煤层采空区“三相”的激发极化特征_杨阳.pdf

第 46 卷 第 6 期煤田地质与勘探Vol. 46 No.6 2018 年 12 月COALGEOLOGY 2. Shanxi Coal Geological Geophysical Exploration Surveying and Mapping Institute, Jinzhong 030600, China Abstract Induced polarizationIP can obtain different response characteristics in detecting coal goafs, goaf water accumulation areas, fissure water areas etc, has a good distinguishing effect. Predecessors have conducted a lot of research on the detection mechanism of IP, but most of them are analyzed from the physical- electrical characteristics of the itself. By combining the physical-electrical characteristics of IP with the theory of soil mechanics, a theoretical analysis of the different characteristics of the IP to detect coal goaf wateretc from the “three-phases” was carried out. Experiments of the relationship between relevant parameters of “three- phases” saturation, porosity and the IP characteristics apparent resistivity, polarizability were conducted. The theoretical analysis and experimental results show that the IP characteristics of coal goaf are of “high resistivity, low polarizability”, the goaf water accumulation areas appears as “low resistivity, medium-high polarizability”, and the fissure water areas appears as “low resistivity, high polarizability”; the IP characteristics of coal goaf water are closely related to the changes of saturation and porosity. An engineering example of a coal mine in Shanxi Jincheng verified the theoretical analysis results. Keywords three-phases; induced polarization; coal goaf; goaf water accumulation; fissure water 煤矿生产过程中，会出现煤层采空、采空积水、 煤层或顶底板岩层裂隙富水等不利因素，严重影响 了煤矿的安全生产，并引起当地地质环境恶化、地 面塌陷、耕地破坏、地下水位下降等灾害。对这些 不利因素进行勘查，对煤矿的安全生产具有重要的 意义[1]。 激发极化法Induced Polarization，简称 IP是一 种有效的勘查技术手段[2]。本文尝试将该方法的物理 –电学特性与土力学理论相结合，从煤层的“三相”即 固体、 液体、 气体角度， 将理论分析及实验方法结合， ChaoXing 第 6 期杨阳等 煤层采空区“三相”的激发极化特征175 对激发极化法探测煤层采空积水等情况的不同特征 及其产生的原因进行了探讨。 在山西晋城某煤矿实施 瞬变电磁探测成果的基础上， 采用激发极化法进行了 探测， 取得了煤层采空积水等不同情况下的激发极化 特征，有效区分了煤层采空、采空积水、裂隙富水， 验证了理论分析及实验结论。 通过理论分析及工程实 例， 从“三相”角度解释了激发极化法探测煤层采空积 水等情况下产生不同特征的原因。 1激发极化法原理简介 激发极化法，是利用人工电场作用下，地下地质 体产生不同的物理、电化学反映差异，对这种差异进 行探测的一种电法勘探方法。在要探测的地区，接入 供电电极 A、B，供电电极 A、B 向地下施加恒定直流 电流 I0，在地下形成电场，处于电场内的地质体产生 一系列复杂的电化学作用而被极化，地质体两端可以 量测到电位差ΔU1称为一次场电位差；一段时间后， 将供电电路断开，地下地质体两端的电位差在瞬间下 降到某一数值ΔU2称为二次场电位差后随着时间缓 慢衰减。这种现象是由被极化了的地质体放电而产生 的，称为“激发极化效应”。地质体中能够自由移动的 电子、离子越多，激发极化效应越明显[3]。 图 1激发极化效应示意图 Fig.1Schematic diagram of IP 在这个过程中，供电电流持续一段时间后，地 质体两端的电位差ΔU 既包括一次场电位差ΔU1，又 包括由地质体的激发极化特性而产生的二次场电位 差ΔU2，此时地质体中的电场称为极化场。将二次 电位差ΔU2与总电位差ΔU 的比值定义为极化率η ηΔU2/ΔU100[4-5]。 2从“三相”角度对激发极化特征的探讨 土力学中，重点研究的对象是“土”，可以将煤 层视为一种特殊的“土”。根据这一前提，笔者尝试 从土力学中“三相”的角度，对激发极化法探测煤层 采空积水等情况的不同特征及其产生的原因进行 探讨。 2.1煤层的“三相”组成 根据土力学中的理论，将煤层视为“三相体系”， 即固体、液体和气体这三相图 2 为理想状态下“三相” 模型示意图，m 为各相质量，V 为各相体积。固体部 分solid，下标时用 s 表示构成煤层及顶底板岩层的骨 架， 其间布满相互贯通的孔隙void， 下标时用 v 表示。 这些孔隙有时完全被水water，下标时用 w 表示充满， 称为“饱和”， 水和溶解于水中的物质构成液体部分； 孔 隙有时只有一部分被水占据， 称为“非饱和”， 孔隙的另 一部分被空气air，下标时用 a 表示占据；孔隙中也有 可能完全充满空气，孔隙中的空气构成气体部分。固 体、液体、气体这三相组成成分的性质，以及它们之 间的比例关系， 决定了煤层等岩层的物理、 化学性质[6]。 图 2“三相”模型示意图 Fig.2Schematic diagram of the “three-phases” model 2.2煤层“三相”的激发极化特征比较 2.2.1“三相”的激发极化特征 煤层采空积水、煤层或顶底板岩层裂隙水中， 一般含有较多矿化物离子，使“液体”这一相与其他 两相相比具有较高的导电性、较低的电阻率；另一 方面，在“液体”中，存在由较多的能够自由移动的 矿化物离子，在外加电场的影响下，这些离子形成 较为稳定的定向排列，产生较大的二次电位差ΔU2， 更容易产生激发极化效应，使“液体”这一相具有较 高的极化率，即“低电阻率，高极化率”。 煤层孔隙中充满空气，而空气的电阻率可以视 为无穷大，且空气中也不存在导电离子，因此空气 也不会被极化，可以认为三相中的“气体”这一相， 其电阻率相当大，远高于其他两相；而极化率几乎 为 0，远低于其他两相，即“高电阻率，低极化率”。 从煤的组成成分来看，虽然不同成分的煤质物 理性质存在很大差异， 但是煤质作为“固体”这一相， 其化学成分被认为是由脂肪侧链的大芳香环和稠环 组成， 存在于能够自由移动的离子远少于“液体”中， 导致其导电性较差，在外加电场作用下也难以形成 二次电位差ΔU2，相对于“液体”而言，煤的“固体” ChaoXing 176煤田地质与勘探第 46 卷 具有较高的视电阻率和较低的极化率；同时，相对 于“气体”而言，又具有较低的视电阻率和较高的极 化率。总体来说，煤的“固体”激发极化特征为“中– 高电阻率，中–低极化率” [7-8]。 2.2.2煤层裂隙富水等情况下的“三相”模型 a. 裂隙富水区模型 煤层一般都表现为层状的分布特征，在未采动 的完整情况下，煤层中天然存在的“孔隙”较少，即 孔隙率 n孔隙率 n 是指孔隙体积与“三相”总体体积 之比，即 nVv/V较低图 3，煤层在横向上电性特 征相对连续。如果煤层的局部区域存在裂隙富水或 顶底板岩层裂隙富水时，即煤层或顶底板岩层的裂 隙较为发育且存在裂隙中充水程度较高，从“三相” 角度可以视为“孔隙”中的大部分被“液体”占据，形 成较高的饱和度 Sr饱和度 Sr是指液体体积与孔隙 体积之比，即 SrVw/Vv，但饱和度 Sr一般不会达到 100，如图 3 所示。在这种情况下，由于煤层或顶 底板岩层裂隙发育，裂隙中的水分相互连通，水中 导电的矿化物离子能够自由移动，形成较低的视电 阻率；同时，裂隙富水与周围煤层形成薄膜极化单 元，使极化增强，形成较高的极化率[9-11]。 图 3裂隙富水区“三相”示意图 Fig.3Schematic diagram of the “three phases” in fissure water areas b. 采空区及采空积水区模型 煤层因开采而形成采空区后，破坏了原有的应 力平衡状态， 使得采空区及其上部地层的地质特征、 空间特征发生了显著变化。采空区形成后，在原煤 层位置形成较大的空洞，引起上覆岩层的垮落和变 形，形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带图 4。由于 “三带”中岩性疏松，发育有大量裂隙，这些裂隙随 着应力增强而向四周扩散，以致形成较大破裂。因 此，与原煤层相比，采空区具有较大的孔隙率 n[12]。 当采空区不充水或充水性较弱时，可以认为煤 层“孔隙”中的“液体”较少，即饱和度 Sr较小，此时 1冒落带；2裂隙带；3弯曲下沉带 图 4采空区“三带”示意图 Fig.4Schematic diagram of the “three zones” in coal goaf 水中及煤质中能够自由移动的离子很少，且破坏了 煤层电性特征的连续性，因而具有较高的视电阻率 特征；在外加电场作用下，也难以形成激发极化效 应，具有较低的极化率特征图 5a。 当采空区充水性较强时，可以认为煤层“孔隙” 中的“液体”较多，即饱和度 Sr较高，由于采空积水 中存在的能够自由移动的离子较多，因而具有较低 的视电阻率特征；在外加电场作用下，可以形成较 强的激发极化效应， 具有较高的极化率特征图 5b。 图 5采空区“三相”示意图 Fig.5Schematic diagram of the “three phases” in goaf ChaoXing 第 6 期杨阳等 煤层采空区“三相”的激发极化特征177 2.2.3“三相”的不同比例关系对激发极化特征的影 响实验 实际情况下，煤层作为“三相”的组合，其激发 极化特征除了受到各相特征的影响外，更多的是由 煤层中“三相”中各相的体积比决定的。为模拟煤层 采空、采空积水、煤层或顶底板岩层裂隙富水情况 下“三相”的不同比例关系对激发极化特征的影响， 采用山西晋城地区 3 号煤层中的无烟煤作为固体骨 架，按照表 1 所示的参数进行实验[13-15]。 表 1实验参数统计表 Table 1Statistical table of experiment parameters 参数数值 孔隙率 n/ 1035 充电电流 I/Am-2 1 温度 T/℃ 25 饱和度 Sr/ 0100 阳离子交换 Qv/molL-1 0.1 溶液浓度 c0/molL-1 0.034 溶液性质NaCl a. 饱和度 Sr的影响 取较大的孔隙率值孔隙率 n35，其他参数 如表 1 所示。根据实验分析，如图 6 所示，当饱和 度 Sr0 时，煤层视电阻率ρτ最大、极化率η最小；随 着饱和度 Sr的增加，视电阻率ρτ逐渐减小、极化率η 逐渐增大，且变化速率逐渐降低；当饱和度 Sr达到 约为 85时，视电阻率ρτ达到最小值，极化率η达到 最大值，将饱和度 Sr85视为最佳饱和度；饱和度 Sr超过 85后，视电阻率ρτ又开始逐渐增大、极化 率η逐渐减小。 可以得出结论 当孔隙率 n35时视为孔隙率 n 较大的情况，达到最佳饱和度前，随着饱和度 Sr 的增大，煤层视电阻率ρτ逐渐减小、极化率η逐渐增 大；达到最佳饱和度时，视电阻率ρτ最小、极化率η 最大；超过最佳饱和度后，随着饱和度 Sr的增大， 煤层视电阻率ρτ逐渐增大、极化率η逐渐减小；最佳 饱和度一般较大接近而未达到 100，本实验中约 为 85[16]。 b. 孔隙率 n 的影响 取较大的饱和度值饱和度 Sr80、其他参数 如表 1 所示。根据实验分析，如图 7 所示，当孔隙 率 n10时，煤层视电阻率ρτ最小、极化率η最大； 随着孔隙率 n 的增加，视电阻率ρτ缓慢增大、极化 率η逐渐减小。 可以得出结论当饱和度 Sr80时视为饱和 度 Sr较大的情况，随着孔隙率 n 的增大，煤层视电 图 6饱和度 Sr与视电阻率ρτ、极化率η关系图 Fig.6Diagram of relationship among saturation, apparent resistivity and polarizability 阻率ρτ逐渐增大，且均小于 50 Ωm，基本表现为低 阻；极化率η逐渐降低；视电阻率ρτ、极化率η随着 孔隙率 n 变化的速率表现为线性。 3工程实例 3.1工程概况 为了验证激发极化法对煤层采空、采空积水、 裂隙富水等不同情况的勘探效果，在山西省阳城县 某煤矿已完成的瞬变电磁勘探的成果基础上，在异 常区选取 3 个点位进行激发极化法勘探，勘探目的 层为 3 号煤层。 勘探区位于沁水煤田晋城煤炭国家规划矿区南 部，区内地层由老到新依次为第四系中、上更新 统Q23、二叠系上统上石盒子组P2s、二叠系下统 下石盒子组P1x、二叠系下统山西组P1s、石炭– 二叠系太原组C2–P1t、石炭系上统本溪组C2b、奥 陶系中统峰峰组O2f。其中，3 号煤位于二叠系下统 山西组下部，煤层厚度 5.686.59 m，平均厚 6.17 m， 煤层顶板岩性为灰色细粒砂岩、泥岩互层，底板为 泥岩、砂质泥岩、粉砂岩。 ChaoXing 178煤田地质与勘探第 46 卷 图 7孔隙率 n 与视电阻率ρτ、极化率η关系图 Fig.7Diagram of the relationship among porosity, apparent resistivity and polarizability 如图 8 所示，前期已在勘探区内进行了瞬变电 磁探测，根据瞬变电磁勘探得出的 3 号煤层视电阻 率特征，圈定了 3 处低阻异常区瞬变电磁勘探视电 阻率值小于 48 Ωm 的区域， 蓝色范围， 1 处高阻异 常区瞬变电磁勘探视电阻率值大于72 Ωm的区域， 品红色范围。结合搜集到的煤矿采掘情况可知，低 阻异常区 1、低阻异常区 2 位于 20022003 年形成 的采空区内，这一部分采空区积水较多；低阻异常 区 3位于巷道已贯通而未开始开采的 3107工作面西 侧；高阻异常区 1 位于 2016 年采掘形成的 3102、 3103 工作面附近。在瞬变电磁勘探的这些异常区范 围内，共布置了 3 个激发极化测点。 3.2验证情况 IP 测点 1 位于 TEM 低阻异常区 2 范围内。如 图 9 所示，该点视电阻率曲线为 KH 型，曲线前部 个别点视电阻率相对较低，随后达到相对较大值， 显示为第四系地层；随后视电阻率快速下降，显示 为二叠系地层，在 3 号煤层附近达到相对较小值约 为 45 Ωm， 反映为“低电阻率”特征； 进入石炭系后， 视电阻率开始增大，曲线斜率也增大。视极化率曲 图 8工程布置图 Fig.8Engineering layout ChaoXing 第 6 期杨阳等 煤层采空区“三相”的激发极化特征179 图 9IP 测点 1 激发极化曲线图 Fig.9IP plot of measure point 1 线，前部数值较低，进入二叠系地层后开始缓慢上 升，在 3 号煤层附近达到相对较大值约为 1.59， 反映为“中–高极化率”特征。 激发极化特征在 3 号煤 层附近反映为“低电阻率、中–高极化率”，推断在该 测点附近 3 号煤层的采空区积水性较强，与井下揭 露情况相符合。 IP 测点 2 位于 TEM 低阻异常区 3 范围内。从 图 10 可以看出，该点视电阻率曲线为 QH 型，曲线 前部视电阻率较高，显示为第四系地层；进入二叠 系后，视电阻率缓慢下降，在 3 号煤层附近达到极 小值约为 52 Ωm，反映为“低电阻率”特征；进入 石炭系后，视电阻率开始上升，曲线斜率也增大。 视极化率曲线，前部数值较低，随后趋于平缓并逐 渐上升，进入二叠系地层后达到相对较大值，3 号 煤层附近视极化率约为 1.88，与 IP 测点 1 相比极 化率更高，反映为“高极化率”特征。激发极化特征 图 10IP 测点 2 激发极化曲线图 Fig.10IP plot of measure point 2 在 3 号煤层附近反映为“低电阻率、高极化率”，推 断在该测点附近 3 号煤层裂隙或顶板砂岩的富水性 较强。 在 3107 工作面西侧巷道掘进及切眼贯通过程 中，发现巷道侧壁、顶板大量淋水，验证了该点的 激发极化的勘探情况。 IP 测点 3 位于 TEM 高阻异常区 1 范围内。从 图 11 可以看出，该点视电阻率曲线类型近似为 KH 型，曲线前部视电阻率相对较高，显示第四系地层； 进入二叠系后电阻率缓慢下降并趋于平缓，3 号煤 层附近视电阻率值约为 88 Ωm，与另外 2 个 IP 点 相比反应为“高电阻率”特征；曲线后部视电阻率缓 慢增大，到尾部达到极大值。视极化率曲线也较为 平缓，无明显较大、较小值，3 号煤层附近视极化 率约为 0.737，与另外 2 个 IP 点相比反应为“低极 化率”特征。在 3 号煤层附近，视电阻率、视极化率 均无极高、极低值，但视电阻率相对偏高而视极化 率相对偏低，因此推测该测点在 3 号煤层附近的富 水性较弱。 图 11IP 测点 3 激发极化曲线图 Fig.11IP plot of measure point 3 4结 论 a. 煤层采空区、采空积水区、裂隙富水等情况 下，会产生不同的激发极化特征。激发极化特性随 着“三相”的比例变化而产生较大差异，且受到饱和 度 Sr、孔隙率 n 等参数的控制。孔隙率 n 一定时， 随着饱和度 Sr的增大，煤层视电阻率ρτ逐渐减小、 极化率η逐渐增大；达到最佳饱和度约为 85时， 视电阻率ρτ最小、 极化率η最大； 超过最佳饱和度后， 煤层视电阻率ρτ逐渐增大、极化率η逐渐减小。饱和 度 Sr一定时，随着孔隙率 n 的增大，视电阻率ρτ逐 渐增大，极化率η逐渐降低。 b. “三相”中，“液体”这一相对于视电阻率值ρτ、 极化率值η的影响，大于其他两相。“液体”这一相的 ChaoXing 180煤田地质与勘探第 46 卷 比例即饱和度 SrVw/Vv较大时，视电阻率ρτ较低、 极化率η较高。 c. 通过理论及工程实例，说明利用激发极化法 对煤层采空区、采空积水区、裂隙富水等情况进行 探测，可以取得不同的响应特征，对煤层采空积水 等情况具有较为理想的区分效果。煤层采空区表现 为“高电阻率、低极化率”的激发极化特征，采空积 水区表现为 “低电阻率、中–高极化率”，裂隙富水 区表现为“低电阻率、高极化率”。 参考文献 [1] 温建亮， 张胤彬. 综合电法勘探在山西东南部煤田采空积水区 中的应用[J]. 中国煤炭地质，2017，29273–75. WEN Jianliang ， ZHANG Yinbin. Application of integrated electrical prospecting in coal mine goafs in southeast of Shanxi Province[J]. Coal Geology of China，2017，29273–75. [2] 薄慧强. 直流电极化测深在采空积水区测定中的应用[J]. 煤 炭与化工，2016，396118–120. BOHuiqiang. ApplicationofDirectCurrentPolarization Sounding in goaf water areas[J]. Coal and Chemical Industry， 2016，396118–120. [3] 张有旺. 直流电极化测深在采空积水量计算中的应用[J]. 西 部探矿工程，2016，2812150–152. ZHANG Youwang. Application of Direct Current Polarization Sounding in calculation of accumulated goaf water areas[J]. West-China Exploration Engineering，2016，2812150–152. [4] 李金铭. 地电场与电法勘探[M]. 北京地质出版社，2005. [5] 傅良魁. 激发极化法[M]. 北京地质出版社，1982. [6] 李广信，张丙印，张建红. 土力学第 2 版[M]. 北京清华大 学出版社，2013. [7] 翟建山，康静文，张子虎，等. 用激发极化法探测煤层采空区 积水[J]. 山西矿业学院学报，1997，153241–247. ZHAI Jianshan， KANG Jingwen， ZHANG Zihu， et al. Detecting water in the goaf of coal seam with Induced Polarization [J]. Shanxi Mining Institute Learned Journal，1997， 153241–247. [8] 李睿. 煤炭勘查中岩土参数的统计分析[J]. 煤田地质与勘探， 2016，445117–121. LI Rui. Statistical analysis of geotechnical parameters in coal exploration[J]. Coal Geology Exploration，2016，445 117–121. [9] 杨春燕. 激发极化法在地下水资源勘探中的应用[J]. 曲靖师 范学院学报，2010，29353–55. YANG Chunyan. Application of induced polarization in groundwater resource exploration[J]. Journal of Qujing Normal University，2010，29353–55. [10] 孟建春，池海. 激发极化法在呼市草原水源勘探中的应用[J]. 中国煤田地质，2006262–63. MENG Jianchun，CHI Hai. Application of induced polarization in Hulun Buir steppe water source exploration[J]. Coal Geology of China，2006262–63. [11] 关建武. 激发极化法找水实践[J]. 地下水， 2006， 285 73–74. GUAN Jianwu. Induced polarization for finding water[J]. Groundwater，2006，28573–74. [12] 郄卫东. 瞬变电磁法在探测煤矿采空区及塌陷区中的应用[J]. 物探与化探，2012，36增刊 192–95. QIE Weidong. The application of Transient Electromagnetic to the detection of coal mine goaf and collapse areas[J]. Geophysical and Geochemical Exploration，2012， 36S192–95. [13] 王谦. 含水泥质砂岩激发极化效应的微观机理及数值模拟研 究[D]. 东营中国石油大学华东，2010. [14] 关继腾，于华，王谦，等. 储层岩石时间域激发极化效应的数 学模拟[J]. 计算物理，2012，293354–360. GUAN Jiteng，YU Hua，WANG Qian，et al. Mathematical simulation on induced polarization of reservoir rock in time domain[J]. Chinese Journal of Computational Physics，2012， 293354–360. [15] 王谦， 关继腾， 房文静. 泥质砂岩激发极化弛豫时间谱微观机 理[J]. 煤田地质与勘探，2010，38361–65. WANG Qian，GUAN Jiteng，FANG Wenjing. The microscopic mechanisms of induced polarization relaxation time spectra in shaly sandstone[J]. Coal Geology Exploration，2010，383 61–65. [16] 蒋宇冰. 岩石激发极化现象的实验研究及理论分析[D]. 东 营中国石油大学华东，2007. 责任编辑 聂爱兰 ChaoXing