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        瞬變電磁法在煤礦地質(zhì)災(zāi)害勘察中的應(yīng)用

        2023-10-18 13:32:44姚世來
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2023年29期
        關(guān)鍵詞:電性富水電阻率

        姚世來

        (內(nèi)蒙古平西白音華煤業(yè)有限公司,內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000)

        煤礦開采容易受到水害威脅,比如斷層及陷落柱富水突出、老窖水突出、斷層導(dǎo)水等等,這些問題不僅影響煤礦開采進度,而且會給施工環(huán)節(jié)帶來嚴(yán)重的安全隱患,因此在煤礦開采前需做好專業(yè)的地質(zhì)災(zāi)害勘察工作,運用瞬變電磁法提升勘察準(zhǔn)確度,從而采取有效的防治措施。

        1 研究區(qū)地質(zhì)概況

        本文研究的礦產(chǎn)地質(zhì)災(zāi)害勘察區(qū)域位于太行山西翼,基巖裸露,巖層風(fēng)化侵蝕情況比較嚴(yán)重,地層從老到新逐漸過渡,分別為奧陶系(0)、石炭系(C)、二疊系(P)、三疊系(T)、第四系(Q),而且每個時期的基巖上均不規(guī)則分布新生界地層。該區(qū)域共有8 個斷層,分別命名為DF1,DF2,…,DF8;共有5 個陷落柱,分別為X1 陷落柱,X2 陷落柱,…,X5 陷落柱。工作區(qū)為中低山侵蝕區(qū),地表水系發(fā)育比較完善,勘察區(qū)的水系屬于海河流域,將含水層與隔水層一共劃分為9 層,其中含水層組根據(jù)巖層性質(zhì)主要分成6 組,隔水層主要有1個,巖性由粉砂巖、細粒砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖和鋁土泥巖等組成,巖性致密、裂隙不發(fā)育[1]。工作區(qū)中地質(zhì)主要含水層與勘查煤層的地質(zhì)情況如圖1 所示。

        圖1 工作區(qū)主要含水層與煤層地質(zhì)分布圖

        根據(jù)地質(zhì)資料分析可知,勘察區(qū)的煤層及巖層電性參數(shù)見表1,結(jié)合資料數(shù)據(jù)得出地層電性差異較為明顯,而且煤系地層的平均電阻值高于非煤系地層的電阻值,一般達到2 個級次后,構(gòu)成1 個電性層。因此煤系地層的基底奧陶系灰?guī)r的電阻率最高,具有較好的電性標(biāo)志,而充水的斷層破碎帶電阻率較低,電性標(biāo)志同樣明顯,為瞬變電磁法應(yīng)用提供了較好的電性基礎(chǔ)。

        表1 煤、巖層電性參數(shù)表

        2 瞬變電磁法工作技術(shù)

        2.1 工作儀器、參數(shù)

        針對本勘察區(qū)應(yīng)用輸變電磁法進行地質(zhì)勘測,工作地點在野外,應(yīng)用儀器為GDP-32Ⅱ電法工作站,其中包含GGT-30 發(fā)射機、30 kW 科勒BF30 發(fā)電機組成的發(fā)射系統(tǒng)、GDP-32Ⅱ多功能接收機以及TEM-3 垂直分量接收探頭。在實際操作環(huán)節(jié)工作裝置設(shè)定為大定源中心回線,發(fā)射線框尺寸為960 m×960 m,發(fā)射頻率為4 Hz,自動增益,關(guān)斷延時360 us,疊加次數(shù)為64次。結(jié)合勘察區(qū)地質(zhì)及環(huán)境情況,應(yīng)分別設(shè)置不同頻率進行數(shù)據(jù)反演計算,從而確定最優(yōu)發(fā)射頻率,提前在鉆孔附近觀測各項參數(shù),從而確最佳試驗參數(shù)[2]。

        2.2 試驗

        2.2.1 試驗點及發(fā)射裝置選擇

        結(jié)合前文中的地質(zhì)區(qū)域研究,勘察區(qū)內(nèi)15#煤的埋層最深,其中試驗鉆孔(P8-4 號)布置達到了767.71 m,而且鉆孔附近干擾源相對較少,因此第一次試驗點選擇在P8-4 號鉆孔周圍,標(biāo)記為S1,第二次試驗點選擇在水文鉆孔P2-5 周圍,標(biāo)記為S2,再對2 處地層的電阻率異常情況進行閾值設(shè)定。本試驗對勘察精度要求較高,因此需選用對目標(biāo)體感應(yīng)最為敏銳的中心回線裝置,配合大定源裝置進行回線源布置(作業(yè)模式如圖2 所示),并在回線中間的1/3 處進行數(shù)據(jù)采集。

        圖2 大定源-中心回線組合裝置作業(yè)圖

        2.2.2 瞬變電磁法發(fā)射框發(fā)射頻率試驗

        試驗要求探測深度要大于910 m,結(jié)合P8-4 號鉆孔位置,試驗環(huán)節(jié)的發(fā)射頻率分別設(shè)置為16、8 和4 Hz。

        首先設(shè)定供電電流為14 A,在S1 處分別采用發(fā)射邊框為840 m×840 m 和960 m×960 m,頻率16、8 和4 Hz 進行組合試驗,可以得出6 種結(jié)果:當(dāng)發(fā)射邊框為定值時,3 種頻率數(shù)據(jù)接收曲線比較光滑,但是16 Hz 和8 Hz 的采樣時間較短,因此勘察深度不足,無法取得準(zhǔn)確數(shù)據(jù);當(dāng)發(fā)射邊框為960 m×960 m 時,4 Hz 勘察深度較深,達到910 m 以上,能夠滿足后期解釋需求。因此發(fā)射頻率設(shè)置為960 m×960 m 邊框長度下的4 Hz[3]。

        2.2.3 輸變電磁法其他參數(shù)試驗

        發(fā)射電流:GDP-32Ⅱ工作裝置要求發(fā)射電流大于10 A,根據(jù)上一步試驗得出的960 m×960 m 邊框長度下的4 Hz 發(fā)射頻率,將其設(shè)定為固定值,進行電流大小測試,分別設(shè)計10 A 及14 A 電流進行試驗比較,可以得出14 A 的發(fā)射電流接收信號強度更好,因此選用14 A 的發(fā)射電流。

        關(guān)斷延時:由于試驗為野外實測,為了保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性,需完全采集第2 場數(shù)據(jù)資料,實驗要在同一地點采集同一參數(shù)進行對比,將關(guān)斷延時分別設(shè)置3 組數(shù)值:260、360 和460 us,根據(jù)實測數(shù)據(jù)的分析可知,延時在200 us 附近時,能夠徹底清除第1 場測試信號,保證采集的信號全部是第2 場的。

        噪音水平:針對試驗區(qū)域的環(huán)境噪音水平,能夠確定出接收機的增益數(shù)值及疊加次數(shù),根據(jù)測量結(jié)果得出試驗現(xiàn)場的噪音值在±0.010 nT 之間,因此無干擾區(qū)的噪音水平低于0.010 nT 時,信息接收強度需要大于0.020 nT。

        鉆孔旁深度:根據(jù)P8-4 號鉆孔深度,對比附近的P6-4 號鉆孔深度,電測深度曲線的深度校正系數(shù)為0.8,P6-4 號鉆孔深度分別經(jīng)過了第一電性層第四系覆蓋反映、第二電性層二疊紀(jì)地層、第三電性層石炭系地層、第四電性層奧陶系灰?guī)r,其中第二電性層電阻率較低,達到第三、第四電性層后電阻率逐漸升高,在第四層達到最高,因此P8-4 號鉆孔的校正深度需以奧灰標(biāo)志層為參考,深度校正系數(shù)設(shè)定為0.92[4]。

        2.3 數(shù)據(jù)采集

        2.3.1 工程布置

        首先確定瞬變電磁測線,在勘察區(qū)域內(nèi)以垂直地質(zhì)構(gòu)造走向進行布置,這樣能夠增加信號接收強度。測線具體布設(shè)方向為西北-東南,每條線之間相互平行,間距設(shè)為40 m,測線共布設(shè)240 條,從南至北依次編號為D112~D352,測點共布置2 880 個,依次編號為1740~4620,每個測點間距為20 m。

        2.3.2 采集技術(shù)

        1)勘察區(qū)有村莊、電線、光纜等電磁干擾源,針對其中電磁頻率較寬較強的干擾源,需增加數(shù)據(jù)采集的疊加次數(shù),取得數(shù)據(jù)后繪出曲線圖,采用單點曲線分層解釋及尾部數(shù)據(jù)低通過濾波處理辦法,實現(xiàn)“累加平均”取數(shù)的目的。

        2)如勘察區(qū)內(nèi)地質(zhì)有沖溝發(fā)育特點,需準(zhǔn)確設(shè)置發(fā)射框尺寸,應(yīng)用測量儀器進行量距定向,從而規(guī)范發(fā)射圈面積,再采用直流電測深法進行跑極放線,并應(yīng)用測量儀器對每一個極距進行量距定向,加強數(shù)據(jù)采集精度。

        3)試驗操作環(huán)節(jié)需保證瞬變供電導(dǎo)線絕緣電阻大于2 MΩ,同時內(nèi)阻要大于6 Ω/km。

        3 瞬變電磁法數(shù)據(jù)處理

        3.1 資料處理

        應(yīng)用瞬變電磁法觀測數(shù)據(jù),主要是通過各個測點的時窗(測道)所感應(yīng)到的電壓進行換算,從而得到視電阻率、視深度相關(guān)參數(shù);野外監(jiān)測環(huán)節(jié)需對每個測點數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換,通過計算機技術(shù)篩選優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù),再通過濾波、消除噪聲、恢復(fù)數(shù)據(jù)等環(huán)節(jié)后,運用TEMAVG 軟件進行數(shù)據(jù)的關(guān)斷時間校正,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的時深轉(zhuǎn)換,最終得出視電阻率及視深度數(shù)值;對處理后的結(jié)果進行一維數(shù)據(jù)反演,本文研究主要應(yīng)用STEMINV 軟件,通過反演操作進行地形校正及高程校正;依據(jù)地層等高線及相關(guān)地質(zhì)資料繪制不同層位的視電阻率切片圖,并應(yīng)用Auto CAD 軟件繪制成圖,詳細的瞬變電磁數(shù)據(jù)處理及解釋步驟如圖3 所示。

        圖3 瞬變電磁數(shù)據(jù)處理及解釋流程圖

        3.2 資料分析

        在進行資料一維數(shù)據(jù)反演過程中,如果不同深度視電阻率值下的二次感應(yīng)電壓值較高,相應(yīng)地層主要表現(xiàn)為低電阻特性;如果二次感應(yīng)電壓值較低,相應(yīng)地層主要表現(xiàn)為高電阻特性。

        勘查區(qū)的7 層地質(zhì)分布,從下至上依次為奧陶系中統(tǒng)峰峰組、石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組、上統(tǒng)上石盒子組以及新生界地層。結(jié)合資料處理結(jié)果進行解釋分析可知,上部的新生界地層表現(xiàn)為高電阻,而且電阻從上至下逐漸呈現(xiàn)遞減再遞增趨勢,其中二疊系地層電阻最低[5]。

        4 瞬變電磁法資料解釋

        4.1 斷層富含水性分析

        4.1.1 解釋標(biāo)準(zhǔn)

        上文地質(zhì)概況中闡述了勘察區(qū)斷層主要有8 條,其中DF1~DF6 為正斷層,DF7 和DF8 為逆斷層。在資料解釋中需要對各個層位的視電阻率變化及電阻率-深度剖面的異常區(qū)域進行處理。如果剖面圖及巖層含水,則表示為高阻,并將其判定為不富水;如果為中低阻異常或低阻異常,則判定為富水。

        4.1.2 解釋內(nèi)容

        以斷層DF1 為例,其屬于正斷層,北東走向,南東傾向,地處工作區(qū)的東南點,落差范圍在0~6 m 之間,傾角在74°左右,斷層DF1 主要在8#、15#煤層及奧灰中發(fā)育形成,其DF1 的電磁測線范圍在L124~L156 線上,觀察L140 線的4100~4500 號測點,其中4420~4380 號范圍內(nèi)的測點電阻率等值線出現(xiàn)扭曲、變形,而且斷層反映明顯,因此該處電阻率-深度剖面圖位于較高的電阻率區(qū)域,該層判定為不富水。

        根據(jù)斷層DF1 的資料解釋方法,依次進行其余斷層的富含水性分析,斷層DF2 在L132 線、斷層DF3 在L164 線電阻率-深度剖面圖位于較高的電阻率區(qū)域,斷層DF2、DF3 判定為不富水;斷層DF4 在L190 線電阻率-深度剖面圖位于無異常變化的電阻率區(qū)域,該層判定為不富水;斷層DF5 在L260 線、斷層DF6 在L310 線電阻率-深度剖面圖的電阻率等值線呈“V”型低電阻反映,因此富含水性較強;斷層DF7 在L348線、斷層DF8 在L328 線處的電阻率呈低電阻反映,而且形成了低電阻率閉合圈,因此富含水性較強。關(guān)于瞬變電磁的研究來分析斷層的整體成果,可以初步判定工作區(qū)內(nèi)斷層整體上富含水性較強,其中DF5、DF6、DF7、DF8 存在一定的低阻異常區(qū)域,而且這些斷層相鄰的上下層位中,低阻異常區(qū)主要與剖面傾向方向存在聯(lián)通關(guān)系,可以得出奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r巖溶水層與石炭系上統(tǒng)太原組灰?guī)r巖溶含水之間形成了一定形式的導(dǎo)水通道,即DF5~DF8 在含水層與溶巖含水之間形成了導(dǎo)水通道,斷層DF1、DF2、DF3、DF4 均不富水。

        4.2 陷落柱富含水性分析

        4.2.1 解釋標(biāo)準(zhǔn)

        勘察區(qū)內(nèi)共有5個陷落柱,從X1~X5,在資料解釋中同樣需要對各個層位的視電阻率變化及電阻率-深度剖面的異常區(qū)域進行處理,如果陷落柱的富水性較強,則垂直方向的低電阻率異常;如果陷落柱不富水,則垂直方向的高電阻率異常;陷落柱富水性較弱,則為中等電阻率。根據(jù)數(shù)據(jù)解釋分析可知,勘察區(qū)的陷落柱多為中阻表現(xiàn),個別為低阻表現(xiàn),而且部分陷落柱具有導(dǎo)水能力。

        4.2.2 解釋內(nèi)容

        以X1 陷落柱為例,其處于工作區(qū)的東南點,形態(tài)表現(xiàn)為不規(guī)則橢圓形。該陷落柱在15#煤層的長軸長為64 m,短軸長為52 m,瞬變電磁測線范圍在L152 線的4220~4580 測點上,其中4420~4460 號測點范圍內(nèi)的電阻率-深度剖面圖沒有明顯的低電阻反映,而且與周圍圍巖的電性差異不大,可以判斷該陷落柱不富水。

        根據(jù)X1 陷落柱的資料解釋方法,依次進行其余陷落柱的富含水性分析,X2 陷落柱在L184~L196 線上3860~4020 號測點、X5 陷落柱在L252 線上2240~2300 號測點之間視電阻率較低,而且形成了低電阻封閉圈,屬于兩高夾一低電性特征反映,因此該陷落柱富水;X3 陷落柱在L118~L124 線上2620~2700 號測點、X4 陷落柱在L256~L260 線上3780~3860 號測點之間無明顯低電阻反映,X1、X3、X4 陷落柱均不富水。通過所有陷落柱的瞬變電磁電阻率-深度剖面研究得出:工作區(qū)內(nèi)的陷落柱整體富含水性較強,其中X2、X5、X6存在低電阻異常區(qū)域,并在這3 個陷落柱相鄰的上下層位中可見低阻異常區(qū)域,異常區(qū)域與剖面傾向方向存在一定的對應(yīng)關(guān)系,因此可以判斷奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r巖溶含水層與石炭系上統(tǒng)太原組灰?guī)r巖溶含水之間形成了導(dǎo)水通道,較為典型的是X5 陷落柱在含水層與溶巖含水之間形成了一定形式的導(dǎo)水通道。

        5 結(jié)束語

        近些年煤礦安全問題日益突出,在煤礦開采前,針對水害的勘察及治理成為安全工作的主要任務(wù),文章采用瞬變電磁法對礦區(qū)構(gòu)造處斷層及陷落柱的富含水性及導(dǎo)水性進行勘察及判定,結(jié)合數(shù)據(jù)資料的分析解釋,總結(jié)出技術(shù)路線及操作方針,不斷試驗總結(jié),進而提升地質(zhì)勘察水平。

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