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        瞬變電磁法在煤礦采空區(qū)中的應(yīng)用

        2021-12-06 00:24:18余小軍
        魅力中國 2021年50期
        關(guān)鍵詞:電性電磁場測線

        余小軍

        (山西省煤炭地質(zhì)114 勘查院,山西 長治 046011)

        一、瞬變電磁法原理

        瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Method,簡稱TEM)是利用不接地回線或電極向地下發(fā)送脈沖式一次電磁場,用線圈或接地電極觀測由該脈沖電磁場感應(yīng)的地下渦流產(chǎn)生的二次電磁場的空間和時間分布,來解決有關(guān)地質(zhì)問題的時間域電磁法。

        瞬變電磁法的激勵場源主要有兩種,一種是回線形式(或載流線圈)的磁源,另一種是接地電極形式的電流源。下面以均勻大地的瞬變電磁響應(yīng)為例,來討論回線形式磁偶源激發(fā)的瞬變電磁場,從而闡述瞬變電磁法測深的基本理論。

        在導(dǎo)電率為σ、導(dǎo)磁率為μ 的均勻各向同性大地表面敷設(shè)面積為S 的矩形發(fā)射回線在回線中供以階躍脈沖電流。

        在電流斷開之前(t<0時),發(fā)射電流在回線周圍的大地和空間中建立起一個穩(wěn)定的磁場。

        在t=0 時刻,將電流突然斷開,由該電流產(chǎn)生的磁場也立即消失。一次磁場的這一劇烈變化通過空氣和地下導(dǎo)電介質(zhì)傳至回線周圍的大地中,并在大地中激發(fā)出感應(yīng)電流以維持發(fā)射電流斷開之前存在的磁場、使空間的磁場不會即刻消失。

        由于介質(zhì)的歐姆損耗,這一感應(yīng)電流將迅速衰減,由它產(chǎn)生的磁場也隨之迅速衰減,這種迅速衰減的磁場又在其周圍的地下介質(zhì)中感應(yīng)出新的強度更弱的渦流。這一過程繼續(xù)下去,直至大地的歐姆損耗將磁場能量消耗完畢為止。這便是大地中的瞬變電磁過程,伴隨這一過程存在的電磁場便是大地的瞬變電磁場。

        任一時刻地下渦旋電流在地表產(chǎn)生的磁場可以等效為一個水平環(huán)狀線電流的磁場。在發(fā)射電流剛關(guān)斷時,該環(huán)狀線電流緊接發(fā)射回線,與發(fā)射回線具有相同的形狀。隨著時間推移,該電流環(huán)向下、向外擴散,并逐漸變形為圓電流環(huán)。因此,人們將地下渦旋電流向下、向外擴散的過程形象地稱為“煙圈效應(yīng)”。

        “煙圈”的半徑r、深度d 的表達式分別為:式中:a 為發(fā)射線圈半徑,。

        從(1-1)到(1-3)式可以看出、地下感應(yīng)渦流向下、向外擴散的速度與大地導(dǎo)電率有關(guān)。導(dǎo)電性越好,擴散速度越慢,這意味著在導(dǎo)電性較好的大地上,能在更長的延時后觀測到大地瞬變電磁場。

        從“煙圈效應(yīng)”的觀點看,早期瞬變電磁場是由近地表的感應(yīng)電流產(chǎn)生的,反映淺部電性分布;晚期瞬變電磁場主要是由深部的感應(yīng)電流產(chǎn)生的,反映深部的電性分布。因此,觀測和研究大地瞬變電磁場隨時間的變化規(guī)律,可以探測大地電位的垂向變化,這便是瞬變電磁測深的原理。

        二、應(yīng)用實例

        (一)礦區(qū)地質(zhì)概況

        測區(qū)位于呂梁山脈臨汾地區(qū)中央丘陵地區(qū),基巖出露好,僅山凹處有小面積黃土覆蓋,地表切割強烈,井田地勢總體西部高,東部低,出露地層有:上統(tǒng)太原組(C3t),二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)、下石盒子組(P1x),上統(tǒng)上石盒子組(P2s)。鉆孔對奧陶系、石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)有揭露,溝谷及部分山梁和山坡地帶有第四系(Q)松散沉積物分布。井田含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)和二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)。

        井田內(nèi)有多處老窯和小窯,特別是2 號煤層,埋藏淺,基本被老、小窯采空,現(xiàn)均關(guān)閉或自然坍塌,井筒、井口均已無法查清。9 號煤層和10+11 號煤層都存在多處采空區(qū),經(jīng)向礦方調(diào)查,目前采空區(qū)尚有無積水,情況不明。而且從采空區(qū)和破壞區(qū)的位置來看,對今后開采井田向斜軸地段的煤層有著威脅。

        (二)技術(shù)方法

        本次勘查測區(qū)測線、測點的布置遵循南北向布測,點距20 米,線距20 米,異常區(qū)域適當加密。設(shè)計測線53 條。野外采集使用的是加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的V8 電法工作站,發(fā)射機型號為T4,接收機型號為V8-6R,接收探頭為1×1m 的100 匝硬架圓框線圈。本次試驗確定裝置為大定源法,發(fā)射線框邊長240X240m,發(fā)射電流12A,發(fā)射頻率25Hz。

        (三)采空區(qū)的地球物理特征

        煤層賦存于成層分布的煤系地層中,煤層被開采后形成采空區(qū),破壞了原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)。當開采面積較小時,且煤層頂板為塑型巖石并保存完整,由于殘留煤柱較多,壓力轉(zhuǎn)移到煤柱上,未引起地層變形、塌陷,采空區(qū)以充水或不充水的空洞形式保存下來;但多數(shù)采空區(qū)在重力和地層應(yīng)力作用下,頂板垮落,形成冒落帶、裂隙帶和彎曲帶。這些地質(zhì)因素的變化,使得采空區(qū)及其上部地層的地球物理特征發(fā)生了顯著變化,主要表現(xiàn)為:煤層采空區(qū)冒落帶與完整地層相比,巖性變得疏松、密實度降低,即單位體積內(nèi)介質(zhì)密度降低,同時使得傳播于其中的導(dǎo)電性降低,在電性上表現(xiàn)為高阻異常;煤層采空區(qū)裂隙帶與完整地層相比,巖性沒有發(fā)生明顯的變化,但由于裂隙帶內(nèi)巖石的裂隙發(fā)育,同時使得傳播于其中的導(dǎo)電性變差,巖石電阻率明顯變大。

        通常情況下,冒落帶的高度一般在十幾米左右,其內(nèi)部充填的松散物的視電阻率明顯高于周圍介質(zhì),裂隙帶的高度一般在幾十米,主要是由于采空區(qū)塌陷造成巖石出現(xiàn)裂隙,巖石的電阻率明顯變大,而當采空區(qū)充水較多時,由于水的存在,導(dǎo)電性變強,采空區(qū)的電阻率明顯變小。由此可見,采空積水區(qū)的視電阻率明顯區(qū)別于采空區(qū)和未采區(qū)的視電阻率,是本次瞬變電磁法探測采空積水區(qū)的物理前提。

        (四)瞬變電磁勘查成果解釋

        在視電阻率擬斷面圖2-1,可以看出從淺到深其視電阻率整體基本呈現(xiàn)由低~高阻的電性特征,等值線呈近水平層狀分布,并隨著地層的起伏而表現(xiàn)出高低變化,符合地層的電性分布特征。標高930m 在180-280 點號和410-450 點號處出現(xiàn)畸變,向下凹陷,并且呈低阻反映;標高1030m 在410-450 點號處出現(xiàn)畸變,向下凹陷,并且呈低阻反映。同時,在多測道電壓剖面圖上,早、中期測道在180-280 點號和410-450 點號處出現(xiàn)“高電壓異?!?;結(jié)合調(diào)查的煤礦采空資料綜合分析認為,標高1030m 在410-450 點號處出現(xiàn)的異常為2 號煤層采空積水區(qū)反映;標高930m 在180-280 點號出現(xiàn)異常為為9#+10#+11#煤層富水區(qū)反映,在410-450 點號處出現(xiàn)異??赡苁? 號煤層采空積水影響所致,也可能該處為裂隙發(fā)育區(qū)。該斷面圖的其它地段電性變化較穩(wěn)定,說明該段地層完整性較好。

        圖2-1 測區(qū)520 測線視電阻率擬斷面圖和測區(qū)520 測線多測道電壓剖面

        圖2-2 為9#+10#+11#煤視電阻率順煤層切片等值線圖,從圖上可以看出,與測道等電壓平面圖比較,低阻異常區(qū)較少,主要的低阻異常區(qū)在100-280 測線的100~180 號點、140-320 測線的200~360 號點、520-720 測線的0~180 號點、480-640測線的200~380 號點、740-1010 測線的80~200 號點720-880 測線的280~400 號點。

        圖2-2 9#+10#+11#煤視電阻率順煤層切片等值線圖

        結(jié)合該礦地質(zhì)情況分析,2 號煤層的直接頂板為泥巖和中砂巖,直接含水層為K8 中砂巖,富水性較好;9#+10#+11#號煤層的直接頂板為泥巖及其砂巖,直接含水層為K2 灰?guī)r,富水性一般,都是采空區(qū)積水的主要水源。此外頂板破碎帶也有可能是采空區(qū)積水的來源,由于老空區(qū)開采時間較長,故采空區(qū)內(nèi)會出現(xiàn)不同程度的積水,在順煤層視電阻率等值線圖上表現(xiàn)的視電阻率值相對較小。需要強調(diào)的是有些區(qū)域盡管視電阻率較低,但有可能不是采空積水區(qū),而可能為裂隙水,或者煤層頂板水,嚴格來講應(yīng)該定義為富水區(qū)域。

        (五)地質(zhì)成果

        結(jié)合已知地質(zhì)、水文地質(zhì)資料,對本次瞬變電磁勘探資料進行了綜合處理分析與解釋,獲得的主要地質(zhì)成果如下:根據(jù)瞬變電磁法勘探結(jié)果,推斷解釋2#煤層物探異常區(qū)3 處;推斷解釋9#+10#+11#煤層物探異常區(qū)7 處;為驗證推斷采空積水區(qū)的可靠性,根據(jù)瞬變電磁的異常布置兩個鉆孔,并得到了驗證,說明本次瞬變電磁法的推斷具有較高的準確性。

        三、結(jié)論

        瞬變電磁勘探方法,是基于目標體與圍巖的電性差異來測量。其電性差異引起的異常大小(高阻或低阻)是勘探的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。通過本次勘探,說明瞬變電磁法是探測煤礦采空區(qū)的有效手段。

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