SOTEM在厚覆盖煤矿采空区探测中的应用实例

doi:10.11720/wtyht.2024.1232

SOTEM在厚覆盖煤矿采空区探测中的应用实例

黄仕茂^,¹^,², 杨光^,¹^,², 王军成¹^,², 罗传根¹^,², 徐明钻¹^,², 周楠楠³, 赵鹏⁴

1.江苏省地质勘查技术院,江苏南京 210049

2.江苏省航空对地探测与智能感知工程研究中心,江苏南京 210049

3.中国科学院地质与地球物理研究所,北京 100029

4.北京中科地垣科技有限公司,北京 100029

Application cases of the short-offset transient electromagnetic method in detecting goafs with thick overburden in a coal mine

HUANG Shi-Mao^,¹^,², YANG Guang^,¹^,², WANG Jun-Cheng¹^,², LUO Chuan-Gen¹^,², XU Ming-Zuan¹^,², ZHOU Nan-Nan³, ZHAO Peng⁴

1. Geological Exploration Technology Institute of Jiangsu Province, Nanjing 210049, China

2. Jiangsu Province Engineering Research Center of Airborne Detecting and Intelligent Perceptive Technology, Nanjing 210049, China

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

4. Beijing Zhongkediyuan Technology Co., Ltd., Beijing 100029, China

通讯作者: 杨光(1986-),男,高级工程师,主要从事电磁法勘查工作。Email:gsyang0824@163.com

第一作者: 黄仕茂(1982-),男,高级工程师,主要从事地球物理勘查工作。Email:313193047@qq.com

责任编辑: 沈效群

收稿日期: 2023-05-30 修回日期: 2024-01-24

基金资助:

江苏省自然资源保护利用专项资金(矿地融合试点)项目(苏财资环[2021]45号)

Received: 2023-05-30 Revised: 2024-01-24

摘要

徐州沛县某煤矿新生代在断陷盆地内沉积了砖红色的古近系和新近系,第四系普遍覆盖在各地层之上,其中第四系、侏罗—白垩系覆盖层较厚,可达500 m以上。采用电性源短偏移距瞬变电磁法进行探测,根据地电情况设计合理的观测参数,得到地下1 300 m深度范围内的电性结构,在地下900 m深度发现采空区,圈定的采空区域与矿区的开采现状吻合。探测成果对今后华北型煤田厚覆盖采空区探测有借鉴意义。

关键词： 瞬变电磁法; 短偏移距; 厚覆盖层; 采空区

Abstract

Within a coal mine in Peixian County, Xuzhou City, brick-red Paleogene and Neogene strata were deposited in the faulted basin during the Cenozoic, with extensive Quaternary strata overlying various strata. The Quaternary, Jurassic, and Cretaceous strata exhibit thick overburden, up to over 500 m. This study explored the coal mine using the short-offset transient electromagnetic (SOTEM) method. Based on geoelectric conditions, reasonable observation parameters were designed to obtain the subterranean electric structure within a burial depth of 1500 m. Goafs were detected at a burial depth of 900 m, with their delineated boundaries aligning with the mining situation of the coal mine. The results of this study serve as a reference for detecting goafs with thick overburden in North China-type coalfields.

Keywords： transient electromagnetic (TEM) method; short offset; thick overburden; goaf

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本文引用格式

黄仕茂, 杨光, 王军成, 罗传根, 徐明钻, 周楠楠, 赵鹏. SOTEM在厚覆盖煤矿采空区探测中的应用实例[J]. 物探与化探, 2024, 48(5): 1208-1214 doi:10.11720/wtyht.2024.1232

HUANG Shi-Mao, YANG Guang, WANG Jun-Cheng, LUO Chuan-Gen, XU Ming-Zuan, ZHOU Nan-Nan, ZHAO Peng. Application cases of the short-offset transient electromagnetic method in detecting goafs with thick overburden in a coal mine[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2024, 48(5): 1208-1214 doi:10.11720/wtyht.2024.1232

0 引言

随着煤炭资源的不断开采,采空区不但导致地表沉陷,还会对周边土体的工程性质产生影响,甚至危及矿区及周边人民的生命财产安全^[1-2],因此,对采空区的探测和治理已经成为迫在眉睫、刻不容缓的工作。考虑到工作效率、勘探成本及地质效果,瞬变电磁法(TEM)已成为近些年来煤矿采空区探测的首选方法^[3⇓-5]。华北型煤田具有巨厚的低阻覆盖层(往往超过500 m),采空区的埋藏深度接近1 km^[6],这对瞬变电磁的探测深度和精度提出了更高的要求。

瞬变电磁法按照场源类型分为回线源(磁性源)和接地导线源(电性源)两种。回线源瞬变电磁近区测量在500 m以浅采空区勘探中发挥了重要作用,但当采空区埋藏深度超过500 m,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。电性源瞬变电磁法的长偏移距观测方式(long offset transient electromagnetic method,LOTEM)虽然能够实现更大深度的探测,但深部信号强度弱,不利于开展深部目标体精细探测。基于时域电磁场近源测深具有更大的探测深度和探测精度,电性源短偏移瞬变电磁法(short-offset grounded-wire TEM, SOTEM)受到越来越多的关注。该方法解决了瞬变电磁勘探领域中大探测深度信噪比低的问题,将时域电性源TEM的观测区域从远区扩大到了中近区,实行全场区观测与资料解释,在无须增加现有勘探仪器功率的前提下提高观测数据质量,从而提高了探测精度、增大了探测深度^[7⇓-9]。

根据华北型煤田地层的电性特点,地层电阻率由低到高逐渐增加,且第四系、侏罗—白垩系覆盖层较厚。因此,在上述地区需要更长的观测时间和更低的频率才能达到预期的探测深度。为了解决厚覆盖煤矿采空区的探测实际难点问题,利用SOTEM方法进行探测,然后通过对实测数据的去噪、反演,得到地下1 300 m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。本文以丰沛煤田为例,分析SOTEM在华北型煤田勘探的可行性和有效性。

1 华北型煤田地质-地球物理特征

丰沛煤田位于华北地区东南部,属华北型含煤地层(表1)。全区在前寒武系的结晶基底上沉积了以后的一套地层,包括寒武系、奥陶系,主要为巨厚层的碳酸盐沉积。从晚奥陶世开始到早石炭世,受加里东运动的影响隆起成陆,该区处于剥蚀状态,缺失了上奥陶统、志留系、泥盆系和下石炭统。之后地壳下降,沉积石炭—二叠系含煤地层,该时期是本区的主要聚煤期。矿区主采煤层(7、9煤层)位于下二叠统山西组中下部,采用走向长壁采煤法、全部垮落法管理顶板。石炭—二叠系含煤建造形成之后,在各期不同构造运动影响下遭到不同程度的剥蚀,以不整合关系沉积了侏罗—白垩系红色碎屑岩建造。新生代在断陷盆地内沉积了砖红色的古近系和新近系,第四系普遍覆盖在各地层之上,其中第四系、侏罗—白垩系覆盖层较厚,可达500 m以上。

表1 研究区地层及电性概况

Table 1 Stratigraphy and electrical properties of the study area

地层		$\frac{地层厚度范围 / m}{地层厚度平均值 / m}$	电阻率/(Ω·m)	岩性描述
第四系	Q	$\frac{184.7 ~ 253.0}{222}$	10~50	由东往西增厚,按成因分为全新统、更新统。全新统主要由粉砂岩组成;更新统由富砂姜的黏土夹中粗砂组成,底部含砾。
古近系	E	90.16	10~50	F₂₄以南揭露,底部为砾岩;中上部以砂质泥岩为主,夹砂岩薄层,含灰岩、砂岩、砂泥岩砾
侏罗—白垩系	J-K	>576.49	10~90	该段在F₂₄以南揭露,下部以砂质泥岩、泥岩与砾岩互层为主,上部以砂质泥岩为主,夹砂岩薄层
侏罗—白垩系	J-K	$\frac{15.85 ~ 762.1}{430.0}$	10~90	由于受断块升降和剥蚀的影响,厚度变化大,每一断块由南向北增厚,由东向西变化不大,与煤系地层大致吻合。上部为粉砂岩、泥岩段,中部为杂色泥岩段,下部为紫褐色砂岩段
二叠系	$P_{2}^{1}$	$\frac{0 ~ 101.9}{55.0}$	15~1000	底部一层通称为奎山砂岩,个别孔其上保留有杂色泥岩、粉砂岩、砂岩
	$P_{1}^{2}$	$\frac{0 ~ 296.4}{220.0}$		下段底部为分界砂岩,上部为砂质泥岩夹细砂岩,含煤线;中段以中细砂岩为主;上段以泥岩、黏土岩为主
	$P_{1}^{1}$	$\frac{62.7 ~ 131.1}{116.2}$		主要由泥岩、粉砂岩、细砂岩、粉细互层、中粗砂岩、煤层组成,含有主采煤层7、9煤
石炭系	C₂	$\frac{150.6 ~ 189.9}{165.3}$	45~1200	主要由粉砂岩、泥岩、薄—中厚石灰岩、中细砂岩、黏土岩及煤层组成。可采煤层17、21煤
石炭系	C₁	$\frac{25.68 ~ 47.60}{36.15}$	45~1200	上部为灰岩夹黏土岩及中粗砂,下部为铁质泥岩
奥陶系	O₂	>58.19	>200	由厚层状灰岩夹砾状灰岩、白云质灰岩、白云岩,偶夹薄层泥岩组成

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研究区构造按构造线方向主要分为NE向、NW向、EW向、NNE向4组,各构造系列之间经过互相切割、控制、改造和继承,形成了以EW向、SN向(NNE向)构造为骨架,NE向、NW向构造为内容的构造面貌(图1)。与本次勘探相关的主要断层为F₁正断层和F₂逆断层。

图1

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图1 勘探区构造纲要

Fig.1 Outline of exploration zone structure

1)F₁正断层:走向EW—NWW,倾向S,倾角50°~65°,落差210~595 m。断层特点是北升南降,走向延展长(5 km),落差大,断层破碎带宽,受其影响断层附近羽状裂隙发育。该断层持续活动时间长,切断K-J地层,断层上盘K-J地层沉积厚度大。

2)F₂逆断层:走向N50°E,倾向NWW,倾角40°,断层落差55~186 m。上部7煤附近受断层牵引落差较小(55~110 m),下部21煤附近落差较大(97~186 m)。该断层破坏了龙固背斜的完整性,未切割新地层(K-J),断层破碎带小,北升南降。上盘受力较强,地层倾角10°~36°,断层附近地层受牵引而扭曲或直立,7煤、9煤的浅部受风化剥蚀,造成新地层(K-J)直接与7煤、9煤顶底板接触。下盘产状缓趋于正常,地层倾角0°~16°,断层两侧伴生有次一级小逆断层(由7个钻孔见有小逆断层,生产中7101、7113、7115等面也揭露小逆断层)。

根据研究区以往钻孔测井曲线和地质资料,得到研究区的电阻率统计结果(表1)。区内煤层为气煤,属于低、中煤级烟煤,为不良导体,其电阻率数值最大可达1 000 Ω·m以上,故未采煤层一般表现为相对高阻。覆盖层、泥岩、砂质泥岩、粉砂岩的电阻率较低,细—中砂岩的电阻率为中等,粗砂岩和煤层的电阻率相对较高,砾岩、灰岩电阻率最高。煤层被开采前,其岩层结构较完整,煤层与岩层间具有不同的电性特征,煤系具有层状分布的特点,电性分布横向上是相对均一的。当地下煤层被采出后,其上覆地层由于冒落、断裂及离层现象的存在,地层的层状分布特点遭到破坏,电性分布在横向上的均一性变差。采空区垮落、断裂及离层不充水时均表现为高阻特征,形变越大,电阻率越高。对于充水采空区,由于地下水的流动性及电离作用,电阻率将呈现相对低阻特征。当存在局部异常体,如岩溶洞穴、断层、裂隙带等并有导电性水体存在的区段,会出现局部低阻异常区;若断层带裂隙比较发育但没有充、导水或呈现孔穴时,则表现为相对高阻异常区。

上述各种不同条件下的电性变化,为瞬变电磁法勘探技术的应用提供了良好的地球物理前提。

2 SOTEM方法

电性源短偏移距瞬变电磁法(SOTEM)是近几年新兴的一种瞬变电磁法分支,它利用两端接地的长导线作为发射源,并在小于2倍探测深度(h)的偏移距范围内观测纯二次场^{[10⇓⇓⇓-14]}(图2)。由于采用接地线源发射一次场信号,SOTEM相较于目前广泛应用的回线源TEM具有3个明显的优点:①探测深度得到明显提升,由500 m增大至2 000 m;②SOTEM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;③在村庄房屋、鱼塘等密集分布情况下,SOTEM的施工方便性和工作效率更高。

图2

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图2 SOTEM装置示意

Fig.2 Schematic diagram of SOTEM device

野外数据采集采用V8多功能电法仪,16 kHz磁探头接收,其等效面积为10 000 m²,发射机为中国科学院地质与地球物理研究所自主研发的大功率SOTEM发射机Tx-40。经现场试验后,确定选取参数如下:发射基频为2.5 Hz,发射电流30 A,发射源AB=1 500 m,偏移距500~1 000 m,观测时长1~4 min,时窗40。

3 应用效果分析

3.1 测线布置

本次SOTEM探测共布设3条测线(图3),由西至东依次为L10线、L20线、L30线。结合测区实际环境,布设2条发射源:发射源1长度为1 440 m,用于L10线的数据采集;发射源2长度为1 580 m,用于L20和L30测线的数据采集。

图3

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图3 SOTEM测线与发射源布置

Fig.3 SOTEM survey line and emission source layout

3.2 典型剖面成果分析

以L10线1500测点为例进行成果分析(图4)。图4a显示,该点实测数据信噪比较高,误差棒小于3%。利用瞬变电磁数据处理软件系统SOTEMsoft对SOTEM实测据进行反演处理(图4c),得到电阻率—深度剖面(图4b)。反演结果显示:测区的电性结构整体上呈现高—低—高的特征,浅层低于100 Ω·m的低阻覆盖区域厚度达到500 m;低阻覆盖层下方为相对高阻的含煤地层。当采空区存在时,会在中深部出现相对低阻的异常区。

图4

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图4 L10线1500测点的测量结果

Fig.4 Measurement results at point 1500 on the line L10

图5为L10线多测道电压剖面,中、晚期测道曲线在700~1 300 m测点处出现相对高电压值异常(与图6电阻率反演剖面相对低阻异常位置基本对应),且异常幅度不大,其他区段中、晚期测道曲线变化相对平缓,无明显的高值异常。

图5

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图5 L10线实测多测道电压剖面

Fig.5 Multi-channel voltage profile measured by the line L10

图6

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图6 L10线反演解释剖面

Fig.6 Inverse interpretation section of the line L10

图6为L10线的反演结果。从地层电阻率纵向上来看,由浅至深的整体变化趋势为低到高,基本能定性反映地层电阻率的变化关系。根据电阻率数值并结合研究区地质资料,可将该断面在纵向上整体分为4层:浅部除表层20~30 m电阻率较高外(可能受一次场影响),电阻率值一般不超过40 Ω·m,推测为第四系地层的反映,主要由粉砂、砂质黏土和黏土等组成;其下电阻率值较上覆地层略高,一般在40~280 Ω·m上下,推断对应侏罗—白垩系砂岩、粉砂岩、泥岩和含砾泥岩等,其中在高程-250~-350 m范围内的水平条带低阻可能与地层中泥岩夹层有关(附近11-3、11-4钻孔侏罗系地层中上部均揭露砂质泥岩,厚度最大超过200 m);该层以下电阻率值整体相对较高,电阻率数值一般为120~350 Ω·m,推测主要是二叠系中—粗粒砂岩、泥岩、砂质泥岩及煤等互层的综合反映;再往下电阻率值整体呈现中—高阻,推测为石炭系含煤地层的反映,岩性主要为砂岩、泥岩,夹薄层灰岩和煤层等,深部电阻率局部略低可能与构造裂隙水有关。

当地下的煤层被采出后,其上覆地层由于冒落、断裂及离层现象的存在,地层的层状分布特点遭到破坏,电性分布在横向上的均一性变差。基于这一解释原则,在测线里程710~1 310 m、高程-800~-1 000 m范围,煤线附近区域电阻率数值相对两侧较低,推测为煤层采出后采空区顶板冒落充水所致。同时还可看出,在煤层底板上方一定范围内电阻率等值线出现下凹,电性分布横向均一性变差,推测采空区上覆岩层冒落、断裂和离层发育且充水。此外,在里程400 m和1 400 m附近、高程-600 m以深,电阻率等值线发生扭曲、变形,推测为断层破碎带所致,结合已有地质资料,前者可能为NE向的F₂断层在该处的反映,倾向NW,倾角较缓,具逆断层性质,后者可能为近EW向的F_1'断层,倾向S,倾角较陡,具正断层性质。经综合对比分析,探测结果基本与矿区的开采现状吻合。

3.3 其他剖面成果分析

图7、图8分别为L20线、L30线的反演结果。2条剖面电性层特征基本与L10线相似,其中深部地层局部呈现中—低阻,推测与铝土质泥岩和铁质泥岩及灰岩富水等有关,横向上不连续的低阻是由于部分煤层采空引起。

图7

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图7 L20线反演解释剖面

Fig.7 Inverse interpretation section of the line L20

图8

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图8 L30线反演解释剖面

Fig.8 Inverse interpretation section of the line L30

4 结论

相对常规回线源瞬变电磁法,SOTEM具有施工方便性和工作效率更高、勘探深度大和探测精度相对高等优势,是一种值得推广的方法。在华北型煤田——徐州沛县丰沛煤田采空区勘探中采用SOTEM进行探测,获取了地下1 300 m深度范围内的电性结构,圈定出了采空异常区域,取得了良好的勘探效果,进一步验证了SOTEM在解决华北型煤田厚覆盖采空区探测中的有效性,可以作为解决厚低阻覆盖层下大深度目标体勘探等难题的有效手段。

参考文献

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被引期刊影响因子

[1]

刘树才, 岳建华, 刘志新.

煤矿水文物探技术与应用[M]. 徐州: 中国矿业大学出版社, 2005.