可控源音频大地电磁法电阻率与阻抗相位双参数综合判定煤矿双层采空区

doi:10.11720/wtyht.2024.1338

可控源音频大地电磁法电阻率与阻抗相位双参数综合判定煤矿双层采空区

秦长春^,, 牛峥, 李婧

陕西地矿第二综合物探大队有限公司,陕西西安 710016

Determining double-layer goafs in coal mines using CSAMT-derived apparent resistivity and impedance phase

QIN Chang-Chun^,, NIU Zheng, LI Jing

The Second Comprehensive Geophysical Survey Team Company, Shaanxi Bureau of Geology and Mineral Resources, Xi’an 710016, China

第一作者: 秦长春(1984-),男,江苏扬州人,高级工程师,硕士,长期从事地球物理勘查及应用研究工作。Email:1006324483@qq.com

责任编辑: 叶佩, 沈效群

收稿日期: 2023-08-4 修回日期: 2023-09-13

基金资助:

陕西自然科学基金项目(2021JM-159)

Received: 2023-08-4 Revised: 2023-09-13

摘要

地下煤层开采后形成的采空及塌陷会给周围生态环境造成破坏,但目前对于煤矿双层采空区,特别是第二层采空区的探测效果并不理想。针对这一难题,采用高效率可控源音频大地电磁仪采集数据,利用电阻率和阻抗相位双参数综合判断划定采空区:当含水采空区位于浅层时呈现低阻特征,电阻率会出现阴影效应,导致上层目标体的异常范围扩展,不利于下层高阻采空区的识别,而阻抗相位的阴影效应和静态效应均比较小,对于下层采空区的反映比较明显。理论模型测试结果表明,电阻率和阻抗相位双参数结合,可有效判定浅部含水采空区和深部未充水高阻采空区。采用该方法,对陕北侏罗纪煤田神府矿区的双层采空区进行了解释,结果表明该方法推断结果可靠,达到了预期勘查效果。该方法为可控源音频大地电磁法在煤矿双层采空区勘查中的应用提供了新思路,具有良好的技术推广价值和借鉴意义。

关键词： 可控源音频大地电磁法; 阻抗相位; 电阻率; 双层采空区; 煤矿

Abstract

The goaf and subsidence areas formed ue to the mining of subsurface coal seams can cause damage to surrounding ecological environments.At present, the detection effects of double-layer goafs in coal mines, especially the second-layer goafs, are unsatisfactory. In response to this challenge, this study delineated goafs using apparent resistivity and impedance phase derived from the data acquired by an efficient controllable source audio-frequency magnetotelluric instrument. In the case of a shallow water-bearing goaf with low resistivity, the apparent resistivity displays shadow effects, leading to an extended abnormal range of the upper target, which is unfavorable to the identification of the lower high-resistivity goaf. In contrast, the impedance phase, exhibiting minor shadow and static effects, shows a significant response to the lower goaf. As indicated by the theoretical model testing results, the combination of apparent resistivity and impedance phase can effectively determine shallow water-bearing goafs and deep unfilled high-resistivity goafs. This combination method was employed to interpret the double-layer goaf in the Shenfu mining area of the Jurassic coal field in northern Shaanxi, achieving satisfactory results through the mutual verification of the two parameters. Engineering verification results indicate that this method demonstrates reliable inference and expected exploration effects. Overall, this method provides a new approach for CSAMT-based inference and interpretation in the exploration of double-layer goafs in coal mines, thus holding critical technical promotion and reference significance.

Keywords： CSAMT; impedance phase; resistivity; double-layer goaf; coal mine

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本文引用格式

秦长春, 牛峥, 李婧. 可控源音频大地电磁法电阻率与阻抗相位双参数综合判定煤矿双层采空区[J]. 物探与化探, 2024, 48(3): 690-697 doi:10.11720/wtyht.2024.1338

QIN Chang-Chun, NIU Zheng, LI Jing. Determining double-layer goafs in coal mines using CSAMT-derived apparent resistivity and impedance phase[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2024, 48(3): 690-697 doi:10.11720/wtyht.2024.1338

0 引言

煤炭是我国的重要能源之一,在国民经济建设中发挥着重要作用^[1],但是煤炭的开采给矿山周围的生态环境造成了严重的破坏。地下煤层被开采后会形成采空区,破坏地层结构的稳定性,甚至造成地表塌陷,严重影响煤田生产、城镇建设和居民安全^[2⇓-4]。采空区勘查常用的地球物理方法有瞬变电磁法、浅层地震法、可控源音频大地电磁法(CSAMT)、探地雷达法、高密度电阻率法等^[5-6]。席振铢等^[7]提出基于等值反磁通原理的瞬变电磁法,薛国强等^[8-9]详细阐述了电性源短偏移距瞬变电磁法、回线源装置瞬变电磁法的探测技术,这些地面瞬变电磁法在煤田采空区勘查中都发挥了重大作用。探地雷达^[10-11]和高密度电法^[12-13]的探测精度高但探测深度浅,常用于几米到几十米的浅层探测;浅层地震法可以有效利用采空区煤层及顶板发生破坏引起反射界面的波阻抗异常来开展对煤层采空区的勘探^[14],但因民爆有一定的危险性、且地震法施工成本较高,在进行面积性勘查工作时不是首选方法。另一方面,对于煤矿双层采空区特别是第二层采空区,常用物探方法的探测效果并不理想。

煤矿采空区探测最早应用的频率域电磁法就是CSAMT^{[15⇓⇓-18]},但传统的CSAMT工作效率低,在煤矿采空区勘查中的利用率并不高,大多仅限于在部分勘探试验研究^[19]及剖面性工作中采用。本文将CSAMT应用于煤矿采空区勘查,提出采用电阻率和阻抗相位双参数综合判定采空区的新思路。工作中使用的高效率可控源音频大地电磁系统在煤矿采空区勘查时的工作效率与瞬变电磁法旗鼓相当,可应用于大面积的煤矿采空区勘查工作,且测量换算后的2个主要参数——电阻率和相位^[20]均得到充分利用,即利用电阻率判断第一层采空区,再结合阻抗相位进一步判断;利用阻抗相位判断第二层采空区,再结合电阻率进一步判断。

1 勘查区地质特征及地球物理条件

1.1 勘查区地层

勘查区地处陕北侏罗纪煤田神府矿区,矿区广泛分布第四系黄土、风积砂及新近系红土层,在深切割沟谷处仅出露中侏罗统延安组。钻孔揭露地层由老到新为:三叠系上统延长组(T₃y)、侏罗系下统富县组(J₁f)、侏罗系中统延安组(J₂y)、新近系上新统保德组(N₂b)、第四系中、上更新统(Q₂₊₃)及全新统(Qh),各地层产状平缓。其中延安组(J₂y)为主要含煤地层,煤层埋藏较浅,地层倾角极为平缓,煤系与上覆新近系、第四系松散层直接接触。

本文研究的双层采空区均位于侏罗系中统延安组,浅层煤位于延安组第二段(J₂y²),煤厚约3.87 m,底板标高1 162~1 208 m,整体呈西南高、东北低的缓变化趋势;深层煤位于延安组第一段(J₂y¹)中部,煤厚约4 m,底板标高1 043~1 087 m,整体呈西南高、东北低的缓变化趋势。浅层煤经过多年开采已形成范围较大的采空区,深层煤被周边小煤窑越界开采或其他盗采,也造成了部分采空。

1.2 水文地质

勘查区处于以侵蚀为主的黄土梁峁区,地形破碎,沟壑纵横。由于受沉积作用的控制,含水层与隔水层相间存在,形成多层结构的复合承压含水体。地表径流条件好。因浅层煤近地表,浅层煤采空区基本为含水采空区。煤系及其上覆地层富水性与透水性不好,水力联系差,同时受隔水层阻隔,各含水层之间多无直接水力联系,深层煤采空区基本为不含水采空区。

1.3 地球物理条件

对勘查区采集的112块标本进行物性测定,电阻率(ρ)与极化率(η)的统计结果见表1。

表1 岩石标本电性参数统计

Table 1 Statistics of electrical parameters of rock samples

岩矿石名称	标本/块	ρ/(Ω·m)		η/%
岩矿石名称	标本/块	变化范围	常见值	变化范围	算术平均值
泥岩	12	52~143	95	0.43~0.84	0.64
细砂岩	38	102~177	146	0.32~2.60	1.77
粉砂岩	32	173~256	229	0.81~3.27	2.14
煤(节理)	15	447~806	652	2.41~5.25	3.32
煤	15	1207~1780	1237	0.39~4.18	1.79

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由物性测定结果可见,泥岩电阻率很低,砂岩相对较高,二者均明显低于煤层电阻率。勘查区地层产状平缓,岩层、煤层稳定,同一岩性层物性均匀。但无论浅层煤还是深层煤,其厚度均不大于4 m,单纯的煤层不足以引起较大的电性差异,所以在勘查薄煤层时利用电性差异需谨慎。

本文研究的是煤矿采空区勘查,煤层开采后的“三带”破坏了原状地层在横向上的电性均一性,当采空区和裂隙带上不充水时,采空区及其上覆松散裂隙带相对围岩一般表现为高电阻率特征,从地层到采空区及裂隙带,电阻率增加过程中阻抗相位呈降低趋势;当地下水沿裂隙汇集并充填采空区和裂隙带时,采空区及其上覆裂隙带相对围岩一般表现为低电阻率特征,从地层到采空区及裂隙带,电阻率减小过程中阻抗相位呈升高趋势。无论含水与否,采空区及裂隙带都打破了原状地层水平方向的电性均一性,显著的电性差异为采空区探测提供了良好的地球物理条件。

在探测双层采空区时,由于受第一层含水采空区低阻特性的影响,电阻率法的静态效应和阴影效应增强,导致对第二层采空区的探测效果并不理想。为此,使用可控源音频大地电磁法探测,采用本文提出的新技术思路进行采空区推断。

2 理论模型测试

电性源可控源音频大地电磁法视电阻率和阻抗相位的计算公式为:

(1)

ρ_{a} = \frac{1}{5 f} {|E_{x} / H_{y}|}^{2}

(2)

φ_{a} = φ_{E_{x}} - φ_{H_{y}}

式中: $ρ_{a}$ 为卡尼亚视电阻率,Ω·m; $f$ 为频率,Hz;E_x为电场强度分量,μV/m;H_y为磁场强度分量,nT; $φ_{a}$ 为阻抗相位,被定义为电场与磁场的相位差; $φ_{E_{x}}$ 为电场相位; $φ_{H_{y}}$ 为磁场相位。

视电阻率和阻抗相位均反映了地下介质的总体电性特征。在多层水平层状介质中,电阻率增加,阻抗相位呈降低趋势;电阻率减小,阻抗相位呈升高趋势。对采集的数据进行反演后,埋藏在厚板状体下的勘查目标的反演结果会产生静态位移效应,随着地形起伏的增强或探测目标深度的增大,电阻率的静态效应增强,而阻抗相位不易受静态效应影响;同时,场源和测深点之间产生的阴影效应对电阻率的影响大于对阻抗相位的影响。

综上所述,在推断第一层采空区时,视电阻率做好静态校正可较为准确地划分电性层从而圈定采空区;推断第二层采空区时,视电阻率的可靠性大大降低,必须结合阻抗相位进行综合判断。为此,进行了理论模型测试。

如图1a所示,在均匀半空间建立上下两层目标体,背景电阻率为100 Ω·m,上方异常体电阻率为10 Ω·m,表示充水的低阻采空区;下方异常体电阻率为1 000 Ω·m,表示未充水的高阻采空区,两层采空区间隔50 m。为了模拟可控源音频大地电磁法对两层采空区的分辨能力,分别计算了电阻率和阻抗相位,其断面图如图1b所示。由电阻率断面图可以看出,上层低阻充水体异常和下层高阻采空区异常叠加在一起,严重影响了对下层目标体的识别;而从阻抗相位断面图上可以看出,对于下层高阻采空区,阻抗相位呈现闭合的低值异常,且与上层低阻采空区相分离,低阻采空区的阻抗相位呈现高值异常。由此可见,仅用电阻率判断双层采空区有一定难度,因为上层低阻采空区会产生一定的阴影效应,导致下层高阻采空区难以识别,但结合阻抗相位,可以较为清晰地判定下层采空区,因此,本文提出的采用视电阻率和阻抗相位综合判定双层采空区理论上是可行的。

图1

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图1 地电模型及数值模拟结果

Fig.1 Geoelectric model and numerical simulation results

本次模型计算以电阻率和阻抗相位为主要参数,深度以均匀半空间下趋肤深度为主要参考: $D = 503 \sqrt{ρ / f}$ ,其中D为探测深度,m; $ρ$ 为电阻率,Ω·m;f为频率,Hz。

图2给出了异常中心零点和偏离异常较远处(背景场)的测点(-297 m)的视电阻率和相位随频率变化的曲线。图2a是异常中心零点处的测深曲线,可以看出随着频率的降低,视电阻率值由高降低,再由低升高,主要反映的是浅部低阻体的异常,对于深部高阻体的异常反映微弱;而相位曲线随着频率的降低,先升高再降低到极小值,然后再上升到背景场45°,可见相位曲线能清晰地反映出浅部低阻和深部高阻目标体,分辨率更强。因此,采用电阻率和相位两个参数综合进行解释,对于双层目标体的定位更可靠。

图2

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图2 单点测深视电阻率、相位曲线

Fig.2 Single point sounding apparent resistivity, phase curve

对于背景场处(-297 m)的测点,由于是均匀背景,其值整体接近于背景场,由于受目标体旁侧影响,曲线略有波动,但不影响整体结果(图2b)。

3 应用实例

3.1 野外工作布置

本次工作仪器使用国科(重庆)仪器有限公司生产的UltraEM Z4可控源大地电磁系统(图3)。UltraEM Z4可控源大地电磁系统由TX30高频电流源发射机、Z4电磁接收机、M100K磁传感器等组成。

图3

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图3 UltraEM Z4可控源音频大地电磁系统

Fig.3 UltraEM Z4 controllable source audio magnetotelluric system

该仪器性能稳定,接收机与发射机同步快速扫描,每台接收机在2.5 min内即可完成一个排列(2个测点)在10.667~81 920 Hz全频段采集,因此在勘查350 m以浅目标时的测量效率极高;测量频率宽,高频可达81 920 Hz,探测盲区小。

施工前,在完成仪器、探头校准和标定及各项试验后,确定收发距r=1.8~3.8 km,发射极距AB=600 m,接收极距MN=20 m,工作频率区间为10.667~81 920 Hz,供电电流11~12 A,测量采用赤道(旁侧)装置方法。布设测线164条,测线方向为SN向,线距40 m,点距20 m(图4)。

图4

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图4 测线布设及钻孔位置

Fig.4 Layout of survey line and drilling location

数据处理过程分为5步:预处理、曲线平滑、静态校正、地形校正,以及视电阻率和阻抗相位的计算。将处理后的数据使用ZxMt处理软件进行计算,ZxMt处理软件是由中铁第四勘察设计院开发,可针对大地电磁数据进行快速、直观的时间序列编辑,功率谱计算,阻抗曲线优化调整,并支持Bostick一维反演,以及二维带地形反演,本文中的断面图为Bostick一维反演。

3.2 成果解释

3.2.1 268测线

图5a为268线反演电阻率断面。图中自上而下存在明显的2个电性结构层,标高1 220 m以浅为高阻特征,标高1 220 m以深以中、低阻复杂变化为典型特征。经与已知地质、钻孔资料对比,浅表高阻电性层与第四系、新近系相对应,标高1 220 m以深与煤系地层延安组密切相关。浅层煤采空区基本为含水采空区。依含水采空区及其上覆裂隙带相对围岩一般表现为低电阻率的特征原则进行圈定:浅层煤大部分地段已形成充水并连通较好的采空区,采空区内电阻率变化率小且相对均匀,仅在1 880~1 960、3 340~3 460、4 220~4 480 m区段可能还存在残煤。深层煤采空区基本为不含水采空区。依不含水采空区及其上覆松散裂隙带相对围岩一般表现为高电阻率的特征原则,圈定了7段采空区,分别为1 000~1 180、1 380~1 460、1 640~1 840、3 100~3 220、3 340~3 540、3 880~3 960、4 340~4 500 m区段。

图5

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图5 268线反演电阻率及相位断面

Fig.5 The inversion resistivity and phase section of line 268

推断第二层采空区时,因静态效应和阴影效应的影响,电阻率的可靠性降低。而阻抗相位不易受影响(图5b),因此将阻抗相位带入推断过程。依据含水采空区相对围岩一般表现为低电阻率的特征及电阻率减小过程中阻抗相位呈升高趋势原则,对浅层采空区重新圈定:浅层煤大部分地段已形成充水并连通较好的采空区,采空区内电阻率和阻抗相位变化率小且相对均匀,仅在1 460~1 560、1 880~1 960、3 340~3 460 m区段可能还存在残煤。依据不含水采空区相对围岩一般表现为高电阻率的特征及电阻率增加过程中阻抗相位呈降低趋势原则,对深层采空区重新圈定:共有4段采空区,分别为1 000~1 180、3 100~3 220、3 340~3 540、4 340~4 500 m区段。

表2列出了单一电阻率推断和电阻率结合阻抗相位推断的结果对比。表中可见,浅层采空区利用单一电阻率参数推断结果和利用电阻率结合阻抗相位推断结果基本一致;深层采空区的推断结果相差较大。

表2 2种方法推断采空区结果对比

Table 2 Comparison of inferred results between two methods

	单一电阻率推断	电阻率、阻抗相位联合推断	推断一致度
浅层采空区	1000~1880	1000~1460、1560~1880	93%
	1960~3340	1960~3340
	3460~4220	3460~5080
	4480~5080	3460~5080
深层采空区	1000~1180	1000~1180	57%
	1380~1460
	1640~1840
	3100~3220	3100~3220
	3340~3540	3340~3540
	3880~3960
	4340~4500	4340~4500

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为了判别哪一种推断结果更可靠,在268线1 420 m附近布设钻孔ZK03,在3 460 m附近布设钻孔ZK04(图5)。钻探结果显示:ZK03浅层采空,深层非采空;ZK04浅层采空,深层采空。验证表明,利用电阻率判断第一层采空区可行,阻抗相位可辅助进一步判断;利用单一电阻率判断第二层采空区不可行,判断第二层采空区阻抗相位是关键,再结合电阻率进一步判断。

浅层煤因基本被采空且含水,呈低阻特征,阻抗相位高且变化率小,呈近似水平展布;深层煤采空区为不含水采空区,采空范围小,呈高阻特征,阻抗相位低且变化率大。由此得出:浅层含水采空区的地球物理判别标准为低阻、高相位,且相位变化率小;深层不含水采空区的判别标准为高阻、低相位,且相位变化率大。

3.2.2 120测线

图6为典型剖面120线的测量结果。120线的电阻率及阻抗相位特征与268线大致相同,浅层煤位于标高1 200 m上下,深层煤位于标高1 080 m上下。与268线相比,浅层煤位置的低阻、高相位特征出现了更加规律的水平展布,说明浅层煤的开采更为彻底。利用低阻、高相位且相位变化率小的原则圈定浅层采空区,120线除煤层缺失地区外全是采空区。利用高阻、低相位且相位变化率大的原则圈定深层采空区4段,分别为1 120~1 760、2 120~2 240、2 400~2 640、4 340~4 680 m区段。

图6

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图6 120线反演电阻率及相位断面

Fig.6 The inversion resistivity and phase section of line 120

在120线2 440 m附近布设钻孔ZK05,在2 360 m附近布设钻孔ZK06。两孔布设目标:ZK05浅层采空,深层采空;ZK06浅层采空,深层非采空,钻探验证结果均与布设目标一致。

3.2.3 采空区平面位置的划定

利用浅层采空区低阻、高相位且相位变化率小,深层采空区高阻、低相位且相位变化率大的原则,对勘查区的164条测线分别进行浅层、深层采空区的圈定。将各条测线浅层、深层采空区点位分别投影到平面图上,利用人机交互法对采空区投影的点位进行圈闭,划定了勘查区内各层采空区平面位置。

3.3 工程验证

为验证地球物理勘查的实际效果,勘查区内共布设26口钻孔。验证结果显示:26口钻孔的浅层验证结果均达到布设目标,成功率100%;而对于深层验证,除3口钻孔(ZK03、ZK12、ZK20)外,其他23口钻井验证结果达到布设目标,深层布设目标成功率为88.46%。

其中,验证结果未达到布设目标的ZK03孔布置在268线1 420 m附近,仅利用图5a中的电阻率高就将ZK03孔深层推断为采空区。而深层采空区应由高阻、低相位且相位变化率大的原则圈定。在验证结果未达目标后,利用图5b中的相位进行判断,该处相位值不够低且变化率不大,不应圈定为采空区。

4 结论

1)煤矿采空区勘查中,因煤层开采后的“三带”破坏了原状地层,无论含水与否,采空区及裂隙带都打破了原状地层水平方向的电性均一性,显著的电性差异为采空区可控源音频大地电磁探测提供了良好的地球物理条件。

2)在煤矿双层采空区勘查中,深层采空区的圈定虽具有一定难度,但可控源音频大地电磁法视电阻率和阻抗相位各有优缺点,可利用这两个参数进行综合解释,对判定双层采空区有较好的效果。

3)在煤矿双层采空区勘查中,当浅层采空区范围大且含水、深层采空区范围小且不含水,可利用本文提出的低阻、高相位且相位变化率小原则圈定浅层采空区,高阻、低相位且相位变化率大原则圈定深层采空区。钻探验证结果表明,该方法推断可靠,可为今后双层采空区勘查提供新的技术思路和良好借鉴。

参考文献

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文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

张继锋, 孙乃泉, 刘最亮, 等.

电磁法在煤矿水害隐患探测方面的综述

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