SOTEM法在城镇强干扰环境下的应用——以坊子煤矿采空区为例

doi:10.11720/wtyht.2020.1579

SOTEM法在城镇强干扰环境下的应用——以坊子煤矿采空区为例

陈大磊^,¹^,², 陈卫营³, 郭朋¹^,², 王润生¹^,², 王洪军¹^,², 张超¹^,², 马启合⁴, 贺春燕¹^,²

1.山东省物化探勘查院, 济南 250013

2.山东省地质勘查工程技术研究中心,山东济南 250013

3.中国科学院地质与地球物理研究所,北京 100029

4.中国冶金地质总局山东正元地质勘查院,山东潍坊 261057

The application of SOTEM method to populated areas: A case study of Fangzi coal mine goaf

CHEN Da-Lei^,¹^,², CHEN Wei-Ying³, GUO Peng¹^,², WANG Run-Sheng¹^,², WANG Hong-Jun¹^,², ZHANG Chao¹^,², MA Qi-He⁴, HE Chun-Yan¹^,²

1.Shandong Geophysical and Geochemical Exploration Institute, Jinan 250013, China

2.Shandong Geological Exploration Engineering Technology Research Center,Jinan 250013,China

3.Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China

4.Shandong Zhengyuan Geological Exploration Institute, China Metallurgical Geology Bureau, Weifang 261057, China

责任编辑: 沈效群

收稿日期: 2019-12-13 修回日期: 2020-04-23 网络出版日期: 2020-10-20

基金资助:

山东省重大科技创新工程项目“深部探测综合地球物理技术”. 2018CXGC1601
山东省地勘局2020年度局控项目. 202027

Received: 2019-12-13 Revised: 2020-04-23 Online: 2020-10-20

作者简介 About authors

陈大磊(1988-),男,山东潍坊人,工程师,主要从事深部地球物理探测应用研究工作。Email: cdl2602080210@sina.com

摘要

瞬变电磁法(TEM)是煤田采空区探测的主要手段之一。然而,当采空区埋藏较深或测区内建筑物密集时,传统回线源装置往往难以满足探测需求。电性源短偏移距瞬变电磁法(SOTEM)由于采取近源观测,具有信号幅值高、信噪比强、探测深度大、施工方便高效等优点,具有更好的适用性。潍坊市坊子煤矿的采空区埋藏深度约500 m,且大部分区域落于房屋密集分布的村庄内,为有效探测蒋家村下采空区的分布及影响范围,采用SOTEM法开展探测工作。在村庄外围布设发射源,利用轻便接收装置在村内接收信号,克服了建筑物障碍问题。利用小波去噪及五点圆滑技术对强干扰数据进行滤波处理,然后利用OCCAM法对数据进行一维反演。结果表明,本次SOTEM探测深度达到800 m,成功圈定出低阻采空区的分布范围,并得到钻孔验证。

关键词： 瞬变电磁法 ; 电性源 ; 短偏移距 ; 采空区 ; 强干扰

Abstract

Transient electromagnetic method (TEM) is the main tool for detecting mined-out area. However, when the goaf is buried deep or there are many buildings in the survey area, it is often difficult for the traditional loop source device to meet the detection needs. SOTEM has such advantages as high signal amplitude, strong signal-to-noise ratio, large detection depth, and convenient and efficient construction. The buried depth of the goaf in the Fangzi coal mine in Weifang City is about 500 meters, and most of the area is in villages where houses are densely distributed. In order to effectively detect the distribution and influence range of the goaf under Jiangjia Village, the authors adopted SOTEM method to carry out the detection work. The problem of building obstacle was overcome by placing transmitting source outside the village and using portable receiving device to receive signal in the village. Wavelet denoising and five-point smoothing technology were used to filter the strong interference data, and then OCCAM method was used to carry out one-dimensional inversion of the data. The results show that the depth of SOTEM detection reached 800 meters, and the distribution range of low-resistance goaf was successfully delineated, which was later verified by drilling.

Keywords： transient electromagnetic method ; electric source ; short-offset ; mined-out area ; strong disturbance

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本文引用格式

陈大磊, 陈卫营, 郭朋, 王润生, 王洪军, 张超, 马启合, 贺春燕. SOTEM法在城镇强干扰环境下的应用——以坊子煤矿采空区为例. 物探与化探[J], 2020, 44(5): 1226-1232 doi:10.11720/wtyht.2020.1579

CHEN Da-Lei, CHEN Wei-Ying, GUO Peng, WANG Run-Sheng, WANG Hong-Jun, ZHANG Chao, MA Qi-He, HE Chun-Yan. The application of SOTEM method to populated areas: A case study of Fangzi coal mine goaf. Geophysical and Geochemical Exploration[J], 2020, 44(5): 1226-1232 doi:10.11720/wtyht.2020.1579

0 前言

地下煤层被开采后会形成采空区,破坏了地层结构的稳定性,严重情况下可造成地表塌陷,对煤田生产、城镇建设、居民安全造成威胁^[1,2]。利用地球物理方法对地下煤田采空区进行探测以圈定采空范围、评估影响程度是行之有效的途径。其中,瞬变电磁法(TEM)由于对低阻体敏感、施工高效等优点,在煤田采空区调查中发挥着重要的作用^[3,4]。目前,在煤田水文地质领域应用最广泛的瞬变电磁装置类型是回线源装置,其优点是无须接地发射、高阻穿透能力强、与异常耦合性高、施工方便等^[5]。但是,水平线圈形式的发射源在地下仅能激发水平向的感应电流,使得回线源TEM仅对低阻目标体敏感;另外其信号在地层中衰减较快,导致探测深度较浅,因而回线源TEM多用于500 m以浅深度的地质勘探^[6]。当采空区埋藏深度较大且地表存在较厚低阻覆盖层时,回线源的探测深度往往难以满足需求^[7];此外,在地形起伏剧烈或房屋分布密集的环境下,回线源的合理布设非常困难,导致回线源TEM不能发挥很好的探测效果。

电性源短偏移距瞬变电磁法(SOTEM)是近些年快速发展的一种瞬变电磁法装置,它采用两端接地的长导线作为发射源,在小于2倍探测深度的偏移距范围内进行观测二次场^[8]。由于观测纯二次场,自动消除了频率域方法中的主要噪声源——装置耦合噪声,使得近源处观测成为可能,从而大幅提高信号强度和对地层的分辨率^[9]。相较于传统的回线源装置,SOTEM具有三个明显的优点:首先,SOTEM的探测深度得到明显的提升,由500 m左右增大至2 000 m左右;其次,SOTEM可以在地下激发水平和垂直两个方向的感应电流,对低、高阻目标体都可获得较高的探测灵敏度;再次,在起伏山区或城镇区域,SOTEM的施工方便性和工作效率更高^[10,11]。鉴于此,SOTEM已在深部煤田水文地质调查等领域表现出了很大的潜力。Chen等在山东泰安地区利用SOTEM方法开展了煤田深部富水区调查工作,突破了浅部厚低阻覆盖层的影响,实现了 1 500 m深度范围内的精细探测^[12];Zhou等利用SOTEM方法在植被广泛覆盖的起伏山区进行了煤田采空区调查,获得了较好效果^[13];Chen等在陕西韩城某煤矿开展了SOTEM与大定回线源TEM联合探测,结果表明SOTEM相较于回线源装置可以获得更大的探测深度,且具有更为高效的施工^[14]。

潍坊市坊子区蒋家棚户改造区位于坊子煤矿采区范围,为查明区域内600 m以浅采空区的分布及影响范围,需进行地球物理探测工作。但测区大部分落于村庄内,房屋密集,民用电干扰严重,传统回线源TEM难以施工;加上采空区埋藏深度较大且低阻第四系、白垩系覆盖层较厚,回线源TEM很难达到要求的探测深度。为此,在本区内拟利用SOTEM方法进行探测,将发射源布设于村庄外空旷的道路两侧,用轻便的接收装置在村庄内的道路上观测二次场信号,克服建筑物密集分布对传统TEM施工带来的不便。然后通过对实测数据的去噪、反演,得到地下一定深度范围内的电性结构,从而圈定出采空异常区域,实现勘探目的。本文通过论述SOTEM法的基本原理、方法技术以及实际应用情况,说明SOTEM法在解决该类勘探问题的优越性,为今后相关研究及应用提供一个成功的参考范例。

1 SOTEM法简介

电性源短偏移距瞬变电磁(SOTEM)是一种新型的瞬变电磁工作装置。它利用长约 500~2 000 m的接地长导线为发射源,供以强度 10~40 A 的双极性矩形阶跃电流,并在小于 2 倍探测深度的偏移距范围内观测瞬变电磁场(图1)。SOTEM可根据探测目的和探测环境的不同选择合适的观测分量,理论上地表上的5个电磁场分量都对地下介质的电性结构具有探测能力。考虑到探测效果和施工方便性,目前主要观测的是垂直磁场感应电动势(V_z(t))和沿发射源方向的水平电场(E_x)。这两个分量在场值分布、信号扩散、对高低阻地层灵敏度等方面具有一定的特点,需要根据探测目标合理选择观测分量并设定观测区域,以达到最佳的探测效果^[15]。

图1

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图1 SOTEM法装置示意

Fig.1 The diagram of SOTEM device

SOTEM施工中需要确定的一个重要参数是发射电流的基频,它决定了二次场信号的延时范围,从而决定了SOTEM的探测深度范围。在一个测区开展工作前,可首先根据式(1)估算最晚和最早延时对应的最大探测深度^[16],以确定合适的发射基频:

(1)

d (t) = 1000 {(10 ρt / π)}^{1 / 2} [1 - \exp (- w) / 2],

式中:w=(100πρt/μ₀L²)¹^/⁴,ρ为地层电阻率,单位Ω·m;t代表观测时刻,单位s;μ₀为空气中的磁导率,单位H/m;L代表发射源长度,单位m。

时间域电磁法的一个突出优点是单点观测时间相较于频率域方法可以极大地缩短。大量观测试验表明,SOTEM的单点测量时间一般在几分钟内即可,此时既可保证足够的叠加次数,也能兼顾施工效率,在噪声水平较高的区域可适当延长观测时间以增加叠加次数。

由于SOTEM的收发距离一般不超过2倍的最大探测深度,在该范围内收—发布置具有较大的灵活度,可根据测区地形条件合理布设。整体而言,在起伏山区或建筑物密集区域,传统回线源布设困难,施工效率低,而SOTEM对偏移距要求较为灵活,可选择较为平缓或空旷的区域布设发射源,接收端仅需移动探头或电极便可进行逐点观测,一个发射源可以覆盖两侧大面积的可观测区域。

2 SOTEM数据处理技术

2.1 数据预处理

SOTEM的噪声来源主要是人文噪声,尤其是在人文活动较为剧烈的城镇区域。电磁噪声会导致衰减曲线的晚期发生较为严重的畸变,给数据处理带来一定难度。因此在进行反演前必须对畸变的数据进行有效的去噪处理。我们采用小波去噪方法^[17]结合五点圆滑技术对实测数据进行预处理。小波变换处理急剧变化的、高度不稳定信号的效果较好。正是基于这个特点,小波变换在信号消噪、弱信号的提取以及信号奇异性分析方面效果显著。

f(t)∈L²(R),f(t)的连续小波变换定义为:

(2)

wf (u, s) = < f, φ_{u, s} > \int_{- \infty} f (t) \frac{1}{\sqrt[]{s}} φ \cdot (\frac{t - u}{s}) d s,

式中:s为尺度因子,s≠0;u为平移因子。逆变换为:

(3)

f (t) = \frac{1}{c_{φ}} \int_{0}^{\infty} \int_{-}^{\infty} w f (u, s) \frac{1}{\sqrt[]{s}} φ (\frac{t - u}{s}) d u \frac{d s}{s^{2}} 。

其消噪过程表示为:s(i)=f(i)+a·e(i),其中f(i)为真实信号,e(i)为噪声信号,s(i)为噪声信号。在生产中,有用信号一般表现为低频信号,而噪声信号表现为高频信号。对s(i)信号通过门限阈值等形式对小波系数进行处理,抑制信号中的噪声,达到消噪目的,从而恢复出真实信号f(i)。

2.2 一维反演

对预处理后的数据采用OCCAM算法进行一维反演。OCCAM算法,也称最光滑模型反演法,通过偏差原理寻找满足目标拟合残差的最光滑模型,具有不依赖初始模型、收敛稳定性较好、不会出现过度解释等优点^[18]。其目标函数为:

(4)

U = ‖ \partial m ‖^{2} + μ^{- 1} {‖ Wd - WF [m] ‖^{2} - X_{*}^{2}} 。

式中:m=(m₁,m₂,…,m_N)代表模型参数向量;d=(d₁,d₂,…,d_M)代表数据向量;W=diag(1/δ₁,1/δ₂,…,1/δ_M)为误差加权矩阵;μ为拉格朗日因子;N为模型向量个数;1/δ_i为各个数据点的方差;F表示正演算子; $X_{*}^{2}$ 表示目标拟合残差;∂代表粗糙度矩阵。

OCCAM反演算法通过迭代应用局部线性化思想,对于某个模型参数m^k,应用泰勒定理,获得局部近似式:

(5)

F (m^{k} + Δ m) \approx F (m^{k}) + J (m^{k}) Δ m,

其中:J(m^k)为雅可比矩阵。

将最小化目标函数问题转化为如下问题:

(6)

\min ‖ J (m^{k}) m^{k + 1} - \hat{d} (m^{k}) ‖_{2}^{2} + μ ‖ \partial m^{k + 1} ‖_{2}^{2},

式中:m^k⁺¹=m^k+Δm, $\hat{d}$ (m^k)=d-F(m^k)+J(m^k)m^k。由于在每一个模型迭代步中,J(m^k)和 $\hat{d}$ (m^k)为已知,因此式(6)为正则化线性最小二乘问题。若系数矩阵为满秩,则解为

(7)

\begin{array}{l} m^{k + 1} = m^{k} + Δ m = [J (m^{k})^{T} J (m^{k}) + \\ μ \partial^{T} {\partial]}^{- 1} J (m^{k})^{T} \hat{d} (m^{k}) 。 \end{array}

在每一迭代步中,利用一维线性搜索法求得使解的拟合残差χ²小于目标拟合残差的最大拉格朗日因子μ,然后求解得到满足χ²= $X_{*}^{2}$ 的拉格朗日因子,从而得到最终模型。

3 应用实例

3.1 测区概况

潍坊市坊子区蒋家棚户改造区位于坊子煤矿采区范围,区内下侏罗统为含煤地层,煤系地层全部被第四系和白垩系凝灰岩所覆盖,形成全隐蔽式煤田,该区地层如表1所示。根据已知资料,测区内煤层深度在400~600 m 范围内,因此本次探测的目标深度要大于600 m。由于测区大部分为村庄,房屋密布,传统的回线源装置无法布设发射线框,为查明改造区范围内地下采空区的分布,本次调查采用SOTEM方法进行探测。通过对实测数据的精细处理,对区内600 m以浅的电性结构进行了划分,圈定出了采空区的可能分布范围。

表1 测区地层分布

Table 1 Stratigraphic distribution of survey area

地层	岩性	厚度
第四系(Q)	褐色、棕黄色,粉沙土及沙质黏土,底部夹有钙结石及凝灰岩和片麻岩的砾石	0~19.5 m,平均7.92 m
下白垩统青山组 (K₁q)	上部:凝灰质砂岩,灰绿色凝灰岩,块状构造;片麻岩、石灰岩、石英岩、馒头页岩下部:红色砂砾岩互层	20~931 m,平均550.00 m 8~203.8 m,平均61.66 m
下侏罗统坊子组 (J₁f)	本区唯一含煤地层,岩性为粗砂岩、中砂岩、细砂岩、粉砂岩,细砂岩粉砂岩互层, 煤层及岩浆岩,纯属陆相沉积,含上、中、下三层主要可采煤层	0~270.91 m,平均159 m
太古宇泰山群 (Ar₃t)	花岗片麻岩为主,次为绿泥石片岩及黑云母花岗片麻岩	不详

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3.2 数据采集与处理

本次工作布设SOTEM测线15条(图2),其中东西向测线7条(JH1~JH7),南北向测线8条,(JS1~JS8)。测点间距10 m,测线间距100 m。为合理控制所有测线,共布置了4个发射源,分别命名为Tx1~Tx4,各发射源的长度、控制测线及对应的收发距范围见表2。

图2

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图2 蒋家测区测点及发射源布设

Fig.2 Layout of measurement sites and transmitting source in Jiangjia

表2 发射源长度及控制测线信息

Table 2 The length and covered lines of each source

发射源编号	长度/m	控制测线	收发距/m
Tx1	644	JH1、JH2、JH3	420~646
Tx2	651	JH4、JH5、JH6、JH7	312~660
Tx3	428	JS1、JS2、JS3、JS4	250~595
Tx4	765	JS5、JS6、JS7、JS8	637~985

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本次测量使用加拿大凤凰公司的V8多功能电法工作站,其中接收线圈的有效面积为100 m²。通过实验最终选择的工作参数为:发射电流强度16 A,基频2.5 Hz,单点观测时间2~5 min。图3为不同干扰程度的两个测点处的实测感应电压衰减曲线,可以看出图3b所示测点的数据受到较为严重的噪声干扰,从而导致中晚期数据出现震荡。

图3

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图3 实测感应电压衰减信号

Fig.3 Decay curves of measured induced voltage

由于大部分测点位于村庄内部,受到的电磁干扰较为严重,数据质量普遍较低。采用小波去噪和五点圆滑技术对信号进行滤波处理,图4给出了典型测点去噪前后的信号衰减曲线。可以看出,经过去噪处理后,信号得到了较好复原,为后续反演处理的精度提供了保障。

图4

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图4 原始数据去噪效果

Fig.4 The signal before and after de-noising

本次反演模型取30层,反演最大深度1 000 m,层厚按对数等间隔递增,拟合次数为10次。通过对所有测点的拟合残差统计,数据质量良好的测点,拟合残差一般可以达到5%左右,对于干扰严重的测点,拟合残差一般在10%~20%之间,总体平均值为8.7%。

图5给出了JH7-180和JS5-500两个测点的反演结果,可以看出测区电阻率由浅至深整体上呈递增的趋势。两处测点的电性结构在浅部和深部相差不大,但在300~600 m深度范围内出现较明显差别,JS5-500点表现出明显的相对低阻特性,表明该点在此深度范围内可能存在富水的采空区。

图5

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图5 测点JH7-180和JS5-500反演结果

Fig.5 The 1D OCCAM inversion results of site JH7-180 and JS5-500

3.3 解释成果与验证

对所有测点进行了一维OCCAM反演处理,得到每条线的深度—电阻率断面,并依此进行地球物理解释和地质推断。为了确保深部地层的准确性,成图最大深度选取800 m(探测目标深度为600 m)。图6为JS5线的反演结果。从图中可以看出,地层电阻率整体上由浅及深逐渐增大。根据电阻率数值并结合测区地质资料,可将该断面在纵向上整体分为4层。100 m以浅的低阻电性层对应第四系黏土及砾石;深度100~250 m范围内的中低电阻率层对应为白垩系凝灰岩;第三电性层对应本区含煤地层侏罗系砂岩、泥岩、煤层及岩浆岩互层,深度在250~500 m之间;底部高阻电性层对应基底太古宇片麻岩。在同一层位上电阻率的突变极有可能是由采空区破坏地层稳定性造成的。基于此准则,推测JS5线深度在350~600 m,距离在400~600 m范围内,异常为采空区影响范围的反映,为充填水、黏土等低阻介质导致。

图6

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图6 JS5线反演电阻率断面

Fig.6 The inversion resistivity section of line JS5

截取所有测线在450 m和500 m两个深度处的反演电阻率值绘制成平面图,据此可以更为形象直观地圈定采空区影响的范围,如图7所示。从图中可以看出,受采空区影响造成的低阻异常区域主要集中在测区的北部。根据该解释成果,在异常区域给出3处建议验证钻孔位置,分别编号ZKJJ1、ZKJJ2和ZKJJ3,如图7中所示。后续钻探结果表明,在3处位置的400~550 m深度范围内都出现了掉钻现象,证明了采空区的存在,从而验证了本次探测结果的准确性。

图7

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图7 不同深度的电阻率等值线平面

Fig.7 Planar distribution of resistivity contours at different depths

4 结论

当测区位于村庄内部时,传统的回线源瞬变电磁装置无法进行施工,而利用SOTEM方法可以克服该困难。在村庄外围农田或者沿村内道路布设发射源,避免了测区内密集房屋对施工带来的不便。针对测区内严重的工频干扰现象,采用小波分析和五点圆滑技术,可以较好地对噪声进行滤除,恢复信号中的有用成分。一维OCCAM反演结果表明,本次探测的有效深度可以达到800 m,根据反演结果推断的采空区影响范围与实际钻探情况基本相符。本探测实例表明,SOTEM技术在城镇环境下探测深部采空区是可行的,可为今后类似探测问题提供很好的借鉴。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

杨建军, 吴汉宁, 冯兵, 等.

煤矿采空区探测效果研究

[J]. 煤田地质与勘探, 2006,34(1):67-70.