孫 坤,李沛濤,李蔚林,王 磊,秦蘇源,李卓融,王玉喜,王奕為
(1.潞安化工集團(tuán) 潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 忻州 036700;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)國(guó)家煤礦水害防治工程技術(shù)研究中心,北京 100083;3.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局 物測(cè)隊(duì),河北 邢臺(tái) 054000;4.北京郵電大學(xué) 人工智能學(xué)院,北京 100081;5.河南景惠科技有限公司,河南 鄭州 450042)
天然源單分量大地電磁法是一項(xiàng)利用天然電磁 場(chǎng)的一個(gè)分量,探測(cè)地球介質(zhì)物性與介質(zhì)埋深的地球物理探測(cè)技術(shù)。和其它物探方法相比,大地電磁測(cè)深法具有儀器輕便、操作簡(jiǎn)單、探測(cè)深度大、適應(yīng)各種地形條件、非接觸無(wú)損傷探測(cè)等優(yōu)點(diǎn);缺點(diǎn)是天然場(chǎng)源具有隨機(jī)性和時(shí)變性,直接影響采集信號(hào),因此,解釋的地質(zhì)信息以定性為主,準(zhǔn)確性較差。目前,單分量大地電磁測(cè)深儀主要是對(duì)接收到的電磁波信號(hào)振幅進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算,振幅最大值、最小值、平均值、中值以及依振幅曲線積分求能量等[1-3],以此來(lái)求得對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)處地層的無(wú)量綱視電阻率。天然場(chǎng)源的隨機(jī)性和時(shí)變性,主要表現(xiàn)在強(qiáng)度上的變化,這對(duì)接收到電磁波的振幅影響巨大,甚至超過(guò)地層巖性信息對(duì)電磁波振幅的影響,因此,采集的數(shù)據(jù)重復(fù)性差,探測(cè)精度不理想。為了消除天然場(chǎng)源不穩(wěn)定的影響,本文根據(jù)巖層在超低頻大地電磁波的響應(yīng)特征,建立了物性指數(shù)模型,不僅統(tǒng)計(jì)和計(jì)算電磁波的振幅值,還要擬合波形和巖性的對(duì)應(yīng)關(guān)系,從波形上提取巖層物性信息并賦值,納入物性指數(shù)模型進(jìn)行多維度耦合計(jì)算,有效減小了天然場(chǎng)源不穩(wěn)對(duì)采集信號(hào)識(shí)別的影響;根據(jù)該理論和模型,研發(fā)出了Maxw 型大地物性探測(cè)儀和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理程序,經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試和校正,取得了較為理想的應(yīng)用效果。
儀器在地面接收的1~3 000 Hz 極低-超低頻信息,主要是來(lái)自地球深部的電磁波,該電磁波具有較強(qiáng)的穿透能力,能量衰減相對(duì)較慢,受外界其他頻段干擾較小,信噪比較高。透過(guò)巖層時(shí),受巖層透射和吸收的影響,會(huì)在振幅和波形等頻譜特征上發(fā)生變化,因此,在地面接收到的電磁波包含了地下巖層的信息[4-9]。
天然場(chǎng)源是變化的,但變化有一定規(guī)律。經(jīng)過(guò)在同一地點(diǎn)連續(xù)觀測(cè),發(fā)現(xiàn)不同時(shí)刻場(chǎng)源強(qiáng)度變化是非常明顯的,12:00 時(shí)最強(qiáng),24:00 時(shí)最弱,其它時(shí)間處于強(qiáng)弱過(guò)渡中間,11:30 至13:00 時(shí)、16:00 至24:00 時(shí)變化較大,其它時(shí)間相對(duì)穩(wěn)定;不同日期的相同時(shí)刻,場(chǎng)源強(qiáng)度具有相似性。秦其明曾用北京大學(xué)BD-6 型儀器做過(guò)連續(xù)觀測(cè),也發(fā)現(xiàn)類(lèi)似的規(guī)律[10-12]。
不同頻率的電磁波具有不同的穿透深度,不同頻率的電磁波到地面時(shí)帶來(lái)的是相應(yīng)深度的巖性信息,反映巖層電阻率、密度、彈脆性、孔隙度、膠結(jié)程度等性質(zhì)的信息會(huì)在透射過(guò)的電磁波上有所反映,在地面接收來(lái)自地下不同深度的電磁波信號(hào),對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?,可以得到反映巖層電阻率、密度、彈脆性、孔隙度、膠結(jié)程度等不同巖性的信息[13-15]。
物性指數(shù)是將接收到的反映巖層電阻率、密度、彈脆性、孔隙度、膠結(jié)程度等性質(zhì)的各類(lèi)信息,利用試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)和層次分析法建立的模型,通過(guò)加權(quán)復(fù)合疊加成的無(wú)量綱綜合數(shù)值。
物性指數(shù)(Mv):定義為某一時(shí)刻三維坐標(biāo)點(diǎn)上反應(yīng)巖層巖性的各種影響因子對(duì)穿過(guò)的電磁波產(chǎn)生的疊加影響總和。反應(yīng)巖層巖性的影響因子主要有電阻率、密度、彈脆性、孔隙率、膠結(jié)程度,場(chǎng)源強(qiáng)度變化也會(huì)對(duì)電磁波產(chǎn)生重大影響,也列為一個(gè)影響因子。場(chǎng)源強(qiáng)度變化可通過(guò)在同一地點(diǎn)連續(xù)觀測(cè),統(tǒng)計(jì)出場(chǎng)源強(qiáng)度隨時(shí)間變化的關(guān)系,設(shè)定上午8 時(shí)為標(biāo)準(zhǔn)值1,其它時(shí)間乘以時(shí)間系數(shù)T,T=f(t)關(guān)系式由試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值擬合得出。物性指數(shù)模型可表示如下:
式中:Mv 為物性指數(shù);Gk 為主控因子權(quán)重;fk(x,y,z)為單因子影響值函數(shù);x,y,z 為空間地理坐標(biāo);n 為影響因子的個(gè)數(shù);f (t) 為場(chǎng)強(qiáng)系數(shù)。
fk(x,y,z)在巖層信息指數(shù)中具體就是第k個(gè)主控因子量化值的歸一化后的值。
各影響因子權(quán)重值是在大量測(cè)試數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,利用層次分析法(AHP 法)計(jì)算[16]得出。分別為G1=0.33(電阻率)、G2=0.05(密度)、G3=0.08(彈脆性)、G4=0.23(孔隙率)、G5=0.31(膠結(jié)程度)。
AHP 法是一種定性和定量相結(jié)合的層次化、系統(tǒng)化的多目標(biāo)、多準(zhǔn)則決策分析方法,通過(guò)建立層次結(jié)構(gòu)分析模型、構(gòu)建判斷矩陣、層次單排序及一次性檢驗(yàn)和層次總排序及一次性檢驗(yàn),將多目標(biāo)、多準(zhǔn)則的復(fù)雜決策問(wèn)題轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的定量決策問(wèn)題。由此可以得出巖層信息物性指數(shù)模型為:
按照物性指數(shù)理論建立的物性指數(shù)模型,不僅統(tǒng)計(jì)和計(jì)算振幅值,主要是擬合波形和巖性的對(duì)應(yīng)關(guān)系,消除時(shí)間對(duì)天然場(chǎng)源的影響。場(chǎng)源變化對(duì)振幅影響大,但對(duì)波形影響不大,波形的變化主要是地層巖性對(duì)透射電磁波的影響。因此,根據(jù)波形反演巖性更為可靠,再考慮時(shí)間對(duì)場(chǎng)源的影響,消除不同時(shí)段場(chǎng)源強(qiáng)度的差別對(duì)采集信號(hào)的干擾,所計(jì)算的物性指數(shù)差異更能反應(yīng)地層巖性的變化。
Maxw 型大地物性探測(cè)儀硬件上采用了自主研發(fā)的雙層陣列掃頻式電容傳感器(專(zhuān)利號(hào)CN10594859)。雙層陣列掃頻式頻率處理裝置,用來(lái)提高大地電磁測(cè)深法的探測(cè)深度分辨率,能夠?qū)崿F(xiàn)陣列式頻率點(diǎn)數(shù)為64~106 任意設(shè)定,在大地電磁測(cè)深法所能探測(cè)的深度范圍內(nèi),其探測(cè)深度分辨率可達(dá)0.1 m 以上;上板為零電位的平行板電容器,能有效避免儀器上方及側(cè)方電場(chǎng)的干擾,最大限度地采集來(lái)自地下的微弱信號(hào)。
儀器設(shè)計(jì)接收步長(zhǎng)最小0.5 m,可按0.5 m 的倍數(shù)任意調(diào)整,在一個(gè)步點(diǎn)(頻率點(diǎn))重復(fù)接收8~64 個(gè)周期的波形數(shù)據(jù)(可按8 的倍數(shù)調(diào)整),每個(gè)周期讀取64 個(gè)數(shù)據(jù),存儲(chǔ)為一個(gè)波形,對(duì)所得波形按設(shè)計(jì)的程序進(jìn)行處理,可以提取出反應(yīng)巖層電阻率、密度、彈脆性、孔隙度、膠結(jié)程度等巖性數(shù)據(jù),波形處理程序是在已知巖性點(diǎn)反復(fù)試驗(yàn)總結(jié)得到。再將這些巖性數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,和場(chǎng)源變化系數(shù)按物性指數(shù)模型自動(dòng)合成處理,通過(guò)加權(quán)復(fù)合疊加,合成巖層的物性指數(shù),該數(shù)值包含三維坐標(biāo)信息、時(shí)間信息和巖層綜合物理性質(zhì)。
平面電磁波入射到地面后,場(chǎng)強(qiáng)隨深度按指數(shù)衰減,當(dāng)電磁波場(chǎng)強(qiáng)幅度衰減至原始幅值的1/ e時(shí),稱(chēng)其為趨膚深度(h),由麥克斯韋方程推導(dǎo)出的大地電磁趨膚深度公式為:
式中:ρ 為趨膚深度范圍內(nèi)的視電阻率值;f 為電磁波頻率。
頻率域電磁法勘探深度H 的計(jì)算式為:
因?yàn)棣?為趨膚深度范圍內(nèi)的視電阻率值,對(duì)于一個(gè)確定的地區(qū)可以寫(xiě)成和深度有關(guān)的函數(shù)關(guān)系式,ρ=f(h),代入式(3),可得到只有變量H 和f的函數(shù)關(guān)系式。經(jīng)過(guò)在已知參照物處試驗(yàn),可以得到頻~深轉(zhuǎn)換的經(jīng)驗(yàn)公式。
經(jīng)測(cè)試,該公式系數(shù)理論上隨地區(qū)不同、深度不同會(huì)有一定的變化,但在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化較小,因此,可以作為儀器設(shè)計(jì)時(shí)系數(shù)可調(diào)的頻-深轉(zhuǎn)換公式。實(shí)際施工時(shí),在一個(gè)地區(qū)根據(jù)已知易識(shí)別的井下巷道、老空區(qū)、鉆孔標(biāo)志層進(jìn)行深度系數(shù)校正,能達(dá)到探測(cè)精度的要求。
數(shù)據(jù)采集時(shí),一定頻率采集到的信號(hào),經(jīng)過(guò)物性指數(shù)模型轉(zhuǎn)換成物性指數(shù)值和頻率-深度轉(zhuǎn)換,可以獲得物性指數(shù)-深度數(shù)據(jù),存儲(chǔ)在以.txt 為擴(kuò)展名的文件中,該數(shù)據(jù)具有對(duì)應(yīng)深度的巖層物性指數(shù)相對(duì)值性質(zhì),用深度作縱坐標(biāo),物性指數(shù)作橫坐標(biāo),從而獲得單測(cè)點(diǎn)物性指數(shù)~深度曲線,根據(jù)上述模型和原理,用C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)出了相應(yīng)的計(jì)算程序,實(shí)現(xiàn)了采集信號(hào)正演的自動(dòng)化。
利用測(cè)得的物性指數(shù)~深度特征曲線,在已知資料的基礎(chǔ)上可以粗略劃分巖層,處理成測(cè)點(diǎn)柱狀圖。實(shí)際施工時(shí),為了更好地識(shí)別目標(biāo)體,將測(cè)點(diǎn)按線布設(shè),對(duì)采集到的各測(cè)點(diǎn)物性指數(shù)-深度數(shù)據(jù)用sufer 軟件進(jìn)一步處理成測(cè)線等值線剖面圖,并用不同的顏色區(qū)分,更容易識(shí)別巖層的物性差異,通過(guò)物性差異,可直觀地解釋出斷層、采空區(qū)、地下工程、富水區(qū)等關(guān)鍵信息。
大平煤礦風(fēng)井工業(yè)場(chǎng)地位于井田西南部邊界(二1煤層露頭附近),風(fēng)井附近本溪組鋁石層埋藏較淺,平均埋深約30~40 m,厚10 m,表土層厚約5~10 m,表土層底至鋁石層頂為石炭系砂質(zhì)泥巖,平均厚30 m,鋁石層厚約10 m,下面是奧陶系灰?guī)r。
場(chǎng)地周?chē)X石盜采導(dǎo)致風(fēng)井機(jī)房周邊地表下沉、墻體出現(xiàn)裂縫,影響風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn),大平礦是高瓦斯礦井,風(fēng)機(jī)不正常嚴(yán)重威脅礦井正常生產(chǎn),決定對(duì)地表下沉情況進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)、并探查采空區(qū)位置,為制定治理方案提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
采空區(qū)探查采用Maxw 型大地物性探測(cè)儀,在西風(fēng)井工業(yè)場(chǎng)地沿風(fēng)機(jī)房一周,圍著風(fēng)機(jī)房布設(shè)8條測(cè)線,測(cè)點(diǎn)間距1 m,測(cè)深40 m,搜索性探測(cè)地下鋁石采掘活動(dòng)影響范圍。
對(duì)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)用專(zhuān)門(mén)的程序處理成8 條測(cè)線剖面圖,從各測(cè)線剖面圖上分析,風(fēng)機(jī)房東、西、南面的測(cè)線剖面地層比較完整,只有風(fēng)機(jī)房北邊的A線和H 線地層有異常,初步判斷采空區(qū)應(yīng)在風(fēng)機(jī)房的北邊,因?yàn)闆](méi)有深度校正,探測(cè)的采空區(qū)深度可能會(huì)有誤差,但平面位置是準(zhǔn)確的。
圖中曲線為物性指數(shù)等值線,對(duì)物性指數(shù)由低到高分段賦以不同的顏色,通過(guò)顏色的不同顯示出巖層物性的差別。
從A 線剖面圖上可以看出(圖1),除了兩個(gè)空洞外,地層基本完整,初步判斷空洞應(yīng)為巷道位置,沒(méi)有大范圍沉降,A 測(cè)線在風(fēng)機(jī)房北部,靠風(fēng)機(jī)房較近。從H 線剖面圖上可以看出(圖2),地層下沉現(xiàn)象較為明顯,應(yīng)在采空區(qū)范圍內(nèi)。據(jù)此可以判斷,采空區(qū)應(yīng)在風(fēng)機(jī)房北面,其南邊緣在A 測(cè)線和H 測(cè)線之間。這和沉降觀測(cè)結(jié)果是一致的,從連續(xù)觀測(cè)來(lái)看,最大下沉量為15 mm,位置在風(fēng)機(jī)房基礎(chǔ)以北約20 m 處。
圖1 A 測(cè)線剖面圖Fig.1 Section of A survey line
圖2 H測(cè)線剖面圖Fig.2 Section of H survey line
根據(jù)測(cè)線剖面資料,圈出了采空區(qū)的范圍,用地面鉆孔探查,在A 線孔洞處的鉆孔,鉆進(jìn)12 m時(shí)有塌孔現(xiàn)象,應(yīng)為坍塌的巷道位置;在圈定的采空區(qū)內(nèi),施工4 個(gè)鉆孔,鉆進(jìn)40 m 時(shí)均有掉鉆現(xiàn)象,是鉆孔進(jìn)入采空區(qū)的特征,驗(yàn)證了物探結(jié)果的準(zhǔn)確性。巷道和采空區(qū)經(jīng)過(guò)注骨料、注漿處理,靠近風(fēng)機(jī)房附近的區(qū)域已完全充填,共注骨料(石子和砂子)630 m3,水泥700 t,風(fēng)機(jī)房下沉得到治理,已穩(wěn)定運(yùn)行。
對(duì)于采空區(qū)和地下工程的探查,常用的物探方法有三維地震、雷達(dá)、直流電法、瞬變電磁等。雷達(dá)探測(cè)深度較淺,一般30 m 以?xún)?nèi);直流電法和瞬變電磁法在采空區(qū)內(nèi)有水時(shí),探測(cè)效果較好,否則無(wú)法根據(jù)視電阻率識(shí)別;三維地震施工工藝復(fù)雜,設(shè)備笨重,在城區(qū)或工業(yè)場(chǎng)區(qū)無(wú)法施工,且受干擾太大。因此,對(duì)中淺部采空區(qū)和城市地下空間的探測(cè),Maxw型大地物性探測(cè)儀有很大的優(yōu)勢(shì)。
儀器還在已知斷層發(fā)育區(qū)、井下巷道、采煤工作面底板含水層富水區(qū)等地方做了試驗(yàn),通過(guò)巖性差異和物性指數(shù)低值異常區(qū)對(duì)目標(biāo)地質(zhì)體進(jìn)行了識(shí)別和解釋?zhuān)?jīng)對(duì)比分析,地質(zhì)體在剖面圖上反映明顯,識(shí)別效果良好。受文章篇幅所限,對(duì)斷層、富水區(qū)、地下工程的探測(cè)試驗(yàn)過(guò)程不再詳細(xì)論述。
(1)建立的物性指數(shù)模型,不僅統(tǒng)計(jì)和計(jì)算電磁波的振幅值,主要是擬合波形和巖性的對(duì)應(yīng)關(guān)系,從波形上提取巖層物性信息并賦值,納入物性指數(shù)模型進(jìn)行多維度耦合計(jì)算,可以有效減小或消除天然場(chǎng)源隨機(jī)變化對(duì)信號(hào)識(shí)別的影響。
(2)設(shè)計(jì)出的雙層陣列掃頻式平行板電容傳感器能夠接收和放大來(lái)自地下的超低頻弱信號(hào),自動(dòng)降低噪聲影響,并能從動(dòng)態(tài)變化的電磁場(chǎng)中分離出主要反映地下巖層信息的數(shù)據(jù)。
(3)經(jīng)初步試驗(yàn),儀器對(duì)地層巖性差別和富水區(qū)反應(yīng)敏感,信息采集后經(jīng)專(zhuān)門(mén)的軟件處理,可對(duì)采空區(qū)、地下工程、地質(zhì)構(gòu)造、富水區(qū)等進(jìn)行識(shí)別。精準(zhǔn)性和易操作性使其具有廣闊的應(yīng)用前景。