广域电磁法在巨厚低阻层下水文地质勘探中的应用——以安徽淮南某煤矿为例

doi:10.11720/wtyht.2023.1178

广域电磁法在巨厚低阻层下水文地质勘探中的应用——以安徽淮南某煤矿为例

齐朝华^,

中国煤炭地质总局地球物理勘探研究院,河北涿州 072750

Application of the wide-field electromagnetic method in hydrogeological exploration under the extremely-thick low-resistivity layer: A case study of a coal mine in the Huainan area, Anhui Province

Qi Zhao-Hua^,

Research Institute of Coal Geophysical Exploration of China National Administrator of Coal Geology, Zhuozhou 072750, China

第一作者: 齐朝华(1984-),男,高级工程师,主要从事电磁法勘探及研究工作。Email:qizhaohua@126.com

责任编辑: 沈效群

收稿日期: 2022-04-13 修回日期: 2023-02-8

基金资助:

中国煤炭地质总局地球物理勘探研究院科研项目(JBGS-2022-02)

Received: 2022-04-13 Revised: 2023-02-8

摘要

为探测巨厚低阻层下部的煤层顶底板含水层中的富水性,在安徽淮南地区进行了煤矿广域电磁法的水文地质勘探工作,经过试验分析、数据采集、资料解释等多种手段获得的地质成果与井下揭露情况吻合良好。广域电磁法在煤矿水文地质勘探中的成功应用实例,表明该方法具有穿透能力强、探测深度大、精度高的特点,可以作为一种新兴的物探手段用于大深度煤田水文地质调查工作。

关键词： 广域电磁法; 煤矿; 富水性; 水文地质

Abstract

To investigate the water yield properties of the aquifers in the hanging and foot walls of coal seams under the extremely-thick low-resistivity layer, this study conducted the hydrogeological exploration using the wide-field electromagnetic method (WFEM) targeting a coal mine in the Huainan area, Anhui Province. The geological results obtained through multiple means, such as test analysis and data acquisition and interpretation, agree well with the downhole conditions. As indicated by the successful WFEM application in the hydrogeological exploration of the coal mine, the WFEM features strong penetrability, large investigation depth, and high accuracy. Therefore, the WFEM can be used as a new geophysical exploration method for the hydrological survey of large-depth coal fields.

Keywords： wide-field electromagnetic method; coal mine; water yield property; hydrogeololgy

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本文引用格式

齐朝华. 广域电磁法在巨厚低阻层下水文地质勘探中的应用——以安徽淮南某煤矿为例[J]. 物探与化探, 2023, 47(3): 700-706 doi:10.11720/wtyht.2023.1178

Qi Zhao-Hua. Application of the wide-field electromagnetic method in hydrogeological exploration under the extremely-thick low-resistivity layer: A case study of a coal mine in the Huainan area, Anhui Province[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2023, 47(3): 700-706 doi:10.11720/wtyht.2023.1178

0 引言

煤矿水文地质勘探是煤矿安全高效开采的重要基础。常用的地球物理勘探方法有瞬变电磁法(TEM)、可控源音频大地电磁法(CSAMT)、直流电法(DC)等。但上述方法都存在一定的局限性,如瞬变电磁法在探测深部地层时易受浅部低阻体影响;可控源音频大地电磁法受卡尼亚视电阻率近似计算的影响,在探测深部地层时分辨率较低;直流电法工作效率低。近年来,广域电磁法(WFEM)做为一种新兴的物探手段,在地热勘探、页岩气勘探、固体金属矿产勘探等领域得到广泛应用^{[1⇓⇓⇓⇓-6]},但在煤矿水文地质勘探中应用较少。

本文研究区位于安徽省淮南市,地表平坦,水系较发育。研究区新生界地层平均厚度580 m,平均电阻率在12 Ω·m左右。为保障煤矿安全生产,需要探测了解低阻层下覆煤层顶底板含水层的富水性。由于研究区浅部低阻层厚度大,常规电磁勘探方法无法有效探查,因此,采用广域电磁法进行勘探并取得了较好的效果。

1 基本原理

广域电磁法是通过大功率供电设备建立人工场源向地下发送2ⁿ序列伪随机信号的频率的交变电流,在收发距大于3倍的勘探深度外观测一个或多个电磁场分量,计算广域视电阻率。它不但具有可控源音频大地电磁法人工场源的优点,而且还有磁偶源频率测深法非远区测量的优势,同时摒除了可控源音频大地电磁法远区信号微弱的劣势,采用多频率同步接收的组合装置,提高了观测速度、观测质量和工作效率^[7⇓⇓-10]。

广域电磁法把电磁测深的观测范围扩大到包括非远区的广大区域。均匀大地表面上水平电偶极源的E_x严格、精确的表达式为

E_{x} = \frac{I d L}{2 π σ r^{3}} [1 - 3 s i n^{2} φ + e^{- i k r} (1 + i k r)]

式中:I为发送电流;dL为场源尺寸;r为收发距;φ为方位角;k为波数;σ为介质电导率。根据上式可以定义广域意义上的视电阻率:

ρ_{a} = K_{E - E x} \frac{Δ U_{M N}}{I} \frac{1}{F_{E - E_{x}} (i k r)}

F_{E - E_{x}} (i k r) = 1 - 3 s i n^{2} φ + e^{- i k r} (1 + i k r)

。

式中:ΔU_MN为观测电位差;K_E_-_Ex是一个只与观测装置几何尺寸有关的系数。

2 研究区地质与地球物理概况

2.1 地层及水文地质条件

研究区为全隐蔽区,地层由老到新为奥陶系(O)、本溪组(C₂b)、太原组(C₃t)、山西组(P₁s)、下石盒子组(P₁xs)、上石盒子组(P₂s)、新近系(N)和第四系(Q)。含煤地层为二叠系下统山西组、下石盒子组和上统的上石盒子组。煤层顶板以中、粗砂岩为主,底板多为泥岩、砂质泥岩。区内含水层自上而下分别为新生界松散层含、隔水层(组),二叠系含、隔水层和灰岩含、隔水层,其中二叠系含水层富水性弱,是煤层开采中主要的直接充水层。

研究区内地层倾向NNE,构造相对简单,在北部发育一条F_104-1断层,落差0~120 m,倾向NEE。

2.2 地球物理电性特征

根据已有钻孔30-5的测井结果,新生界地层平均电阻率12 Ω·m;上石盒子组地层平均电阻率15 Ω·m;下石盒子组地层平均电阻率28 Ω·m;山西组地层平均电阻率39 Ω·m;石炭系地层平均电阻率69 Ω·m(表1)。研究区不同地层的电阻率存在差异,整体上呈现低—中—高的变化趋势。其中在新生界与上石盒子组交界区域电阻率比较低,下石盒子组和山西组地层电阻率开始逐渐升高^[11]。

表1 30-5孔测井电阻率统计

Table 1 Statistical table of borehole logging resistivity in the study area

地层		ρ /(Ω·m)	ρ_平均 /(Ω·m)	厚度/m
新生界(Q+N)		4~55	12	578
二叠系(P)	上石盒子组	9~537	15	63
	下石盒子组	10~270	28	75
	山西组	10~1345	39	92
石炭系(C)		10~8000	69	94
奥陶系(O)			>69

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3 数据采集

3.1 仪器选择及测线布置

本次勘探采用广域电磁法,为保证数据的可靠性和准确性,在施工前进行了施工参数实验工作。选用湖南继善高科技有限公司及中南大学联合研制的广域电磁仪器系统,主要设备包括DGN-2多功能信号控制器、JSGY-2接收机、JSDY大功率发电机(180 kW)等,装置为E-E_x装置,发射电流为110 A。

研究区构造方向为NEE向,根据勘探规范要求测线方向需垂直于构造走向^[12-13],因此测线选择NNW向布置(图1)。共布置测线15条,线距80 m,点距40 m(部分测点由于河流影响进行了变关测量);测线编号为4100~5200,测点编号为3200~4920,测线总长度25 200 m,总计660个测点。

图1

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图1 测线布置示意

Fig.1 Survey line layout

3.2 实验工作

3.2.1 收发距实验

确定最佳收发距的目的不仅是要接收到高信噪比的广域电磁信号,而且还要满足地质任务在深度方面的要求。本次勘探深度要求为1 300 m,根据广域电磁勘探经验,收发距应为勘探深度的3~5倍^{[10⇓⇓-13]},因此选择8 km和6 km的收发距进行实验。图2显示,两种收发距得到的广域电磁信号的曲线形态一致,但收发距6 km的信号强度大于8 km的信号强度。因此,在满足深度要求的前提下,最终选择收发距6 km进行数据采集。

图2

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图2 不同收发距实验结果对比

Fig.2 Comparison of experimental results with different transceiver distances

3.2.2 接收距实验

本次测量点距为40 m。MN接收极距不同,信噪比会不同,考虑地形、地貌、地面建筑物等因素影响,个别测点的MN电极位置会进行偏移(变观),因此需进行不同MN极距实验。图3给出了实验结果。

图3

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图3 不同接收极距(MN)实验结果

Fig.3 Experimental results of different receiving electrode distances (MN)

图3a为收发距6 km时不同接收距离的信噪比曲线,频率0.625~2 000 Hz间信噪比基本大于2,即在目标深度范围的信噪比都大于2,可以采集到有用信号。另外,可以看到MN分别为40、80 m时,两种接收距离的信噪比变化不大。

图3b显示,接收距离MN为40 m和80 m时,两条电场曲线形态相似,MN=80 m的电场值是MN=40 m电场值的2倍;而两者的视电阻率曲线形态及大小也一致(图3c)。因此,在煤田水文地质调查中,可以选用MN=40 m进行数据采集。另外,通过分析图3b、c,表明在条件复杂、不适合较大接收距的区域适当缩小接收距,同样可以获取到有用的采集信号,同时电阻率大小及形态不变。值得注意的是接收极距变大,横向分辨率相对变低。

通过分析图3c的2条曲线,在高频段8 192~20 Hz,视电阻率值随频率降低而减小,在8~240 Ω·m变化,其中视电阻率值在2 056 Hz有小幅度变化;频率在20~0.625 Hz时,曲线随频率降低呈上升趋势,视电阻率值增至70 Ω·m,曲线总体表现为H型地电断面^[14-15]。

3.2.3 测深实验

通过研究区内的测井测线,求出地层平均电阻率ρ为24.5 Ω·m;根据公式f_L=0.4f_l、f_l= $ρ {(\frac{356}{D})}^{2}$ (f_L为最低工作频率;f_l为探测目标体所需要的频率;D为最大估算深度;ρ为估算的测区大地平均电阻率^[13]),估算出达到探测目标深度的最低工作频率为0.86 Hz。确定工区地质勘查所需的最小频组为4频组,采用伪随机信号的7频波的11、10、9、8、7、6、5、4频组供电,频率最高为8 192 Hz,最低频率为0.625 Hz,共计56个频点。

实验结果(图4)表明:在收发距为6 km,接收距MN= 40 m的条件下,广域电磁反演测深曲线电性反映特征明显,层位清晰,各地层电阻率由浅至深呈低阻—中阻—高阻特征,与钻孔测井曲线及钻孔柱状图地层的电性参数吻合;煤系地层位于地下600 m左右,此处电阻率开始升高^{[14⇓⇓-17]}。

图4

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图4 电阻率测井结果与广域电磁法测深结果对比

Fig.4 The comparison between resistivity logging results and wide-area electromagnetic sounding results

4 成果推断解释与验证

4.1 物探推断解释标志

研究区为典型的沉积地层,上部为第四系砂质黏土、新近系黏土岩和砂质黏土岩,中部为石炭、二叠系煤系地层,基底为奥陶系灰岩。区内地层电阻率与沉积地层岩性特征一致,黏土、泥岩电阻率最低,其次是粉砂岩、细砂岩、中砂岩、粗砂岩,煤和碳酸盐岩的电阻率最高。受沉积地层层序的控制,电阻率随深度变化特征明显。煤系地层的平均电阻率值比非煤系地层的电阻率值高,构成一个电性层,奥陶系灰岩与石炭系中统本溪组泥岩、含铁铝质泥岩的电阻率差异很大,形成明显的电性标志层^[16-17]。

4.2 测线异常解释

本次数据反演采用广域电磁法处理软件 “GME地球物理资料综合处理解释一体化系统”,该软件是基于微机的集重、磁、电、震、井等资料反演、成像、定量解释等功能于一体的综合处理解释一体化软件系统。

如图5所示,在纵向上,电阻率的变化特征与勘探区分布的地层的电性特征相符;在横向上,相同地层的电性特征表现为均一性。根据测区地质、钻探、测井资料,可将4100线电阻率断面自上而下大致划分为4个主要电性层:第一电性层(ρ₁)为在全区均出露的第四系地层,厚度约为110 m,岩性主要为黄土,电阻率分布范围在4~9 Ω·m,表现为低阻特征;第二电性层(ρ₂)为新近系地层,主要为灰绿色、灰白色含砾中砂,夹多层黏土及砂质黏土,厚度在450~500 m,该层位根据岩性表现为低阻—相对低阻特征,电阻率变化范围3~30 Ω·m,其中在中部埋深300 m处有一个明显的低阻带,为新近系含水层;第三电性层(ρ₃)为二叠系地层,整合于石炭系太原组之上,自下而上分为下统山西组、下石盒子组,上统上石盒子组,均为含煤地层,整体厚度超过300 m,本层位由上而下整体呈相对中高阻变化特征,电阻率变化范围在130~600 Ω·m;第四电性层(ρ₄)为石炭系上中统和奥陶系中下统地层,其中太原组由浅灰—深灰色灰岩、含泥灰岩、生物碎屑灰岩和泥岩、砂质泥岩、细—中粒砂岩组成,呈相对高值特征,奥陶系灰岩主要由白云质灰岩、泥质灰岩、角砾状灰岩组成。

图5

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图5 4100线广域电磁反演电阻率断面及地质剖面

Fig.5 Wide field electromagnetic inversion resistivity section and geological section of line 4100

通过对4100线电阻率综合剖面(图5)的分析,各层位的电性特征差异明显,得到了测区内各个层位的电性变化特征,这对后期全区电阻率剖面图的解释起到了决定性作用。

分析4180~4520线广域电磁反演电阻率断面(图6),发现在4180线上测点4100和4400、深度720 m附近有一个低阻异常,该异常在4180线和4260线上有向小号测点方向及深部延伸的趋势,在4260线上低阻异常更明显,而在4100、4340和4520线上表现得不明显。推断该低阻异常主要集中在4180线和4260线之间。

图6

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图6 研究区广域电磁法反演电阻率断面

Fig.6 Wide field electromagnetic inversion resistivity section and geological section

4.3 成果验证

为验证广域电磁法探测结果,在巷道内布置了井下钻探验证。图7为沿1煤底板顺层电阻率切片及巷道掘进叠加图,红线圈定位置为一个明显低阻异常,推断为富水区域。通过井下钻探,10-1、10-9和15-1孔出水量分别为10.8~18.5 m³/h、13.5 m³/h和5 m³/h,与广域电磁法的推断结果相吻合。

图7

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图7 1煤顺层电阻率切片与巷道掘进叠加图

Fig.7 Superposition diagram of 1 coal seam bedding resistivity and roadway excavation

5 结论

1)广域电磁法对于巨厚低阻层具有较强的穿透力和地层电性分层能力,对电阻率低值异常体反应明显,纵向电阻率反演模型与测井曲线一致。

2)在煤田水文地质勘探中使用3倍勘探深度的收发距离,采用接收距MN =40 m,抗干扰能力强,可以取得高信噪比数据。

3)在解释方面,要结合视电阻率与频率曲线、反演电阻率断面图和顺煤层电阻率切片综合分析,可以较全面地分析存在的低阻富水异常区,避免单测线干扰造成的影响。

4)广域电磁法作为一种新兴的物探手段,可以广泛用于大深度的煤田水文地质调查工作。

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]

梁维天, 孙新胜, 王东波, 等.

广域电磁法在河洼多金属矿勘查中的应用

[J]. 物探与化探, 2020, 44(5):1048-1052.