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        可控源音頻大地電磁法在奧灰?guī)r溶富水性探測(cè)的應(yīng)用

        2023-03-10 11:18:28亓增剛
        煤炭與化工 2023年1期
        關(guān)鍵詞:剖面圖電性富水

        亓增剛

        (中國(guó)煤炭地質(zhì)總局 物測(cè)隊(duì),河北 邢臺(tái) 054000)

        0 引 言

        山西北部塔山礦地形及地質(zhì)條件較為復(fù)雜,主采煤層為3-5號(hào)煤和8號(hào)煤,為帶壓開采,因煤礦水害事故是僅次于瓦斯事故的煤礦“第二殺手”,水患問題較為突出,開采前需采用科學(xué)的探查手段對(duì)研究區(qū)內(nèi)的奧灰?guī)r溶富水性進(jìn)行探測(cè)。當(dāng)下可控源音頻大地電磁法、瞬變電磁法、直流電法等地面電法在煤礦水害探查方面應(yīng)用廣泛[1-4],直流電法受地形影響較為嚴(yán)重[5],瞬變電磁法最佳勘探深度有限??煽卦匆纛l大地電磁法是20世紀(jì)80年代興起的一種測(cè)量卡尼亞電阻和相位的電磁測(cè)深技術(shù),它是在大地電磁法(MT)和音頻大地電磁法(AMT)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種人工源頻率域測(cè)深方法,具有工作效率高、勘探深度范圍大、分辨能力強(qiáng)、受地形影響小等特點(diǎn)[6-7],是當(dāng)前煤礦深部水害勘探的首選方法。結(jié)合水文、地質(zhì)資料,利用可控源音頻大地電磁法對(duì)區(qū)內(nèi)的奧灰?guī)r溶富水區(qū)進(jìn)行探測(cè),為礦井的安全生產(chǎn)提供了可靠的地質(zhì)依據(jù)。

        1 地質(zhì)及地球物理特征

        研究區(qū)位于位于山西地臺(tái)的北端,地勢(shì)總體是西南高、向東北漸低,大部分地帶為基巖出露,地形復(fù)雜,溝谷發(fā)育,最高點(diǎn)位于研究區(qū)西北部,標(biāo)高1 554 m,最低點(diǎn)位于研究區(qū)東南部,標(biāo)高1 330.6 m,相對(duì)高差264 m。

        1.1 地質(zhì)概況

        研究區(qū)位于大同煤田中、東部,地層由老至新有,寒武系;奧陶系;石炭系;二疊系、侏羅系和第四系。此次研究區(qū)主采煤層為石炭系上統(tǒng)太原組的3-5號(hào)煤和8號(hào)煤,3-5號(hào)煤平均煤厚15.64 m,8號(hào)煤平均煤厚5.71 m。根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)資料、鉆孔資料及三維地震資料分析可知,對(duì)主采煤層開采影響較大的含水層是奧灰?guī)r溶含水層,巖溶發(fā)育層段為奧陶頂界以下7.84~209.24 m,多發(fā)育在距頂界面150 m范圍內(nèi),奧灰水位標(biāo)高在920—1 040 m,3-5號(hào)煤層底板標(biāo)高的變化范圍在954~1 086 m,8號(hào)煤底板標(biāo)高變化范圍在926~1 036 m,3-5號(hào)煤大部分的區(qū)域帶壓,8號(hào)煤基本全區(qū)帶壓。

        1.2 地球物理特征

        研究區(qū)各地層之間(垂向上)均有較明顯的電性差異,該區(qū)內(nèi)第四系和侏羅系地層主要為沙土、礫石和煤層組成,電性上反映為中高阻;二疊系主要由砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖以及煤層組成,電性上反映為中低阻;石炭系主要由砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖及較厚的煤層組成,電性上反映為中高阻;奧陶系為石灰?guī)r,電性上反映為高阻,地層在縱向的電性反映上呈現(xiàn)明顯的“中高—低—中—高”的電性特征;縱向上各層位電性反映特征較為明顯。巖層的電阻率主要取決于巖石的結(jié)構(gòu)含水飽和度和水分礦化度,一般來說,巖溶富水區(qū)的電阻率遠(yuǎn)小于不含水圍巖的電阻率,這是在同一層位橫向上的電法勘探具備的前提條件,

        2 采集參數(shù)的選擇

        2.1 儀器及工作裝置

        此次研究選用了儀器動(dòng)態(tài)范圍大、儀器靈敏度高,發(fā)射機(jī)電流大,美國(guó)ZONGE公司生產(chǎn)的GDP-32II多功能電法儀。

        工作裝置采用CSAMT的標(biāo)量測(cè)量方式,水平方向電場(chǎng)(MN)平行于場(chǎng)源(AB),水平磁場(chǎng)垂直于場(chǎng)源布設(shè)。

        2.2 收發(fā)距的確定

        此次研究區(qū)的最大探測(cè)深度約為950 m,根據(jù)規(guī)范要求可知,最小收發(fā)距應(yīng)大于4倍的趨膚深度[8],共計(jì)3.8 km,最大收發(fā)距不超過15.6 km。結(jié)合以往工作經(jīng)驗(yàn),選擇了4、6、8和10 km的收發(fā)距進(jìn)行試驗(yàn)。

        圖1為4種收發(fā)距下探測(cè)卡尼亞電阻率曲線圖,縱坐標(biāo)為電阻率值,橫坐標(biāo)為頻率,由圖1可以看出,4 km收發(fā)距時(shí),大約在32 Hz進(jìn)入過渡區(qū),6 km時(shí)在22.5 Hz進(jìn)入過渡區(qū),8 km時(shí)在16 Hz進(jìn)入過渡區(qū),10 km時(shí)在11.3 Hz進(jìn)入過渡區(qū),但10 km收發(fā)距時(shí)低頻信號(hào)較弱,受信噪比和人文干擾因素的影響使得衰減曲線不圓滑,不適合該區(qū)施工。綜合考慮此次選擇6~8 km作為CSAMT勘探的收發(fā)距。

        圖1 不同收發(fā)距卡尼亞電阻率曲線Fig.1 Carnia resistivity curves of different sending and receiving distances

        2.3 工作頻段的確定

        此次研究區(qū)平均電阻率大于100Ω·m,探測(cè)深度預(yù)計(jì)為950 m,結(jié)合規(guī)范中有效探測(cè)深度的列線圖分析,對(duì)應(yīng)的最低工作頻率約為16 Hz。常規(guī)情況下為保證不漏掉所要探測(cè)的地質(zhì)目標(biāo)體,所選擇的最低工作頻率,比估算的最低工作頻率低3~4個(gè)頻點(diǎn)以確保探測(cè)深度。圖2為試驗(yàn)工作卡尼亞電阻率曲線圖,當(dāng)測(cè)到過渡區(qū)時(shí)(22.5 Hz),應(yīng)再往低頻測(cè)3~4個(gè)頻點(diǎn),因此此次選用的最低工作頻率為4 Hz。最高頻率為儀器工作的最高頻率即8 192 Hz。

        圖2 試驗(yàn)點(diǎn)卡尼亞電阻率曲線Fig.2 Carnia resistivity curves of test point

        3 數(shù)據(jù)處理及解譯

        3.1 數(shù)據(jù)處理

        可控源音頻大地電磁法的資料處理,先是剔除或擬合那些明顯的噪聲和誤差;其次進(jìn)行靜態(tài)校正和進(jìn)場(chǎng)校正,以消除靜態(tài)效應(yīng)影響的電阻率數(shù)據(jù)不規(guī)則現(xiàn)象起到改正作用;最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演處理。3.1.1畸變點(diǎn)的處理

        視電阻率與相位資料的處理是進(jìn)行人機(jī)聯(lián)做來完成的。處理時(shí)以排列為單位,根據(jù)同一排列中視電阻率曲線形態(tài)變化不大且具有相似性的特點(diǎn)進(jìn)行,圖3中該測(cè)線1252點(diǎn)32 Hz頻點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)生畸變,通過軟件對(duì)該頻點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除或擬合處理,可使得電阻率形態(tài)符合變化特征,保證資料的質(zhì)量。

        圖3 畸變頻點(diǎn)示意Fig.3 Aberration frequency point

        3.1.2 靜態(tài)效應(yīng)校正

        靜態(tài)校正中,對(duì)于相對(duì)誤差在10%以內(nèi)的覆蓋點(diǎn)可以進(jìn)行算術(shù)平均處理或不作處理,對(duì)于相對(duì)誤差大于10%但曲線形態(tài)一致的覆蓋點(diǎn)應(yīng)作平移處理。圖4是此次靜態(tài)效應(yīng)處理前后示意圖,圖中可看出,1202點(diǎn)因受到靜態(tài)位移影響,使得該測(cè)點(diǎn)視電阻率曲線也沿縱軸在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中發(fā)生下移,需通過軟件對(duì)該測(cè)點(diǎn)進(jìn)行靜態(tài)校正后,使該點(diǎn)曲線沿箭頭上移至誤差范圍內(nèi),以滿足處理要求。

        圖4 靜態(tài)校正示意Fig.4 Static correction

        3.1.3 近場(chǎng)校正

        在CSAMT勘探工作中,由于受地表地形與地質(zhì)條件的影響,很難使測(cè)量區(qū)都滿足波區(qū)條件,測(cè)點(diǎn)處的電磁場(chǎng)常表現(xiàn)為近場(chǎng)或者過渡場(chǎng)特征,特別是當(dāng)收發(fā)距小和頻率較低時(shí),近場(chǎng)效應(yīng)嚴(yán)重,近場(chǎng)效應(yīng)表現(xiàn)為視電阻率曲線在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中呈45°上升[9]。近場(chǎng)校正方法有多種,此次工作近場(chǎng)校正采用全頻域視電阻率法。

        3.1.4 數(shù)據(jù)反演

        野外觀測(cè)數(shù)據(jù)得到磁場(chǎng)、電場(chǎng)曲線與地下的地電結(jié)構(gòu)不是簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系,而是一種復(fù)雜的非線性關(guān)系,因此需要用特定的反演方法把頻率域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成電阻率—深度的關(guān)系。這種把視電阻率隨時(shí)間的變化轉(zhuǎn)化為電阻率隨深度變化的過程就叫做反演處理,可以得到地下電阻率隨深度的變化情況,從而研究由于各類地質(zhì)異常體所引起的電性異常,為數(shù)據(jù)的解譯提供依據(jù)。

        3.2 數(shù)據(jù)解譯

        (1)L296線視電阻率綜合剖面圖—A24號(hào)鉆孔對(duì)比分析。

        圖5為L(zhǎng)296線視電阻率綜合剖面圖,該測(cè)線位于研究區(qū)的中部,11500點(diǎn)位于A24水文觀測(cè)孔之上,根據(jù)收集資料可知,該孔在石炭系太原組的單位涌水量為0.003 41~0.027 43 L/s·m,富水性弱;在奧陶系頂界下70 m左右的單位涌水量為0.099 5~0.744 4 L/s·m,富水性中等;11720點(diǎn)標(biāo)高1 062 m(3-5號(hào)煤附近),井下揭露Q=0.53/h。由圖可以看出,該測(cè)線從橫向上看視電阻率斷面圖基本呈層狀分布,在巷道所在位置視電阻率值約為160Ω·m,無明顯的低阻異常反應(yīng);A24號(hào)鉆孔位置,8號(hào)煤附近視電阻率值為170~180Ω·m,無明顯的低阻異常反應(yīng);奧陶系頂界至奧灰頂界下200 m地層視電阻率值為140~280Ω·m,圖中測(cè)點(diǎn)號(hào)10 740~11 540,標(biāo)高700~960 m(虛線圈出的橢圓位置),呈現(xiàn)出低阻異常反應(yīng),視電阻率值小于220Ω·m,依據(jù)水文孔資料綜合分析為奧灰富水反映,DF4、DF5和DF6斷層在該異常范圍內(nèi),推斷這3條斷層在該測(cè)線控制范圍內(nèi)富水,并具有一定的導(dǎo)水性;在三維地震解釋采空區(qū)位置,視電阻率值小于120Ω·m,相比同層位呈現(xiàn)出低阻異常反映,推斷為采空富水反映。

        圖5 L296線視電阻率綜合剖面圖Fig.5 Apparent resistivity comprehensive profile of No.L296 line

        (2)L176線視電阻率綜合剖面圖-T605號(hào)鉆孔對(duì)比分析。

        圖6為L(zhǎng)176線視電阻率綜合剖面圖,該測(cè)線位于勘探區(qū)的西北部,12520點(diǎn)位于T605水文觀測(cè)孔之上,距8228工作面約為1 000 m,根據(jù)礦方反饋資料,該孔所在位置在奧灰含水層有富水情況。由圖可以看出該測(cè)線從橫向上看視電阻率斷面圖基本呈層狀分布,A24號(hào)鉆孔附近,11 240~12 580點(diǎn)號(hào),標(biāo)高600 m—1 050 m;12 860~13 340點(diǎn)號(hào),標(biāo)高700—1 000 m,均存在明顯的低阻異常反映,在異常區(qū)內(nèi),8號(hào)煤附近視電阻率值為小于170Ω·m,奧陶系頂界至奧灰頂界下200 m地層視電阻率值為小于220Ω·m,且DF16斷層和DX3陷落柱分別位于2個(gè)異常范圍內(nèi),推斷這2個(gè)區(qū)為富水區(qū),在富水區(qū)內(nèi)的,DF16斷層和DX3陷落柱具有一定的導(dǎo)水性。

        圖6 L1 76線視電阻率綜合剖面圖Fig.6 Apparent resistivity comprehensive profile of No.L176 line

        (3)L200線視電阻率綜合剖面圖-T605號(hào)鉆孔對(duì)比分析。

        圖7為L(zhǎng)200線視電阻率綜合剖面圖,該測(cè)線位于勘探區(qū)的中西部。

        圖7 L200線視電阻率綜合剖面圖Fig.7 Apparent resistivity comprehensive profile of No.L200 line

        5234巷道位于該測(cè)線DF15斷層北部的12780點(diǎn)附近(實(shí)心圓點(diǎn)位置),5234巷道里程1 740 m位于該測(cè)線15200點(diǎn)位置,已過DF17斷層16 m,同時(shí)有出水現(xiàn)象,為查明水源設(shè)計(jì)了探放水孔探測(cè)DF16斷層,1號(hào)孔(方位221°,傾角-25°)施工60 m見水,水量0.7 m3/h,水溫28℃,2號(hào)孔(方位241°,傾角-25°)施工至45 m見水,63 m終孔,水量7.5 m3/h,水溫29℃(位于斷面圖中12480點(diǎn)附近),根據(jù)水溫和水質(zhì),判斷出水水源為奧灰水。結(jié)合該測(cè)線視電阻率綜合剖面圖分析,12780~13120點(diǎn)標(biāo)高700—1 000 m(虛線橢圓標(biāo)示位置),視電阻率呈現(xiàn)出低阻異常特征,巷道出水位置以及DF16斷層探放水孔位置(圖中實(shí)心正方形位置)在該異常區(qū)內(nèi),綜合分析,該區(qū)域?yàn)閵W灰?guī)r溶富水區(qū),對(duì)應(yīng)情況良好。

        8234巷位于此測(cè)線12500點(diǎn)附近(實(shí)心圓點(diǎn)位置),8234頂板高抽巷掘進(jìn)至里程1 610 m(圖中8234巷道所在位置西北50 m左右),工作面煤壁出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。結(jié)合該測(cè)線視電阻率斷面圖,12 260~12 580點(diǎn),標(biāo)高750—900 m,視電阻率呈現(xiàn)出低阻異常特征(圖中虛線橢圓標(biāo)示位置)在該異常區(qū)內(nèi),分析該區(qū)域?yàn)閵W灰?guī)r溶富水區(qū),3-5號(hào)煤底板附近無明顯異常反應(yīng),對(duì)應(yīng)情況良好。

        4 結(jié) 語

        通過在研究區(qū)開展可控源音頻大地電磁法表明,該方法是當(dāng)前煤礦深部水害勘探的首選方法,能夠有效的探測(cè)出奧灰?guī)r溶富水所造成的低阻異常。施工時(shí),收發(fā)距的選擇需通過試驗(yàn)工作而確定。因該方法存在靜態(tài)效應(yīng),在資料處理時(shí),需進(jìn)行靜態(tài)校正和進(jìn)場(chǎng)校正,以滿足處理要求。需要注意的是,反演后獲得的視電阻率值是相對(duì)的,在使用過程中需結(jié)合地質(zhì)、水文、井巷采掘以及相關(guān)物探資料進(jìn)行綜合對(duì)比解釋,以提高解釋精度。

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