李建文

(陽泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000)

0 引言

瞬變電磁方法對低阻體的反映非常靈敏，但是卻難以準(zhǔn)確獲得低阻異常體的探測深度[1-3]。針對瞬變電磁勘探方法難以準(zhǔn)確獲得低阻異常體的探測深度這一難題，展開技術(shù)研究；以時(shí)深轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)，借助于視電阻率微分極值，對電性標(biāo)志層進(jìn)行識別。通過鉆孔資料和三維地震成果，對通過視電阻率微分極值識別的電性標(biāo)志層進(jìn)行校正，以達(dá)到對電性標(biāo)志層的精準(zhǔn)定位。在此基礎(chǔ)上，采用曲率法，對視電阻率斷面圖上的基于標(biāo)志層上下范圍的局部弱異常進(jìn)行圈定，從而提取到深部弱異常信息，對瞬變電磁資料進(jìn)行精準(zhǔn)處理。

1 資料預(yù)處理技術(shù)

1.1 原始數(shù)據(jù)的甄別評估

瞬變電磁衰減信號：圖1是600 m×600 m發(fā)射線框采用8 Hz頻率不同供電電流對比圖。從圖中可以看到12 A的發(fā)射電流使尾部數(shù)據(jù)的信號強(qiáng)度更強(qiáng)，通過曲線形態(tài)，可以很好地反映正常瞬變電磁衰減規(guī)律。

圖1 不同發(fā)射電流瞬變電磁響應(yīng)

強(qiáng)干擾的剔除：瞬變電磁法的測道數(shù)能夠反映其勘探深度的大小[4-7]，本次選取該區(qū)勘探點(diǎn)的數(shù)據(jù)有前24、25、28等道數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評估。而實(shí)際采集數(shù)據(jù)過程中，會遇到不確定因素影響數(shù)據(jù)質(zhì)量，需對個別觀測點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)觀測，通過多次測量數(shù)據(jù)平均值與相對誤差曲線，來進(jìn)行甄別數(shù)據(jù)質(zhì)量，最終選擇需要后續(xù)處理的數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)去噪及校正

數(shù)據(jù)的圓滑去噪：多項(xiàng)式濾波經(jīng)過多次驗(yàn)算，發(fā)現(xiàn)擬合18次效果最佳[8-10]。通過一次或多次五點(diǎn)點(diǎn)濾波，不僅對測點(diǎn)曲線進(jìn)行平滑，還對剖面曲線平滑。通過確定系數(shù)來應(yīng)用于實(shí)測數(shù)據(jù)中，通過與原始數(shù)據(jù)曲線對比，有較好的效果，如圖2所示。

圖2 TEM衰減曲線不同濾波方法對比

瞬變電磁邊框效應(yīng)校正：為驗(yàn)證晚期視電阻率早期存在“邊界效應(yīng)”，建立均勻半空間地電模型，均勻半空間電阻率100 Ω·m，回線大小邊長300 m×300 m，測點(diǎn)點(diǎn)距10 m，供電電流10 A，測道數(shù)22，測點(diǎn)橫向分布在100～200 m均勻分布，縱向位置150 m處。瞬變電磁計(jì)算視電阻率時(shí)，其在早期、全期與晚期視電阻率差別較大，晚期視電阻率在早期存在明顯的“邊界效應(yīng)”。

地形的校正：本次使用的地形校正方法為幾何高程校正[11-12]。計(jì)算全區(qū)視電阻率，時(shí)深轉(zhuǎn)換后，繪制了300線為地形校正前視電阻率斷面圖。通過加入每一個點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)，將經(jīng)過時(shí)深轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過程序軟件進(jìn)行每個點(diǎn)校正，得出的高程數(shù)據(jù)與電阻率數(shù)據(jù)重新繪圖，達(dá)到地形校正的目的。圖3為經(jīng)過地形幾何校正后的視電阻率斷面圖。根據(jù)瞬變電磁信號衰減規(guī)律可知，表層視電阻率值會影響深部電阻率值的大小，通過對表層歸一化后減少了由于表層電阻率不均一對深層電阻率的影響。圖4為經(jīng)過表層電阻率處理之后的視電阻率斷面圖。

圖4 140線表層歸一化地形校正后視電阻率斷面

圖3 300線地形校正后視電阻率斷面

2 資料精準(zhǔn)處理技術(shù)

2.1 瞬變電磁一維正演

以鉆孔ZKB1-1為例，首先用鉆孔的測井資料統(tǒng)計(jì)深度及電阻率數(shù)據(jù)，并繪制出數(shù)據(jù)的階梯圖。通過階梯圖，根據(jù)等效電阻率法劃分理論模型的深度及電阻率并繪制成階梯圖，根據(jù)理論模型數(shù)據(jù)，進(jìn)行正演，并進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換，將所得的數(shù)據(jù)繪制出正演理論曲線，如圖5所示。

圖5 鉆孔正演理論曲線

2.2 電性標(biāo)志層識別

以堡子煤礦ZKB1-1和ZK201鉆孔為例，結(jié)合實(shí)際鉆孔資料和測井資料確定目標(biāo)層(9號煤層)的深度，統(tǒng)計(jì)ZKB1-1的測井電阻率值，進(jìn)行正演建模并進(jìn)行正演計(jì)算，得出正演曲線的一階導(dǎo)數(shù)曲線，根據(jù)視電阻率斷面圖繪制B1-1的實(shí)測視電阻率曲線和視電阻率一階導(dǎo)數(shù)曲線。對比地電模型、正演一階導(dǎo)數(shù)曲線和視電阻率一階導(dǎo)數(shù)曲線，把實(shí)測一階導(dǎo)數(shù)曲線深度值和實(shí)測視電阻率深度值校正到標(biāo)志層深度，從而得到校正系數(shù)K，見表1。如圖6所示，在典型界面確定綜合圖中，實(shí)測數(shù)據(jù)一次導(dǎo)數(shù)的峰值所對應(yīng)的深度經(jīng)過校正之后，與正演數(shù)據(jù)一次導(dǎo)數(shù)峰值所對應(yīng)的深度相同，并與地電模型所顯示的標(biāo)志層深度吻合。

圖6 典型界面確定綜合

表1 深度-校正系數(shù)K值

2.3 任意測點(diǎn)深度校正

任意測點(diǎn)的K值校正：三維地震數(shù)據(jù)可以較準(zhǔn)確確定9號煤層深度，如果要對全區(qū)瞬變電磁測點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)的深度校正，需要考慮利用已知的地震測線成果，對未知的測點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)插，可以提取任意測線任意測點(diǎn)的K值校正結(jié)果。圖7為全區(qū)任意點(diǎn)K值等值線圖，從圖中可以清楚地看到測區(qū)不同區(qū)域，校正系數(shù)不同，整體范圍在0.65～1.43之間，大號點(diǎn)的K值較小號點(diǎn)的K值大，中間上部K值比較大，可見，在整個測區(qū)需要根據(jù)地震成果資料進(jìn)行對不同位置的測點(diǎn)采用不同K值校正才比較合理。因此，通過內(nèi)插方法實(shí)現(xiàn)了全區(qū)任意測點(diǎn)K值校正。

圖7 全區(qū)任意點(diǎn)K值等值線

校正結(jié)果分析：256線經(jīng)過任意點(diǎn)K值校正后的視電阻率斷面圖對比，如圖8所示。可以看出，在校正前解釋結(jié)果與實(shí)際不太符合。根據(jù)圖8(b)可以看到視電阻率微分能夠精細(xì)的刻畫電阻率參數(shù)的變化，非常有利于電性標(biāo)志層的識別。圖8(c)可以看到視電阻率等值線基本沿煤層等高線分布，在點(diǎn)號240～250處、273～293處出現(xiàn)了2個明顯的凹陷，且在2個斷層之間，說明這2處是明顯的低阻異常，有較強(qiáng)富水性，校正后的視電阻率等值線圖解釋更加合理了。所以，經(jīng)過視電阻率微分極值來確定電性標(biāo)志層實(shí)際深度與時(shí)深轉(zhuǎn)換深度的系數(shù)K值，K值深度校正后的視電阻率在實(shí)際地層對應(yīng)、異常區(qū)域確定、斷層位置劃分都有很好的效果，經(jīng)過此方法校正后具有很明顯的優(yōu)勢，經(jīng)過處理后與實(shí)際地層資料符合。

圖8 256線視電阻率校正斷面對比(273-297導(dǎo)水通道)

2.4 弱異常提取技術(shù)

在瞬變電磁法是實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常會遇到弱信號的提取問題，即異常在斷面圖上不是很清楚，此時(shí)可以通過進(jìn)行計(jì)算視電阻率等值線的變化率(即曲率)來反映弱信號的異常特征。本次模擬正演了3層地電模型的TEM異常，并計(jì)算了視電阻率的縱向曲率，視電阻率隨著深度的增加先減小再增大，在200 m處出現(xiàn)最小值，符合模型特征，并且隨著薄層層厚的減小，低阻帶的視電阻率值的變化率約為5%，并且縱向曲率隨著深度的增加則是一直減小，但在薄層處低阻帶的縱向曲率值較快，變化率約為30%，相比之下，對薄層變化的靈敏度更高，也更容易識別出其上下分界面。

3 成果解釋及驗(yàn)證

3.1 富水性異常特征分布

富水區(qū)分布：堡子煤礦9號煤層開采奧灰?guī)r溶水突水系數(shù)變化范圍為0.022～0.158 MPa/m之間。從井田中部向西北方向，隨9號煤埋深逐漸加深，帶壓值逐漸增大。奧灰頂富水性好，其電阻率將變低，如果范圍足夠大，則地面TEM視電阻率值會變小。解決奧灰頂富水性問題是本次二次處理的關(guān)鍵所在。對比一次處理與二次處理的奧灰頂界面富水區(qū)分布圖，如圖9所示，2次處理結(jié)果有較大的差別，第1次處理的結(jié)果總體為1個大塊、6個小塊。二次處理的奧灰頂富水區(qū)在全區(qū)都有分布，具有沿北西向分帶的特點(diǎn)。

圖9 一次、二次處理奧灰頂界面富水區(qū)分布對比

一次、二次處理對比：本次處理結(jié)果相較于一次處理結(jié)果，對整個工區(qū)的富水區(qū)進(jìn)行了更為精細(xì)的劃分，富水區(qū)在平面圖上分布更精確、明顯，對尋找富水區(qū)提供了更可靠的依據(jù)。從兩者的疊合圖可見，本次處理的結(jié)果分布廣，但異常面積相對較小，沿?cái)鄬臃植?，與斷裂密切相關(guān)，更符合實(shí)際情況。本次處理在工區(qū)中富水區(qū)多為中東部，其中富水區(qū)在已知出水點(diǎn)附近，結(jié)果更為可靠，可作為研究工區(qū)奧灰水富水區(qū)新的依據(jù)，為奧灰頂富水區(qū)的分布提供了基礎(chǔ)資料。

3.2 效果驗(yàn)證

異常驗(yàn)證效果：經(jīng)過對新近施工的鉆孔B1-1、B1-2、B1-4、B1-5、O放2、O放4、O放5、O放6、K放3出水情況(K2、奧灰)與二次處理成果的分析，兩者基本吻合，說明瞬變電磁校正后的結(jié)果解釋更加精細(xì)和準(zhǔn)確，異常更加可靠。

已知出水點(diǎn)驗(yàn)證效果：2017年1月17日，堡子煤礦2202工作面探巷出水，主要原因是底板奧陶系灰?guī)r水有較大可能沿?cái)鄬恿严稁в咳胂锏?，對礦井安全生產(chǎn)構(gòu)成威脅，部分巷道被淹，同時(shí)也影響到礦井F36斷層北側(cè)2號煤層煤炭資源的開采。根據(jù)出水情況，對二次處理成果進(jìn)行驗(yàn)證對比。堡子煤礦2202工作面探巷出水點(diǎn)位置，位于二次處理解釋的富水區(qū)范圍之內(nèi)，驗(yàn)證了二次處理成果的可靠性。二次資料處理所采用的數(shù)據(jù)甄別評估在最大程度上剔除了假異常特征，通過對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波去噪處理，突出了有效信號，提高了信噪比，處理后的資料電性特征更明顯，符合地質(zhì)規(guī)律。

4 結(jié)論

采用全域視電阻率計(jì)算方法，消除了瞬變電磁早期信號的視電阻率畸變，同時(shí)對邊框效應(yīng)進(jìn)行了校正，根據(jù)鉆孔電阻率曲線和視電阻率微分極值曲線的對應(yīng)關(guān)系，對測區(qū)內(nèi)電性標(biāo)志層進(jìn)行了識別?；谌S地震成果數(shù)據(jù)，提取了研究區(qū)內(nèi)任意測點(diǎn)處標(biāo)志層的準(zhǔn)確深度，并與視電阻率曲線微分極值點(diǎn)的電性標(biāo)志層深度進(jìn)行對比，得到瞬變電磁測點(diǎn)深度校正系數(shù)K值，形成了一套煤礦地面TEM數(shù)據(jù)精細(xì)處理方法和技術(shù)，并對堡子煤礦實(shí)測TEM資料進(jìn)行了二次處理，展示了奧灰頂?shù)母凰苑植继卣?，評價(jià)了測區(qū)富水性，并進(jìn)行了驗(yàn)證，為堡子煤礦的防治水提供了技術(shù)保障。