煤礦多含水層富水性變化規律瞬變電磁法動態監測技術*

杜 林,易萬億

(陜西麟北煤業開發有限責任公司,陜西 寶雞 721599)

0 引言

據《中國礦產資源報告(2022)》顯示,中國2021年一次能源生產總量為 43.3億t標準煤,比上年增長6.2%,能源生產結構中煤炭占67.7%,能源消費總量為52.4億t標準煤。雖然近年來能源消費結構在不斷改善,但2021年煤炭消費占一次性能源消費的比重仍然為56.0%[1]。由此可見未來很長一段時間內,煤炭仍然是中國能源消費的主力軍。

煤礦安全生產形勢近年來持續穩定好轉,但煤礦事故時有發生,據不完全統計,與地質因素有關的各類事故占80%[2]。煤礦礦井突水災害是影響礦山安全的主要災害源之一,煤層開采過程中頂底板會發生變形、破斷并形成大量裂隙,頂板裂隙可形成離層,積水后形成離層水;底板裂隙發育時,隔水層從某一弱面破斷,含水層的水在水壓作用下沿破斷裂隙涌入采空區,或底板存在隱伏閉合小構造,采動效應影響下,原來不導水的隱伏構造及裂隙進一步發育形成導水通道,含水層的水沿該導水通道涌入采空區,從而發生工作面底板滯后突水事故[3-5]。

煤礦突水事故多數是由于采掘過程中打通隱伏含、導水構造或采掘擾動破壞隔水層所導致的,因此僅僅在采掘前的靜態水害隱患探查和治理工作是不夠的,還需要對采掘過程中煤層多含水層富水性變化及導水通道發育過程進行動態監測,才能真正意義上實現礦井突水災害的預防[6]。瞬變電磁法以其對低阻體敏感的特性,是目前在煤礦富水區探測方面應用最廣泛的物探方法[7-9]。以瞬變電磁法為監測手段,監測采動前后煤層多含水層富水性變化及導水通道的發育情況,以達到預測和預防礦井突水災害的目的。

1 研究區地質概況與地球物理特征

研究區內地層由老至新依次為:三疊系中統銅川組(T2t),侏羅系下統富縣組(J1f)、中統延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a),白堊系下統宜君組(K1y)、洛河組(K1l)、華池組(K1h),新近系(N)及第四系中上更新統(Q2+3)、全新統(Q4)。煤層位于延安組(J2y)頂部,其上部存在6個含水層(Q4、Q2+3、K1l、K1y、J2z、J2y)和2個隔水層(N、J2a)。通過收集、統計研究區內的鉆孔及測井資料,對地層(巖性)的物性特征進行全面對比分析,主要物性參數特征見表1。對比表1發現,各地層之間存在明顯的電性差異,具備瞬變電磁勘探的前提。

表1 研究區地質與地球物理特征一覽

2 瞬變電磁法

瞬變電磁法按照其源的不同可分為電性源瞬變電磁法和回線源瞬變電磁法,針對煤礦富水區的探測常用的瞬變電磁法為回線源瞬變電磁法。裝置類型為大回線源。對于大回線源瞬變電磁裝置,其主要采用的工作方式為地表發射地表接收模式。電磁場的計算是通過將水平電偶極源沿各邊進行線積分得到的。在水平層狀介質情況下,大回線源瞬變電磁磁場垂直分量的表達式為[10]

(1)

(2)

(3)

對于各邊dl分別以dx′或dy′代替,即可得到垂直磁場分量的表達式為

Hz=A+B+C+D

(4)

3 響應分析

為了驗證瞬變電磁法對低阻體(含水層)的反應情況,選取相同的裝置參數:發射回線200 m×200 m,發射電流10 A,選取(10,10)點作為觀測點。針對煤礦含水層的埋深不同的特性,特設立地電模型如下:設3層地電模型的電阻率分別為ρ1=100 Ω·m,ρ2=10 Ω·m,ρ3=100 Ω·m;低阻層厚度為h2=50 m,埋深分別為100 m、200 m和500 m。在其他參數相同的情況下,可利用公式(2)對均勻半空間和含有低阻層的地層進行垂直磁場分量的計算。如圖1(a)所示,隨著低阻層的加入,垂直磁場分量曲線出現高值隆起,且埋深越淺,高值隆起出現的時機越早,隆起的幅度越大。這就為瞬變電磁法預測煤礦富水區的變化提供了理論依據。

圖1 不同低阻模型瞬變電磁響應曲線及其探測精度對比曲線Fig.1 Comparison of transient electromagnetic response curve and its exploration precision with different low resistance model

為分析瞬變電磁法對低阻層(含水層)的分辨能力,可引入探測精度的概念。所謂分辨能力是指該裝置在目標層所產生的響應值超過背景值的水平。因此可通過定義相對誤差的大小來分析對低阻層分辨能力的高低,進而達到評估探測精度的目的[11]。

(5)

為了進一步分析瞬變電磁法在煤礦富水區變化規律應用中的可行性,同樣引入探測精度的概念,將所得的地電模型響應值按公式(3)進行計算后可得探測精度曲線如圖1(b)所示。從曲線中可以看出,埋深越淺的低阻層,所得的探測精度值越高,隨著埋藏深度的增加,探測精度隨之降低。當埋深與低阻層厚度之比就算到達10倍關系時,瞬變電磁法同樣有很好的探測能力。

4 施工裝置與參數選擇

為了獲得高質量的瞬變電磁數據,采用加拿大鳳凰公司(Phoenix Geophysics Ltd.)生產的V8型多功能電法工作站,由V8接收機、TXU-30發射機、電流實時記錄儀、GPS接收裝置和接收探頭組成,配套三相大功率交流發電機。TEM的裝置種類采用同點裝置的大定源內回線形式進行施測。

在保證實測曲線衰減正常,且探測的深度大于2號煤層埋藏深度的基礎上,經過參數試驗工作,最終確認施工參數為發射框邊長960 m、發射頻率2.5 Hz、供電電流24 A、采樣時間180 s。

5 采動前后含水層富水性變化情況

從地層縱向上看砂礫巖及砂巖在電性上呈高阻反映,但在同一順層平面,裂隙發育的巖層相對富水性好,視電阻率值低于裂隙不發育的圍巖,也就是高阻中的相對低阻異常。含水層富水性的解釋根據含水層底界面及2煤底板資料抽取相應高程的視電阻率數據,繪制平面切片圖件,以相應層位單位涌水量確定視電阻率劃分富水異常區視電阻率閥值,在此基礎上,結合含水層厚度、底界起伏、巖性及構造分布情況綜合解釋,劃分各主要含水層富水異常。

結合已有地質資料可知,勘探區由西向東,洛河組厚度及底界起伏沒有明顯的變化,如圖2所示。采動后勘探區西北部視電阻率較勘探前降低,東部區域視電阻率未出現明顯變化,分析認為隨著回采擾動,北部洛河組底界相對低洼區域接受南部水動態補給,富水性有所增強。

圖2 采動前后洛河組底部視電阻率等值線Fig.2 Isoline of apparent resistivity of Luohe group bottom before and after mining

由已有地質資料可知,勘探區由西向東,宜君組厚度沒有明顯的變化,由西北向東南,宜君組底界緩慢抬升,如圖3所示?；夭珊罂碧絽^西部視電阻率較采動前降低,分析為局部區域接受動態補給,富水性略微增強;XS-3和XS-4泄水孔附近視電阻率較采動前基本一致;勘探區東北角出現一處明顯低阻區,但基本位于工作面外側,分析為動態補給所致,未見明顯“空腔型”離層水的電性特征。

圖3 采動前后宜君組底部視電阻率等值線Fig.3 Isoline of apparent resistivity of Yijun group bottom before and after mining

根據已有地質資料及電法成果可知,安定組整體視電阻率值較采動前略微抬升,勘探區西北角出現一處明顯的低阻區,因地表有高壓線經過,分析為高壓線與局部富水性增強共同影響所致;XS-3號泄水孔附近視電阻率值明顯升高,且在泄水孔附近形成高阻閉合圈,分析為XS-3號泄水孔泄水所致。未發現“空腔型”離層水的電性特征,如圖4所示。

圖4 采動前后安定組底部視電阻率等值線Fig.4 Isoline of apparent resistivity of Anding group bottom before and after mining

通過已有地質資料及電法成果可知,直羅組由西向東厚度逐漸增大?？碧絽^安定組底界下70 m視電阻率整體明顯抬升,特別是XS-3泄水孔附近形成高阻閉合圈,分析由導水裂隙帶和XS-3泄水孔共同疏水所致,故未發現“空腔型”離層水的電性特征,如圖5所示。分析已有地質資料及電法成果可知,勘探區內延安組視電阻率值較采動前明顯抬升,分析為已回采區域沿冒落帶向下疏水所致,不存在“空腔型”離層水,如圖6所示。

圖5 采動前后直羅組底部視電阻率等值線Fig.5 Isoline of apparent resistivity of Zhiluo group bottom before and after mining

圖6 采動前后延安組底部視電阻率等值線Fig.6 Isoline of apparent resistivity of Yan’an group bottom before and after mining

由圖2～6可知,煤層頂板上覆含水層視電阻率值整體抬升,分析為導水裂隙帶及泄水孔共同疏水所致;XS-2和XS-3號泄水孔附近視電阻率值抬升明顯,分析為XS-2號XS-3號泄水孔疏放水所致。XS-3號泄水孔在電性上南北影響半徑40～80 m,東西影響半徑40～120 m。

6 結論

(1)通過構建地電模型,對大定源回線裝置垂直磁場分量進行正演計算,模擬分析不同地電條件下瞬變電磁場響應曲線的衰減特征,對其分辨能力進行探討,確定瞬變電磁法在煤礦多含水層富水性變化規律探測中的可行性。

(2)通過對研究區煤層采動前后延安組、直羅組、安定組、宜君組以及洛河組電阻率等值線平面圖的對比分析,發現煤層采動對煤層頂板多含水層富水性的變化具有顯著影響,因此僅在開采前對煤礦多含水層富水性進行靜態探測是不夠的。

(3)通過對煤礦頂板多含水層富水性的變化規律的動態監測,可以在一定程度上對地面直通式泄水孔的影響范圍進行評價。