地球物理方法在帷幕注浆治水中的探测分析

doi:10.11720/wtyht.2021.1146

地球物理方法在帷幕注浆治水中的探测分析

魏海民^,¹, 李星¹, 孙帮涛², 周胜³, 牛杰¹

1.云南冶金资源股份有限公司,云南昆明 650051

2.云南驰宏锌锗股份有限公司,云南曲靖 655011

3.湖南五维地质科技有限公司,湖南长沙 410205

Exploration and analysis of geophysical methods in curtain grouting water control

WEI Hai-Min^,¹, LI Xing¹, SUN Bang-Tao², ZHOU Sheng³, NIU Jie¹

1. Yunnan Metallurgical Resources Co., Ltd., Kunming 650051 , China

2. Yunnan Chihong Zn & Ge Co., Ltd., Qujing 655011, China

3. Hunan 5D Geological Technology Co., Ltd., Changsha 410205, China

责任编辑: 沈效群

收稿日期: 2020-03-30 修回日期: 2020-09-1 网络出版日期: 2021-02-20

Received: 2020-03-30 Revised: 2020-09-1 Online: 2021-02-20

作者简介 About authors

魏海民(1987-),男,硕士,工程师,主要从事地球物理找探矿及工程勘察工作。Email:haimin870827@sina.com

摘要

在井巷工程中探明前方或周边涌水是十分必要的。以云南彝良毛坪矿区为例,利用等值反磁通瞬变电磁法(OCTEM)和音频大地电磁法(AMT),探测了帷幕注浆工程轴线以下700 m范围内的含水断裂带的发育情况,意图为帷幕注浆治水工程提供指导意见。通过物探综合分析,探明具有富水性的异常7个。本项研究结果表明,OCTEM法能够识别出较小的含水节理或裂隙,AMT法对大深度含水破碎带较为敏感,两者结合对不良含水地质体探测效果明显。由此可见,综合物探在帷幕注浆治水中应用效果较好,有效查明了含水通道的深部延伸,为帷幕注浆治水提供了目标靶区。

关键词： 等值反磁通瞬变电磁法 ; 音频大地电磁法 ; 帷幕注浆 ; 含水通道 ; 毛坪矿区

Abstract

Taking the Maoping mining area of Yilang in Yunnan Province as an example, the authors used the opposing coils transient electromagnetic method (OCTEM) and the audio-frequency magnetotelluric (AMT) method to detect the development of water-bearing fault zone within 700 m below the axis of curtain grouting project, with the intention to provide guidance for curtain grouting water control project. Through the comprehensive analysis of geophysical exploration, 7 anomalies with water-rich were delineated. The results show that OCTEM method can identify small water-bearing joints or cracks, AMT method is more sensitive to large-depth water-bearing fracture zone, and the combination of the two has obvious effect on the detection of bad water-bearing geological bodies. It can be seen that the application effect of integrated geophysical exploration in curtain grouting water control is good, the deep extension of water-bearing channel is effectively identified, and the target area is provided for curtain grouting water control.

Keywords： opposing coils transient electromagnetic method ; audio-frequency magnetotelluric method ; curtain grouting ; water channel ; Maoping mining area

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本文引用格式

魏海民, 李星, 孙帮涛, 周胜, 牛杰. 地球物理方法在帷幕注浆治水中的探测分析. 物探与化探[J], 2021, 45(1): 245-251 doi:10.11720/wtyht.2021.1146

WEI Hai-Min, LI Xing, SUN Bang-Tao, ZHOU Sheng, NIU Jie. Exploration and analysis of geophysical methods in curtain grouting water control. Geophysical and Geochemical Exploration[J], 2021, 45(1): 245-251 doi:10.11720/wtyht.2021.1146

0 引言

矿山井巷掘进中,常见的危害之一就是井巷涌水,给工程施工带来障碍,重则造成安全事故。毛坪铅锌矿地处云南彝良地区,灰岩白云岩发育,地下水循环及地表水的渗流造成含水裂隙、溶洞发育;井巷掘进过程中围岩不稳,安全隐患大,此外每年排水成本达上千万元,给矿产开采带来了重大的负担。鉴于此,探明井巷附近的含水不良地质体发育情况并对其进行治理,是十分必要的。

目前应用于地下水探测的物探手段包括:瞬变电磁法^[1,2]、大地电磁法^[3,4,5]、高密度电阻率法^[6,7]、探地雷达^[8]、核磁共振技术^[9,10]、激发极化法^[11,12]等。上述方法在探测地下水方面均取得了一定的效果,然而任何一种技术手段都有其不足之处。近几年来中南大学科研团队提出了等值反磁通瞬变电磁法(OCTEM)^[13,14],该方法的优势在于分辨率高、探测精度高、探测盲区小,然而其探测深度有限。常用的AMT法探测深度大,对于低阻地质体识别能力强^[15],但是分辨率低,对于微小断层响应弱。本文将两者的优势结合在一起,避其短取其长,应用于毛坪矿区的帷幕注浆治水工程,有效查明了帷幕注浆工程轴线下方一定深度内的含水通道,为后期帷幕注浆治水工程提供了目标靶区,也希望为今后地下水探测及帷幕注浆工程探索新的技术方法手段。

1 矿区地质背景1.1 矿区地层及构造

矿区出露地层及主要岩性见表1。矿区内主干构造为石门坎背斜(图1),矿区处于该背斜北部倾伏端,背斜轴展布方向NE—SW,核部最老地层为泥盆系,两翼分别为石炭系、二叠系等。南东翼地层产状平缓,倾向南东,倾角30°~40°,而北西翼地层产状直立或倒转,总体倾向南东,倾角65°~90°,在850 m标高以下逐渐转为北西倾斜。次为NE—SW向和NW—SE向展布的2组断裂构造,背斜西翼地层受NW、SE向外应力挤压形变强烈,层间挤压滑动、剥离构造、节理、裂隙发育、地层厚度变化悬殊。

表1 矿区出露地层及主要岩性

Table 1 Surface exposed strata and main lithology of the mining area

地层及代号	主要岩性
第四系(Q)		砂砾石、黏土
二叠系上统峨眉山玄武岩组(P₃β)		玄武岩
二叠系下统栖霞—茅口组(P₁q+m)		灰岩、白云岩
二叠系下统梁山组(P₁l)		砂页岩、凝灰岩、灰质角砾岩
石炭系威宁组(C₂w)		灰岩、白云岩、页岩
石炭系丰宁组(C₁f)		灰岩、炭质页岩、石英砂岩
泥盆系上统宰格组(D₃zg)		白云岩、页岩、灰岩

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图1

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图1 矿区地层、构造及物探测线部署

Fig.1 The formation,structure and location of geophysical survey line in the mining area

除此之外,在石门坎背斜西翼深部还发育着一些由NW、SE向外力挤压形成的层间隐伏断裂和层间挤压滑动剥离构造带,这类断裂构造带都是主要的含水通道。

1.2 矿区水文地质

二叠系下统梁山组(P₁l)地层和石炭系丰宁组万寿山段(C₁f¹)地层主要岩性为砂、页岩,隔水性能较好,但是在断层的错动下,隔水性能被改变。白云岩、灰岩地层为溶蚀裂隙含水层,断层破碎带溶蚀裂隙发育,是含水层的主要富水带。此外,地下水动态变化属气象—水文型,地下水是矿坑的直接充水因素。

区内含水断层主要有NW向断层(F₉~F₁₁、F₃₂、F₃₇、F₄₃~F₄₆共9条,多为压扭性,倾角陡)以及NE向断层(F₃、F₅~F₈、F₂₃~F₂₇、F₃₆~F₄₂、F₅₀~F₅₂等20条,属层间破碎带,走向30°~60°,倾角大于60°,规模大),这两组断层的共性是连续性较好,地面部分破碎带发育溶洞,出现泉水。坑道施工遇到的断层、裂隙中有70%以上具潮湿、滴水、渗流及涌水现象,表明该两组断层或层间破碎带导水富水性好,是矿坑充水的主要因素。F₁断层是区内规模较大的断层,纵贯矿区,倾向东,倾角60°左右,是含水断层,但不均匀,其富水性并不强,导水性差。

2 地球物理特征

开展工作前采集了矿区坑道及地表露头中的标本并进行了物性测量,结果见表2。水的电阻率一般在20~40 Ω·m,矿区水矿化程度越高,电阻率值越低。可以看出,含水的裂隙、溶洞及断裂破碎带比围岩的电阻率要低,电性差异明显,具备开展本项研究的物性条件。

表2 矿区岩石标本物性参数统计

Table 2 Statistics of physical parameters of rockspecimens in mining area

岩性	电阻率/(Ω·m)
岩性	范围	平均值
白云岩	11073~652	3137
灰质白云岩	3766~481	1706
炭质白云岩	1759~78	606
玄武岩	2716~867	1379
炭质页岩	773~210	426
砂岩	1543~429	603
灰岩	8454~1183	3326
注浆水泥结实体	87~27	50

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3 方法技术

3.1 OCTEM

传统的瞬变电磁法是通过不接地回线向地下传播一次场,根据电磁感应原理,观测携带有目标体地质信息的二次场来实现探测地下目标体的任务。然而常规的瞬变电磁法的接收线圈观测到的不仅仅是二次场,还叠加了一次场的信号,造成浅部信号失真,带来了浅部探测盲区^[13]。为了解决上述问题,中南大学席振铢科研团队研发了OCTEM法^[14],该法在装置上进行改进,在上下平行共轴的两个相同发射线圈中通以大小相等、方向相反的阶跃电流,在两个线圈的中间平面位置设计接收线圈接收信号(图2),由于接收线圈中穿过的一次磁通量始终为零,所以接收到的是地下涡流产生的纯二次磁场,消除了浅部探测盲区的存在。

图2

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图2 OCTEM装置示意

Fig.2 Sketch map of OCTEM

本次研究采用湖南五维地质科技有限公司与中南大学合作开发的HPTEM-08T型高精度瞬变电磁系统。该系统采用统一标准垂直发射磁源、磁感应接收传感器、高速24 位采集卡以及高密度测量等技术,实现坑道高精度瞬变电磁勘探。

数据采集参数:发送频率25 Hz,最大发送电压12 V,最大发送电流10 A,叠加次数300次,通过多次叠加平均压制干扰,获取电位衰减曲线。数据处理及反演采用仪器配套的HPTEM-08系统数据处理软件,处理流程如图3所示。

图3

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图3 OCTEM数据处理流程

Fig.3 Flow chart of OCTEM data processing

3.2 AMT

AMT法利用天然电磁场信号作为激发场源,该电磁波垂直入射到大地介质中产生与一次场同频率的感应电磁场^[15],引入波阻抗后有:

$ρ_{xy} = \frac{1}{5 f} {|\frac{E_{x}}{H_{y}}|}^{2}, ρ_{yx} = \frac{1}{5 f} {|\frac{E_{y}}{H_{x}}|}^{2},$

式中:f为频率;ρ为电阻率;E、H分别为电场强度和磁场强度。定义趋肤深度δ=503 $\sqrt[]{ρ / f}$ , 因此,测量各个频率点上的电场和磁场信号即可得到不同深度的视电阻率和相位,进而结合地质资料对地下探测目标体进行分析。

本次工作使用德国Metronix公司设计生产的GMS-07e电磁法仪,采用“十”字形布置方式采集不同方向的电、磁场信号,电场信号接收传感器采用不极化电极。工作频率范围为1~131 072 Hz;由于受坑道空间限制,电道沿坑道方向布设,磁道垂直坑道方向布设,电极距为20 m。

AMT二维反演采用二维非线性共轭梯度法(nonlinear conjugate gradients,NLCG)^[16,17,18]。

4 成果解释

本次研究围绕帷幕注浆轴线(906坑道中)和垂线(洛泽河东)开展工作,测点部署采用测绳+罗盘的放点方式,其中OCTEM点距5 m,AMT点距10 m,具体测线部署见图1。数据采集均在停电环境下开展,排除了50 Hz工频干扰。

图4给出了906巷道垂线电阻率反演断面及异常综合分析结果。该测线位于石门坎背斜北西翼,AMT反演结果反映地层倾向与地质资料吻合(地质资料显示在850 m标高以下地层向北西倾斜)。从AMT反演剖面(图4a)上推测低阻异常体5个(A1~A5),从OCTEM反演剖面(图4b)上推测出低阻异常体5个(T1~T5);异常体形态突出,电阻率较周围明显偏低。结合地质资料分析,上述异常体均处于泥盆系上统宰格组(D₃zg)内,岩性主要为白云岩、灰质白云岩,含水的断裂、破碎带的电阻率与围岩相差较大,对比度明显,因此,推断剖面图上明显的、形态不规则的低阻异常区应为断裂、破碎带或具一定规模的节理裂隙含水所致。综合以上推断并结合地质资料,推测出2个综合异常,分别为TA1、TA2(图4c)。

图4

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图4 906巷道垂线物探反演及异常综合分析

Fig.4 Geophysical inversion and comprehensive anomaly analysis of 906 roadway vertical line

异常体TA1由A1、A2组合及T1、T2组合构成,这2个组合在空间位置上基本重合,位于35~270点之间,埋深在高程300~800 m,延伸较好,异常未封闭;推测该低阻异常由构造带F_w1引起,地表出露位置在310点附近。该构造倾角较大,延伸较好,很好地贯穿了低阻异常体,两边电阻率梯度明显。该区域120点附近已有钻孔(水地3)揭露,表明该区域地表为近代填土及冲积堆积土,透水性好,地下深部为白云岩,多被泥质、钙质物填充,节理裂隙较发育,弱富水性。已知构造F₁、F₅₃、F₅₄通过该区域,区域内坑道钻孔揭露,所有穿脉的水平孔都是垂直层间破碎带施工的,大部分水平孔都涌水。结合以上地质资料及物探成果,该低阻带为导水通道,富水性强,综合评价为一级异常。

A3、A4、A5组合及T3、T4、T5组合也呈条带状向下展布延伸,且在空间位置上重合,推断为异常体TA2,位于470~635点之间,埋深为高程330~770 m,异常未封闭。该区域630点附近已有钻孔(水地5)揭露,表明该区域地表为砾砂夹碎石土,透水性好,地下深部为白云岩与灰岩互层,节理裂隙较发育,多呈闭合状或泥质填充,为弱岩溶裂隙含水段。区域内有构造F₁、F₂₅通过。结合以上地质资料及物探成果,推测该低阻带由构造引起,构造命名为F_w2。该构造倾角较大,延伸一般,两边电阻率梯度较明显,为水的流向起到通道作用,推断其富水性强,综合评价为一级异常。

图5给出了906巷道轴线的物探反演及异常综合分析结果,该测线位于石门坎背斜南东翼,测线沿90°方向布设于906巷道内,AMT反演结果显示地层倾向为东,与地质资料吻合。AMT测深共推测异常体5个(A6~A10),均在电阻率等值线形态扭曲变化之处。据OCTEM测深成果,共推测低阻异常体10个(T6~T15)。地质资料显示,该测线下方为泥盆系上统宰格组(D₃zg)地层,主要岩性是白云岩、灰质白云岩、炭质白云岩;根据矿区岩石物性特征,含水断裂、破碎带及溶洞的电阻率比围岩明显较低,能够引起明显的低阻异常,因此推测上述异常含水可能性较大。

图5

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图5 906巷道轴线物探反演及异常综合分析

Fig.5 Geophysical inversion and comprehensive anomaly analysis of 906 roadway axis line

综合TEM和AMT解释成果,结合地质资料,在906巷道轴线下方推测综合异常5个(TA3~TA7)。其中,TA3异常由T6、A6异常构成,位于30~180点间,埋深为高程420~800 m,延伸较好,下方未封闭。TA3处于坑口位置,在AMT和OCTEM反演剖面上呈明显低阻异常,坑口附近区域内通过构造F₁、F₂₅。结合地质资料及物探成果,推测该低阻异常可能由F₁、F₂₅构造相交错引起,富水性强,综合评价为一级异常。

A7和T8、T9异常重合较好,综合推断为TA4异常带,位于200~400点之间,埋深为高程500~820 m。通过已施工钻孔(ZK1-ZK7)揭示,该区域坑道地表以下上部为白云岩,裂隙不发育,局部裂隙发育,偶见溶蚀小孔,漏水量小;中下部为炭质白云岩与灰质白云岩交替出现,局部节理裂隙发育,多为方解石填充,局部有溶蚀现象,偶见溶孔,漏水量不大,标高300~600 m之间出现破碎带。结合地质资料可知,F₃₅断层在物探420点附近垂直穿过坑道,因此推测TA4异常由构造F₃₅引起,局部具有一定的富水性,综合评价为二级异常。

A8与T10异常在空间位置上重合,综合推断为TA5异常,位于530~600点之间,埋深在高程600~820 m之间。A9与T12、T13异常重合,综合推断为TA6异常,位于680~820点之间,埋深在高程480~820 m之间。但是,A8与A9异常在AMT反演剖面上电阻率扭曲程度较小,呈小幅度下凹趋势,T10、T12、T13异常在OCTEM剖面上规模也较小,结合水文地质资料,该区域坑道以下局部裂隙发育,偶见溶蚀小孔,漏水量小,因此TA5和TA6异常可能是节理、小裂隙引起的含水通道,富水性一般,定为二级异常。

TA7异常呈明显的条带状,位于测点820~1030点之间,埋深在高程180~900 m范围,延伸范围广,连续性好,在电阻率反演剖面图上未封闭,该异常中心处于含水层与隔水层交界处。结合以往地质资料及物探成果,推测该低阻带异常由构造引起,构造命名为F_w3,地表出露位置在860点附近。该构造倾角大,延伸较好,很好地贯穿了低阻异常体,电阻率梯度明显,为水的流向起到通道作用,推断其富水性强,综合评价为一级异常。

5 结论

1) 通过地球物理综合研究分析,在研究区探明一级异常4个,它们一般是由断层导致的破碎带,与地表或地下水导通,为水流起到通道作用,富水性强。探明二级异常3个,是由含水性差的断层或者层间节理和小裂隙引起的含水通道,局部含水,富水性一般。上述异常均可作为帷幕注浆治水的目标区域。

2) 在两种方法的反演剖面中,含水区域的电阻率等值线呈明显下凹或封闭特性,表现为低阻,而且具有大倾角或直立的条带状特点。

3) OCTEM法能够分辨出较小的含水节理或裂隙造成的低阻异常,AMT法能够识别深度较大的含水破碎带,两者的结合对不良含水地质体的探测效果明显。

4) 单一的物探方法应用于井巷探水,受到方法技术和施工条件等的制约,难以取得较好的效果。将多种物探方法用于帷幕注浆治水工程进行综合分析解释,能够作到优势互补,互相验证,是今后类似工程的发展方向。

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

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葛燕燕, 傅雪海, 舍建忠, 等.

煤层气井排采时地下水响应瞬变电磁法探测研究

[J]. 煤炭科学技术, 2014,42(12):98-101.

URL [本文引用: 1]

为了有效地对煤层气排采期间水文地质动态变化规律进行监测，以潘庄区块为研究对象，利用瞬变电磁探测技术对3号煤层排采井PE-055附近的地下水进行探测，探讨垂直煤层气排采井地下水的运移规律。结果显示，煤层气井排采降压过程会使地下水的存储和水力联系发生动态变化，瞬变电磁探测技术能够较好监测地下水运移特征，表现为视电阻率和水力联系的同步变化具有较好的耦合性。在地下水连通性差的区域，排采后视电阻率具有升高趋势；而在地下水连通性较好区域，视电阻率明显降低；视电阻率的动态变化不仅反映储层改造前后的差异性，而且指示出煤层气井排采期间地下水的运移方向，试验结果为煤层气开发期间的地下水运移监测提供了新思路和技术。

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Research of transient electromagnetic method detection on groundwater response during coalbed methane well drainage

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