煤矿富水体SOTEM响应三维数值模拟研究

doi:10.11720/wtyht.2024.1300

煤矿富水体SOTEM响应三维数值模拟研究

常江浩^,¹, 薛俊杰^,², 孟庆鑫¹, 赵鹏³

1.河北地质大学自然资源部京津冀城市群地下空间智能探测与装备重点实验室,河北石家庄 050031

2.中国科学院岩石圈演化国家重点实验室,中国科学院地质与地球物理研究所,北京 100029

3.北京中科地垣科技有限公司,北京 100190

Three-dimensional numerical simulation of short-offset transient electromagnetic responses to water-rich bodies in coal mines

CHANG Jiang-Hao^,¹, XUE Jun-Jie^,², MENG Qing-Xin¹, ZHAO Peng³

1. Key Laboratory of Intelligent Detection and Equipment for Underground Space of Beijing-Tianjin-Hebei Urban Agglomeration,Ministry of Natural Resources, Hebei GEO University, Shijiazhuang 050031, China

2. State Key Laboratory of Lithospheric Evolution,Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China

3. Beijing Zhongkediyuan Technology Co., Ltd., Beijing 100190, China

通讯作者: 薛俊杰(1992-),男,博士后,主要从事电磁场响应与反演成像算法研究工作。Email:junjie_58@126.com

第一作者: 常江浩(1989-),男,副教授,主要从事瞬变电磁法理论与应用方面的研究工作。Email:jhchang@126.com

责任编辑: 沈效群

收稿日期: 2023-07-7 修回日期: 2024-07-17

基金资助:

河南省豫地科技集团2024年重点科研项目(JTZDKY202405)
广西壮族自治区重点研发计划项目(2023AB260490)

中央引导地方科技发展资金项目

Received: 2023-07-7 Revised: 2024-07-17

摘要

采用三维时域有限差分法对三维地电模型的SOTEM响应进行正演计算,发现:①采空区或陷落柱上方观测的电场E_x响应衰减曲线在早期高于背景响应,在晚期均低于背景响应;②偏移距越小,∂B_z/∂t响应信号的相对异常越大,发射源长度的增加能提升信号强度,但同时也会导致相对异常的略微下降;③当测线靠近发射源时,采空区或含水陷落柱的∂B_z/∂t响应在整体上低于背景值,当测线远离发射源时,采空区或含水陷落柱的∂B_z/∂t响应在整体上高于背景值。本文计算结果对于认识SOTEM对煤矿典型富水体的探测能力具有重要意义,为SOTEM装置参数选取及其在煤炭领域的推广应用打下理论基础。

关键词： 煤矿积水采空区; 含水陷落柱; SOTEM响应; 三维数值模拟

Abstract

This study performed forward modeling for the short-offset transient electromagnetic (SOTEM) responses of a three-dimensional geoelectric model using the three-dimensional finite-difference time-domain method. The results reveal that: (1) The attenuation curves of the E_x responses from the electric field above the goaf or collapse column were above the background response curve at early times but below it at later times; (2) A shorter offset corresponded to a higher relative anomaly of ∂B_z/∂t response signals. Increasing the length of the transmitting source could enhance the signal intensity while slightly decreasing the relative anomaly; (3) In the case of survey lines close to the transmitting source, the overall ∂B_z/∂t responses of the goaf or collapse column were weaker than the background responses. For survey lines away from the transmitting source, the overall ∂B_z/∂t responses of the goaf or collapse column were stronger than the background responses. In summary, the calculation results demonstrate significant implications for understanding the ability of the SOTEM method to detect typical water-rich bodies in coal mines, laying a theoretical foundation for the parameter selection of SOTEM devices and their generalized application in the coal sector.

Keywords： waterlogged goaf in a coal mine; water-bearing collapse column; SOTEM response; three-dimensional numerical simulation

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本文引用格式

常江浩, 薛俊杰, 孟庆鑫, 赵鹏. 煤矿富水体SOTEM响应三维数值模拟研究[J]. 物探与化探, 2024, 48(5): 1176-1184 doi:10.11720/wtyht.2024.1300

CHANG Jiang-Hao, XUE Jun-Jie, MENG Qing-Xin, ZHAO Peng. Three-dimensional numerical simulation of short-offset transient electromagnetic responses to water-rich bodies in coal mines[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2024, 48(5): 1176-1184 doi:10.11720/wtyht.2024.1300

0 引言

长期以来,采空区、陷落柱等煤矿地质构造给矿区周围带来了一系列环境和安全问题,如道路裂缝、房屋倒塌、地表积水、耕地减少等,充水的采空区、陷落柱等还会引发矿井突水事故,给煤矿企业造成重大经济损失和人员伤亡^[1-2]。目前,充水采空区、陷落柱等煤矿富水体的有效勘查仍是一个待攻克的难题。煤矿富水体的导电性与正常地层存在很大差异,这为采用地球物理方法探查煤矿富水体提供了物理依据。瞬变电磁法是一种建立在电磁感应原理基础上的时间域人工源电磁探测方法^[3⇓-5],早先在探测煤矿富水体方面应用较多的是回线源瞬变电磁法^{[6⇓⇓⇓-10]}。回线源装置不受接地条件限制,对低阻体分辨能力高,但其对高阻体分辨能力较差,探测深度有限,随着煤矿开采深度的增大,其探测深度已不能满足实际需要。

薛国强等针对近源探测的优越性对电性源短偏移距瞬变电磁响应进行了研究,提出了短偏移距瞬变电磁法(SOTEM)^[11]。SOTEM利用间断的双极性脉冲波作为激励源,将自有场和辐射场从时间上分离开来,在小于2倍探测深度的偏移距范围内进行观测,提高了观测数据的信噪比并减小了体积效应。相对于回线源装置,SOTEM具有较高的探测深度和精度,并能显著提高施工效率^{[12⇓⇓-15]}。此外,接地导线源能够同时产生水平电场和垂直电场,对低阻和高阻目标层都有很好的反映^[16-17]。

相较于回线源装置,接地线源产生的电磁场分布较为复杂。目前对煤矿富水体瞬变电磁响应的研究主要针对回线源,而其SOTEM响应还有待研究。本文采用三维时域有限差分法,对积水采空区、含水陷落柱等煤矿典型富水体的SOTEM瞬变电磁响应进行了模拟,分析了SOTEM瞬变电磁场的分布规律、多测道响应和时间衰减特征,研究结果对SOTEM在煤炭领域的推广应用具有指导意义。

1 SOTEM电磁场扩散与分布特征

1.1 含水采空区

图1为基于实际煤田地质资料建立的积水采空区地电模型,煤层覆盖层厚度为300 m,煤层厚度为20 m。采空区大小为400 m × 400 m,发射源与采空区中心的水平距离为600 m。电阻率参数为:ρ₁ = 100 Ω·m,ρ₂ = 400 Ω·m,ρ₃ = 150 Ω·m,ρ₄ = 1 Ω·m。发射源长度为1 000 m,其方向沿x轴方向布设,发射电流为1 A。

图1

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图1 积水采空区模型

Fig.1 Water-filled mining goaf model

采用电性源三维时域有限差分算法^[18-19]进行正演模拟计算。本文在算法原理的基础上开发了三维正演系统,并采用该系统进行数值模拟计算。图2为积水采空区产生的电场E_x异常场(总场与背景场的差值)在地表和地下的分布。图2a显示:在1 ms时,E_x异常场在异常体上方出现负的极大值;随着时间的推移,等值线不仅在异常体正上方产生负的极大值,而且在异常体两侧产生正极大值,等值线沿y方向被拉伸,为感应电流在异常体表面产生的积累电荷的影响。图2b显示:等值线在异常体表面的分布与异常体形态基本相似,并在异常体内部产生负的极大值,这仍然是由于异常体表面积累电荷的影响。因此,对电性源瞬变电磁场的分析不仅要考虑感应电流的分布,还要考虑异常体表面积累电荷的影响。

图2

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图2 不同时刻采空区影响下电场E_x异常场的分布

Fig.2 Distribution of anomalous E_x field under the effect of mining goaf at different times

图3为不同时刻积水采空区产生的∂B_z/∂t异常场在地表和地下的分布。可以看出:在1 ms时,∂B_z/∂t异常场在异常体两侧(靠近发射源和远离发射源)分别产生正极大值和负极大值;随着时间的推移,异常体内部和上方产生正的异常并逐渐扩散,最终在异常体远离发射源一侧产生正极大值,在靠近发射源一侧产生负极大值。因此,相较于回线源,SOTEM磁场的扩散及分布较为复杂。

图3

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图3 不同时刻采空区影响下∂B_z/∂t异常场的分布

Fig.3 Distribution of anomalous ∂B_z/∂t field under the effect of mining goaf at different times

1.2 含水陷落柱

图4为基于实际煤田地质资料建立的含水陷落柱地电模型,覆盖层厚度为300 m,煤层厚度为20 m。陷落柱深度为200 m,半径为100 m,其柱体轴线与发射源的水平距离为600 m。电阻率参数为:ρ₁ = 100 Ω·m,ρ₂ = 400 Ω·m,ρ₃ = 150 Ω·m,ρ₄ = 1 Ω·m。发射源长度为1 000 m,沿x轴方向布设,发射电流为1 A。

图4

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图4 含水陷落柱模型

Fig.4 Water-bearing collapse column model

图5为陷落柱产生的电场E_x异常场(总场与背景场的差值)在地表和地下的分布。图5a 显示:在1 ms时,E_x异常场在异常体上方表现为负的极大值;随着时间的推移,E_x不仅在异常体正上方产生负的极大值,而且受感应电流在异常体表面产生的积累电荷的影响,在异常体两侧产生了正极大值。从图5b中可以看出,在3 ms和10 ms时刻,E_x等值线在陷落柱附近变化较为剧烈,其在陷落柱表面的分布与陷落柱形态基本相似。受异常体表面积累电荷的影响,E_x在陷落柱内部产生负的极大值。

图5

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图5 不同时刻陷落柱影响下的电场E_x异常场分布

Fig.5 Distribution of anomalous E_x field under the effect of collapse column at different times

图6为陷落柱产生的∂B_z/∂t异常场在地表和地下的分布。从图6a中可以看出,在1 ms时,等值线在异常体两侧(靠近发射源和远离发射源)分别产生正极大值和负极大值。随着时间的推移,异常体上方逐渐产生正的异常并逐渐扩散。最终,在异常体远离发射源一侧产生正极大值,在靠近发射源一侧产生负极大值。从图6b可以看出,在1 ms时刻,等值线在陷落柱内部产生负的极大值,随着时间的推移,陷落柱内部逐渐产生正的异常,说明陷落柱内产生的感应电流主要位于靠近发射源一侧,而在另外一侧感应电流相对较弱。

图6

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图6 不同时刻陷落柱影响下∂B_z/∂t异常场分布

Fig.6 Distribution of anomalous ∂B_z/∂t field under the effect of collapse column at different times

2 SOTEM多测道响应和时间衰减特征

以上对瞬变电磁场在固定时刻的分布特征进行了分析,而野外实际观测主要是在指定位置观测电磁场随时间的变化。为了说明不同位置电磁场随时间的变化特征,本节对SOTEM瞬变电磁场多测道响应和衰减曲线进行分析。

2.1 含水采空区

2.1.1 多测道响应

采用图1所示模型,在采空区附近布置3条测线,其位置如图7所示。图8给出了电场E_x和磁场∂B_z/∂t在3条测线上的多测道曲线,为便于对比,图中同时绘出了层状背景模型的响应曲线。

图7

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图7 积水采空区测线布置

Fig.7 Layout of survey lines for water-filled mining goaf

图8

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图8 采空区3条测线的多测道响应

Fig.8 Multichannel profiles of three survey lines for mining goaf

从图8a中可以看出,3条测线上电场x分量的响应基本相似,电场E_x多测道曲线在异常体对应位置幅值较低,3条测线的E_x响应均能够反映异常体的横向变化。从图8b中可以看出:测线1在早期时刻,异常体位置的响应幅值高于背景值,但是在晚期时刻,异常体位置的响应幅值明显低于背景值;测线2在早期时刻,异常体位置的响应幅值低于背景值,随着时间的推移,异常体位置的响应幅值又逐渐高于背景值,最终,采空区模型的响应与背景模型的响应曲线基本重合;测线3在早期时刻,异常体位置的响应幅值低于背景值,但是在晚期时刻,异常体位置的响应幅值又明显高于背景值,因此,3条测线上观测的∂B_z/∂t响应有较大差异。以上分析为实际探测资料的解释提供了理论依据。

2.1.2 装置参数的影响

图9为不同偏移距下∂B_z/∂t的响应衰减曲线,观测点位于采空区中心正上方,为便于对比,图中同时绘出了相对异常曲线(异常场与背景模型响应的比值)。图9a显示:在开始时刻,采空区模型的响应曲线与背景模型的曲线重合,随着时间的推移,采空区模型的响应曲线与背景模型的曲线分离,整体上,采空区影响下的∂B_z/∂t曲线高于背景模型,其变化规律与回线源响应基本相似;比较不同偏移距的结果,在早期时段,偏移距越小,信号强度越高,而在晚期时段,偏移距越大信号强度越高。图9b显示,偏移距越小相对异常越大,说明短偏移位置的探测灵敏度高于长偏移位置。

图9

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图9 不同偏移距下SOTEM瞬变电磁响应(a)及相对异常衰减曲线(b)

Fig.9 SOTEM response curves(a) and relative anomalous response(b) for different offsets

为了分析发射源长度对探测结果的影响,计算了采空区模型在不同长度发射源激发下的SOTEM响应,如图10所示,为便于对比,图中同时绘出了相对异常曲线。可以看出,发射源长度的增加能明显提升信号强度,但同时也导致了相对异常的略微下降;发射源长度的增加会同时导致异常场和背景场的增强,但异常场的变化小于背景场的变化,因此导致了相对异常的降低。以上结果说明野外数据采集中要在保证接收信号强度的基础上,结合异常体规模大小合理选取发射源的长度。

图10

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图10 不同长度发射源激发下SOTEM瞬变电磁响应(a)及相对异常衰减曲线(b)

Fig.10 SOTEM response curves(a) and relative anomalous response(b) for transmitting source with different lengths

2.2 含水陷落柱

2.2.1 多测道响应

采用图4所示模型,在陷落柱附近布置3条测线,其位置如图11所示。图12为电场E_x和∂B_z/∂t在3条测线上的多测道曲线,为便于对比,图中同时绘出了层状背景模型的响应曲线。

图11

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图11 含水陷落柱测线布置

Fig.11 Layout of survey lines for water-bearing collapse column

图12

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图12 含水陷落柱3条测线的多测道响应

Fig.12 Multichannel profiles of three survey lines for water-bearing collapse column

从图12a中可以看出,3条测线上电场x分量的响应基本相似,E_x多测道曲线在陷落柱对应位置幅值较低,3条测线的E_x响应均能够反映异常体的横向变化。图12b显示:测线1在所有时刻,陷落柱响应曲线与背景模型的响应基本重合,说明在该测线上无法观测到异常响应;测线2在早期时刻,陷落柱位置的响应幅值低于背景值,随着时间的推移,陷落柱位置的响应幅值又逐渐高于背景值,最终,陷落柱的响应与背景模型的响应曲线基本重合;测线3在早期时刻,陷落柱位置的响应幅值低于背景值,但是在晚期时刻,陷落柱位置的响应幅值又明显高于背景值。因此,3条测线上观测的∂B_z/∂t响应有较大差异。

2.2.2 时间衰减特征

图13为陷落柱影响下SOTEM瞬变电磁响应衰减曲线,观测点为陷落柱中心正上方。可以看出,陷落柱影响下的电场E_x响应衰减曲线在早期高于背景响应,而在晚期均低于背景响应。磁场∂B_z/∂t衰减曲线的衰减规律与回线源响应基本相似:在开始时刻,陷落柱模型的响应曲线与背景模型的曲线重合,随着时间的推移,陷落柱模型的响应曲线与背景模型的曲线分离。整体上,陷落柱影响下的∂B_z/∂t曲线低于背景模型。因此,虽然不同测线上∂B_z/∂t响应有较大差异,但在陷落柱中心正上方∂B_z/∂t的衰减规律与回线源基本相似。

图13

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图13 含水陷落柱影响下SOTEM瞬变电磁响应衰减曲线

Fig.13 SOTEM response curves under the effect of water-bearing collapse column

3 结论

本文采用三维时域有限差分法对积水采空区、含水陷落柱等煤矿典型富水体的SOTEM瞬变电磁响应进行了模拟,得到结论如下:

1)在早期时刻,电场E_x仅在异常体上方表现为负的极大值;但在晚期时刻,由于异常体表面积累电荷的影响,电场E_x异常场不仅在异常体正上方产生负的极大值,而且在异常体两侧产生正极大值。相较于回线源,SOTEM磁场∂B_z/∂t的分布较为复杂,其异常场在异常体两侧分别产生正极大值和负极大值。

2)不同测线上电场E_x的多测道响应基本相似,均在异常体对应位置幅值较低。对于积水采空区,不同测线上∂B_z/∂t的多测道响应有较大差异:在靠近发射源一侧采空区边缘的测线上,采空区位置的∂B_z/∂t响应在整体上低于背景值;在采空区上方和远离发射源一侧边缘的测线上,采空区位置的∂Bz/∂t响应在整体上高于背景值。对于含水陷落柱,在靠近发射源一侧陷落柱边缘的测线上,∂B_z/∂t响应没有明显异常;在陷落柱上方和远离发射源一侧边缘的测线上,陷落柱位置的∂B_z/∂t响应在整体上高于背景值。

3)偏移距越小,信号的相对异常越大。发射源长度的增加能提升信号强度,但同时也会导致相对异常的略微下降。虽然不同测线上磁场∂B_z/∂t响应有较大差异,但采空区或陷落柱中心正上方的∂B_z/∂t响应衰减规律与回线源基本相似。

以上结果为SOTEM装置参数选取及其在煤炭领域的推广应用打下了理论基础。

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]

武强.

我国矿井水防控与资源化利用的研究进展、问题和展望

[J]. 煤炭学报, 2014, 39(5):795-805.