁響應(yīng)，其中少量積水采空區(qū)電阻率為5Ω·m，積水量較多的采空區(qū)電阻率為1Ω·m。為了對(duì)比采空區(qū)在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線上的反映在圖中增加了不含采空區(qū)的層狀地層曲線。70μs時(shí)刻之前，二者的曲線基本重合，測(cè)量值反映的是采空區(qū)上覆圍巖的電性。在70μs以后，由于積水采空區(qū)的電阻率低于圍巖，其激發(fā)的渦流響應(yīng)高于圍巖，二者的曲線逐漸開(kāi)始分離，積水采空區(qū)上中心回線中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變高。當(dāng)淺層積水采空區(qū)的電阻率高于深層采空積水區(qū)的電阻率時(shí)，在90～120μs時(shí)間段感應(yīng)電動(dòng)的衰減變慢，反映出淺層積水采空區(qū)；隨后由于渦流電場(chǎng)擴(kuò)散到圍巖中，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的衰減又變快。在0.8ms后，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的衰減又開(kāi)始變慢，反映出深層采空積水區(qū)。從圖5(b)可以看出，當(dāng)淺層采空區(qū)的電阻率小于深層采空區(qū)時(shí)在70μs后感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的衰減就變慢，這個(gè)趨勢(shì)持續(xù)很長(zhǎng)的時(shí)間，曲線上區(qū)分不出深層積水異常區(qū)。

圖5(c)、(d)為模型三、四的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線圖，模擬了兩層積水、不積水采空區(qū)的瞬變電磁響應(yīng)。當(dāng)淺層采空區(qū)積水電阻率非常小的時(shí)候，其響應(yīng)特征和模型二相似，在70μs后就能反映出積水采空區(qū)。淺層采空區(qū)積水使得感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)衰減速度變慢、持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，而深層不積水采空區(qū)高阻特征未反映出來(lái)。圖5(d)中的淺層沒(méi)有積水采空區(qū)電阻率較高，在40 ～200μs時(shí)間段接收到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)明顯低于背景值，反映了高阻采空區(qū)的存在。在200μs以后感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)比背景值高、衰減變慢，反映了深層采空區(qū)積水導(dǎo)致電阻率變低。

以上電性模型模擬結(jié)果的分析表明瞬變電磁法對(duì)積水采空區(qū)的反映要好于不積水采空區(qū)。瞬變電磁法不像直流電法會(huì)受淺層高阻的屏蔽影響，淺層采空區(qū)的電阻率高于深部采空區(qū)時(shí)，瞬變電磁法可有效分辨積水采空區(qū)。而當(dāng)淺層采空區(qū)的電阻率遠(yuǎn)低于深部采空區(qū)時(shí)，很難分辨出深部采空區(qū)的積水情況，淺層低阻異常體的存在將會(huì)降低瞬變電磁法的垂向的分辨能力。

3 實(shí)例

大同某礦14#煤層開(kāi)采工作面上覆3#、8#、12#煤層不同程度存在采空，具體開(kāi)采和采空積水情況不詳，為了保證煤礦的開(kāi)采安全，采用地面瞬變電磁法探測(cè)生產(chǎn)工作面上覆采空區(qū)是否有積水，為礦井防治水提供科學(xué)、客觀的探放水地質(zhì)資料。

本區(qū)域煤層的電阻率相對(duì)于圍巖是高阻。對(duì)于未積水采空區(qū)，由于采動(dòng)后留下的空間為空氣所充填，其電阻率大于圍巖和煤層；而當(dāng)采空區(qū)積水后，由于煤層中的硫、金屬等各種元素的存在，造成礦井水的礦化度非常高，采空積水的電阻率極低。采空區(qū)與圍巖的電性差異較大，非常適合瞬變電磁勘探方法的應(yīng)用。

圖6為L(zhǎng)14測(cè)線的視電阻率斷面圖，圖的上方標(biāo)注了測(cè)點(diǎn)號(hào)。在3～5號(hào)測(cè)點(diǎn)間，3煤埋深位置出現(xiàn)了低阻異常， 該低阻異常向深部延伸的范圍非常大。該異常的電阻率極低值位于3#層位置，其產(chǎn)生的渦流響應(yīng)掩蓋了下伏的8#、12#采空區(qū)的電性信息，據(jù)此也可以推斷8#、12#位置地層的電阻率肯定高于3#層。19～25號(hào)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)了高阻異常，該高阻異常一直延深到12#層位置，解釋該范圍內(nèi)煤層被采空但沒(méi)有積水。在39～43號(hào)測(cè)點(diǎn)8#煤開(kāi)始出現(xiàn)低阻異常，該異常延深到12#煤。51號(hào)測(cè)點(diǎn)附近從3#煤底板下方開(kāi)始出現(xiàn)低阻響應(yīng)，但電阻率極低值位于12#煤層，推斷8#、12#煤層均不同程度積水，但12#層的積水情況比8#層嚴(yán)重。通過(guò)打鉆驗(yàn)證，這三個(gè)低阻異常位置均存在采空積水情況。

圖5 兩層采空區(qū)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線

圖6 L14線視電阻率斷面圖Figure 6 Line L14 apparent resistivity section

4 結(jié)論

研究了積水低阻采空區(qū)對(duì)瞬變電磁場(chǎng)的時(shí)間、空間的影響特征，模擬了兩層采空區(qū)四種不同積水情況的中心回線響應(yīng)特征。研究結(jié)果表明：

①多層采空區(qū)的存在使得大地中巖土體的電性特征發(fā)生很大的變化，通過(guò)簡(jiǎn)化的模型計(jì)算發(fā)現(xiàn)多層采空使得瞬變電磁法的響應(yīng)變得復(fù)雜，實(shí)際的勘探資料更復(fù)雜。

②與直流電法不同，瞬變電磁法不受淺層高阻異常的屏蔽影響。淺層采空區(qū)電阻率高于深部采空區(qū)時(shí)，瞬變電磁法可以垂向上分辨出不同層。

③瞬變電磁法受淺層低阻異常體的影響較大。當(dāng)淺層積水采空區(qū)的電阻率遠(yuǎn)低于深部采空區(qū)時(shí)，其中激發(fā)的渦流響應(yīng)強(qiáng)且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，將掩蓋深部采空區(qū)的渦流響應(yīng)造成瞬變電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

國(guó)家自然基金項(xiàng)目(41674133)資助。

許新剛(1978—)，男，江蘇東海人，在讀博士，現(xiàn)從事地球物理勘探研究。

2017-03-10

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

責(zé)任編輯：孫常長(zhǎng)