典型地质异常体电磁法响应特征研究_牟义.pdf

地地质质与与勘勘测测 典型地质异常体电磁法响应特征研究 牟义1， 2， 3 1. 煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013; 2. 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室 煤炭科学研究总院 ，北京 100013; 3. 山西晋煤集团技术研究院有限责任公司 物探工程分公司，山西 晋城 048006 ［ 摘 要］为了精确预测煤矿构造、采空区及含水体等地质异常体，采用矿井瞬变电磁法在晋 城矿区井下进行了大量试验研究，通过收集构造、采空区等典型地质异常体验证案例，分析电磁场响 应多参数曲线，识别不同地质异常体的电磁场响应特性，形成各类便于分辨的可视化图件，来解释矿 井构造、采空区及含水体等地质异常体分布范围及特性，达到精细化探测目的。结果表明 整体电位 值相对较低，视电阻率值相对较高，且电位和视电阻率曲线出现跳跃起伏，这是识别不含水构造或采 空区的典型电性特征; 整体电位值相对较高，视电阻率值相对较低，电位和视电阻率曲线较为圆滑衰 减，反演深度较正常岩层深度要浅，则是含水构造或采空区积水的典型电性特征。 ［ 关键词］瞬变电磁法; 电位曲线; 视电阻率曲线; 采空区; 断层; 陷落柱 ［ 中图分类号］ TD175［ 文献标识码］ A［ 文章编号］ 1006- 6225 201704- 0004- 06 Study of Electromagnetic Response Characteristics of Typical Geological Anomalous Body MU Yi1， 2， 3 1. Safety Institute，Coal Science and Technology Research Institute Co. ，Ltd，Beijing 100013，China; 2. Coal Resource High Efficient Mining ＆ Clean Utilization State Key Laboratory China Coal Research Institute ，Beijing 100013，China; 3. Geophysical Exploration Engineering Branch，Shanxi Jinmei Group Technology Research Institute Co. ，Ltd，Jincheng 048006，China Abstract In order to precisely prediction geological anomalous bodies ，such as coal mine tectonics，goaf and water body，a large a- mount of experiments studying with transient electromagnetic was done in Jincheng coal mine district，some typical geological anomalous body cases were collected，which include tectonics，goaf and so on，many electromagnetic filed parameters response curve was analyzed，the electromagnetic response characters of different geological anomalous body were identified，then some easily distin- guished visual pictures were ed，the distribution scope and characters of some geological anomalous bodies of mine structures， goaf and water body could be explained，the precisely prediction could be reached. The results showed that the integral potential was low relatively，apparent resistivity was high relatively，fluctuation change appeared in potential and apparent resistivity curves，it’s a typical character of structures without water and goaf，integral potential was high relatively，apparent resistivity was low relatively， smoothing attenuation appeared in potential and apparent resistivity curves，the inversion depth was more deeper than normal rock stra- ta was typical character of structure with body and goaf water. Key words transient electromagnetic ; potential curve; apparent resistivity curve; goaf; fault; collapse pillar ［ 收稿日期］ 2017－03－20［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11－3677/td. 2017. 04. 002 ［ 基金项目］ 国家科技重大专项资助项目 2016ZX05045001－004 ; 国家自然科学基金 51404139 ［ 作者简介］ 牟义 1983－ ，男，山东日照人，硕士，副研究员，从事地球物理方法技术研究与应用工作。 ［ 引用格式］ 牟义 . 典型地质异常体电磁法响应特征研究 ［J］． 煤矿开采，2017，22 4 4－9. 矿井瞬变电磁法将地面半空间瞬变电磁法引入 到地下，形成全空间瞬变电磁法，地面大功率发电 机改进为井下小型锂电池，地面大型大定源回线或 中心回线改为井下小型多匝偶极装置或重叠回线， 相较于地面，矿井瞬变电磁法具有设备轻便灵活、 施工效率高、距离目标探测区域更近、探测视角更 广、方向性更强等优点，逐步成为矿井探测水害的 主要手段 ［1 ］。全空间矿井瞬变电磁法由于受铁器、 电力、水力等井下复杂干扰条件影响，容易造成视 电阻率显现异常，形成 “假地质异常” ，而不同的 断层 含水、不含水 、陷落柱 含水、不含水 、 采空区 含水、不含水都有独特的电场响应特 征，通过对比识别相应的地质异常特征，剔除 “假地质异常” ，从而提高探测精度。本文通过对 瞬变电磁法的电场特征的分析，结合探测实例，总 结不同地质异常体探测应用效果，为今后矿井瞬变 电磁法精细探测提供借鉴。 1矿井瞬变电磁法方法与技术 矿井瞬变电磁法又称为时间域瞬变电磁法，根 4 第 22 卷 第 4 期 总第 137 期 2017 年 8 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 22No. 4 Series No. 137 August2017 ChaoXing 据各类矿井探测区域的物性参数 电阻率、电导 率 等的不同，采用矿井瞬变电磁仪向地下岩体 发射脉冲电磁场，并观测其感应形成的二次场的变 化特征及规律，达到查明地下隐蔽灾害的一种全空 间电法勘探手段，从而保证矿井的安全生产 ［2 ］。 矿井瞬变电磁法由于巷道空间的局限，不能像 地面瞬变电磁法一样按照直角坐标系布置测线，均 按照极坐标系布置环形测线。超前探测一般设计纵 向和横向半圆型测线剖面，实现全空间立体探测， 每条测线剖面设计不同的测点极坐标角度，一般为 15或 30，通过顺着巷道空间或垂直巷道空间布 置不同的测线剖面，达到巷道掘进工作面前方顶底 板、左右帮全覆盖探测。瞬变电磁法探测方向及角 度示意，如图 1 所示。 图 1瞬变电磁法探测方向及角度示意 2构造电性响应特征研究 断层、陷落柱、溶洞、破碎带等构造显现的电 场规律取决于构造的发育规模、尺寸及富水性等。 当构造发育规模越大或电阻率与两侧岩层电阻率差 异明显时，表现为高阻体或低阻体，破碎带越宽， 越破碎，电阻率相对正常岩层差别越大; 当构造体 中存在含水体，富水性越强，电阻率越低，如果存 在岩脉的话，形成良好的隔水层，且岩脉比正常煤 岩层阻值要高，所以一般呈现高电阻率值。 2. 1不含水构造 以晋煤集团某矿 15 煤典型超前探测不含水构 造结果为例，图 2 为多电场参数响应曲线，分别选 取了 3 个典型数据点 虚线角度为 180，圈状线 角度为 75，直线角度为 45进行多电场参数响 应特征分析。 图 2典型不含水构造电场响应曲线 从图 2 中可以看出，在 2ms 之前，图 2 a 和图 2 b曲线 3 个数据点几乎重合，说明该段 位于探测的一次场响应曲线，不能反映地层电场特 征。在 2～40ms 之间，图 2 a和图 2 b曲线 出现了明显的偏离，3 条线近于平行，其中虚线电 位值明显相对偏大，视电阻率值相对偏低，且衰减 较为圆滑; 直线相对居中，衰减较为圆滑; 圈状线 电位值相对偏低，视电阻率值相对偏高，且衰减过 程中出现两处较大起伏。将该时间段测点进行时深 转化形成视电阻率－深度曲线 图 2 c ，转换 后深度为 20～120m 左右，反映更明显，圈状线最 大视电阻率值达到 1000Ωm 以上，且有 2 处起 伏，为高电阻率异常;直线视电阻率值位于 100～ 1000Ωm 之间，为正常岩层阻值;虚线视电阻率 值最低，整体位于 100Ωm 以下，为低电阻率异 常，该段区域真实反映出明显地层或构造电性信息 5 牟义 典型地质异常体电磁法响应特征研究2017 年第 4 期 ChaoXing 差异。在 40ms 之后，图 2 a和图 2 b曲线 发生剧烈变化，发生明显交叉跳跃变化，无明显规 律可循，说明该段受其他电磁场干扰影响，不能真 实反映地层的地电信息。 将 2～40ms 之间该方向的所有角度数据进行时 深转换成图，可以更直观地看出不同角度电场特性 差异。在图 3 视电阻率断面图中，发现在深色的高 阻异常 1 附近出现了明显闭合双圈状高阻异常区 域，且整体阻值较两侧区域偏高，推断此处存在至 少 2 处不含水构造;浅色的低电阻率异常出现 2 处，低阻异常 1 和低阻异常 2，整体相对阻值偏 低，且靠近巷道两帮，对称分布，考虑到现场两帮 为锚网，推断 2 处低电阻率异常为锚网干扰影响; 而正常岩层在图中表现为介于深浅色中间色区域。 在图 4 视电阻率线框图中也可以立体直观地看到中 间高阻隆起部分，与两侧低阻区域形成鲜明电性差 异对比。经过矿方掘进验证，图 3 高阻异常 1 前方 闭合圈揭露不含水陷落柱，后方闭合圈揭露为不含 水断层。 图 3视电阻率拟断面 图 4视电阻率线框 2. 2含水构造 以晋煤集团某矿 3 煤典型超前探测含水构造为 例，图 5 为典型测点视电阻率－深度曲线 虚线角 度为 90，实线角度为 105 ，进行电场响应特征 分析，从图中可以看出，在 15～120m 区段为真实 岩层反映的视电阻率衰减情况，2 条曲线近于平 行，且距离较远，实线视电阻率值相对正常，平均 视电阻率值在 60Ωm 左右，深度可达 120m;虚 线视电阻率值相对偏低，曲线衰减较为圆滑，平均 视电阻率值位于 30Ωm 左右，且探测深度较小， 仅为 70m 左右，为低电阻率异常。 图 5典型测点视电阻率－深度曲线 在图 6 所有测点反演形成的视电阻率断面图 中，浅色的低电阻率异常分布范围较大，位于整个 探测区域的右侧，形成闭合圈状低电阻率异常，整 体视电阻率值相对偏低，左右不对称，且现场没有 明显铁器等干扰体，结合地质资料及现场情况分 析，推测低阻异常 1 为构造裂隙水，而深浅色中间 色代表正常岩层，在图中位于左侧，视电阻率等值 线均匀衰减。在图 7 视电阻率线框图中也可以立体 直观地看到右侧低阻凹陷部分，与左侧正常煤岩体 形成鲜明电性差异对比。通过矿方进行打钻验证， 在异常区位置打钻出水，水压最高达 1. 5MPa，最 高水量 8. 2m3/h，后经过水质化验和钻孔透视分 析，含水体主要为砂岩含水体通过陷落柱形成的构 造水 图 8 。 图 6视电阻率拟断面 图 7视电阻率曲面 3采空区电性响应特征研究 晋城矿区大部分矿井不带压开采，受承压水作 用影响较小，因此对岩体电性特征影响较小，主要 6 总第 137 期煤矿开采2017 年第 4 期 ChaoXing 图 8顺层视电阻率叠加 受上覆裂隙带水体影响，晋城矿区第四系、K8砂 岩层、K6灰岩层、K3灰岩层是富水性比较强的几 个岩层，在开采 3，9，15 煤层过程中，一旦 “上 三带”发育，特别是导水裂缝带波及这些含水层， 采空区导通富水甚至充满水，其视电阻率急剧下 降，表现为低电阻率异常特征，而部分小煤窑采空 区顶板未破坏或未波及含水层，形成密闭空间，呈 现比正常煤岩层急剧升高的视电阻率值，表现为高 电阻率异常。 3. 1含水采空区 以山西晋煤集团某煤矿 3 煤已掘巷道外侧帮探 测采空区及积水情况为例，设计矿井瞬变电磁法探 测测线 3 条，测线长 310m，点距为 10m，每条测 线布置测点 32 个，探测方向分别为顶板 45方向、 顺层 0方向、底板 45方向 如图 9 所示 。图 10 为顺层测线的电位－时间曲线，在 2～100ms 之间， 为测得的二次场电位衰减曲线，曲线衰减较为圆 滑，尾支没有明显跳点，说明现场没有明显铁器等 干扰源，且所有曲线近于平行，但出现了明显偏 离，形成了两束分离明显的线束 1－15 号点实线 线束和 16－32 号点虚线线束，虚线束相对电位值 明显偏大，整体位于实线束上方，将该测线所有测 点进行时深转化形成视电阻率－深度曲线 图 11 ， 转换后深度为 20 ～ 130m 左右，差异反映更明显， 虚线束和实线束之间没有交叉重合，虚线束视电阻 率值相对较低，整体平均位于 4. 5Ωm 左右，为 明显相对低电阻率异常，实线束视电阻率值整体平 均位于 10Ωm 左右，为相对正常煤岩体视电阻率 值。 在图 12 顺层测线视电阻率断面图中，浅色的 低电阻率异常分布范围较大，位于 16－32 号测点 之间 距离为 150～320m ，形成成片的低电阻率 异常，整体视电阻率值相对偏低，左右不对称，与 深浅色中间色的 1－15 号测点 距离为 0 ～ 150m 之间区域视电阻率值差异较大，且现场没有明显铁 器等干扰体，根据矿方提供的资料，推断低阻异常 图 9巷道测线布置 图 10顺层电位－时间曲线 图 11顺层视电阻率－深度曲线 1 为 3 煤采空区及上覆裂缝带水，为强富水区。在 图 13 视电阻率曲面图中，也可以立体直观地看到 右侧浅色低阻凹陷部分，与左侧深浅色中间色正常 煤岩体形成鲜明电性差异对比。后经矿方打钻，验 证为原小煤窑 3 煤采空区，且打钻出水量较大，共 计放水 8105m3。 图 12顺层 0方向视电阻率探测结果 3. 2复杂采空区 以晋煤集团某矿 3 煤典型超前探测复杂采空区 为例，图 14 为多电场参数响应曲线，分别选取了 3 个典型数据点 虚线角度为 45，圈状线角度为 135，实线角度为 120进行多电场参数响应特 征分析。从图 14 中可以看出，和图 2 的多电场参 7 牟义 典型地质异常体电磁法响应特征研究2017 年第 4 期 ChaoXing 图 132305 巷顺层 0方向视电阻率曲面 数曲线相类似，前期为一次场表现，晚期场受其他 电磁场干扰明显，感应的有效二次场主要集中于 1 ～35ms 之间。在该段区域，图 14 a和图 14 b 曲线也出现了明显的偏离， 3条线没有交叉， 虚线电位值明显相对较大，视电阻率值相对较低， 且衰减较为圆滑; 实线相对居中，衰减较为圆滑; 圈状线电位值相对偏低，视电阻率值相对偏高，但 不如图 2 明显，且衰减过程中起伏较大。将该时间 段测点进行时深转化形成视电阻率深度曲线 图 2 c ，反演后深度为 10 ～ 100m 左右，圈状线整 体位于实线上方，视电阻率略高，特别是深度 50 ～90m 处，较为明显，为高电阻率异常; 实线视电 阻率值大部分位于 10～100Ωm 之间，为正常岩 层阻值; 虚线视电阻率值最低，整体位于 10Ωm 以下，为低阻异常。该段区域真实反映出明显地层 或采空区电性信息差异。 图 14顺层 0方向典型测点曲线 将该方向的所有角度 1～35ms 之间数据进行时 深转换成图，可以更直观地看出电场特性差异，在 图 15 视电阻率断面图中，发现在深色的高阻异常 1 附近出现了明显闭合圈状高电阻率异常区域，且 整体阻值较两侧区域偏高，推断此处存在原小煤窑 不含水采空区。浅色的低电阻率异常出现 2 处 低 阻异常 1 和低阻异常 2，整体相对阻值偏低，且不 对称分布，现场也无锚网干扰影响，推断两处低电 阻率异常为原小煤窑采空积水区。而正常岩层在图 中表现为深浅色中间色区域。经过矿方打钻验证， 前方 50m 之外见空，通过钻孔透视发现，为小煤 窑空巷，无积水，后退 30m，向右侧帮打钻，打到 深度 35m 遇空，出水，水量较大。 4结论与建议 通过采用矿井瞬变电磁法在晋城矿区井下进行 大量试验研究，收集整理了大量构造、采空区等典 型地质异常体验证案例，分析其电磁场响应多参数 曲线，对比不同地质异常体的电磁场响应特性，来 区分并解释矿井构造、采空区及含水体等地质异常 体分布范围及特性，并形成各类便于分辨的可视化 图 15顺层探测视电阻率断面 图 16顺层方向探测成果叠加 图件，立体直观区分异常体特征，达到精细化探测 目的。通过以上分析，得出结论如下 1对于不含水构造，整体电位值相对较低， 视电阻率值相对较高，且电位和视电阻率曲线对不 8 总第 137 期煤矿开采2017 年第 4 期 ChaoXing 含水构造反映明显，曲线出现剧烈跳跃起伏，这是 识别不含水构造的典型电性特征。 2对于含水构造，整体电位值相对较高， 视电阻率值相对较低，电位和视电阻率曲线较为圆 滑衰减，反演深度较正常岩层深度要浅，其电性响 应特征与锚网等铁器干扰的电性响应特征相类似， 如能排除现场铁器干扰，则较易识别含水构造。 3对于含水采空区，整体电位值相对偏高， 视电阻率值相对偏低，且随着含水采空区面积分布 范围的扩大，典型响应曲线特征点大幅增加，呈束 装分布，这是识别含水采空区的典型特征。 4对于不含水采空区，整体电位值相对偏 低，视电阻率值相对偏高，局部曲线出现剧烈跳跃 起伏，且随着不含水采空区面积分布范围的扩大， 剧烈跳跃点增多，亦呈束状分布，易于识别。 各类地质异常体电性响应特征分析均未考虑现 场铁器、电力、水力等干扰条件和干扰体对响应曲 线的影响，亦未考虑仪器及软件不同参数选取对响 应曲线的特征影响，因此，以后的试验工作中需加 大这方面的研究工作，以期更符合实际条件。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 张彬 . 煤矿隐蔽灾害井下精细探测技术方法与优化 ［J］． 煤矿开采，2016，21 4 26－32. ［ 2］ 姜志海 . 巷道掘进工作面瞬变电磁超前探测机理与技术研究 ［D］． 北京 中国矿业大学 北京 ，2008. ［ 3］ 陈明生，闫述，石显新，等 . 二维地质体的瞬变电磁场响 应特征 ［J］． 地震地质，2001，23 2 252－256. ［ 4］ 闫述，陈明生，傅君眉 . 瞬变电磁场的直接时域数值分析 ［J］． 地球物理学报，2002，45 2 275－284. ［ 5］ 姜国庆，贾春梅，牟义，等 . 矿井瞬变电磁法全空间处理 及三维解释方法研究 ［J］． 地球物理学进展，2015，30 5 2164－2170. ［ 6］ 郭纯，刘白宙，白登海 . 地下全空间瞬变电磁技术在煤矿 巷道掘进头的连续跟踪超前探测 ［J］． 地震地质，2006，28 3 456－462. ［ 7］ 刘志新，岳建华，刘仰光 . 扇形探测技术在超前探测中的应 用研究 ［J］． 中国矿业大学学报，2007，36 6 822－868. ［ 8］ 程久龙，王玉和，于师建，等 . 巷道掘进中电阻率法超前探 测原理与应用 ［J］． 煤田地质与勘探，2000，28 4 60－62. ［ 9］ 孙庆先，牟义，杨新亮 . 红柳煤矿大采高综采覆岩 “两带” 高度的综合探测 ［J］． 煤炭学报，2013，38 2 283－286. ［ 10］ 姜志海， 岳建华， 刘树才 . 多匝重叠小回线装置形式的矿井瞬 变电磁观测系统［J］．煤炭学报， 2007， 32 11 1152－1156. ［ 11］ 殷长春，李吉松 . 任意角度瞬变电磁测深正演问题计算方法 ［J］． 物探与化探，1994，18 4 297－303. ［ 12］ 窦文武，牟义，邱浩，等 . 基于 Voxler 的瞬变电磁勘探 三维解释技术研究 ［J］． 煤炭科技，2015 4 37－39. ［ 13］ 张振勇，韩德品，陈香菱，等 . 综合电法在煤矿积水老空区 探查中的应用 ［J］． 矿业安全与环保，2013，40 1 77－80. ［ 14］ 牟义. 矿井超前精细探测技术方法与应用 ［J］． 煤矿安全， 2012，43 11 88－91. ［ 15］ 夏春鹏，窦文武，樊林林，等 . 不同视电阻率导体对瞬变电 磁法的响应特征分析 ［J］． 中州煤炭，2015 11 114－ 117.［责任编辑 李青］ 檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 上接 43 页 ［ 7］ 康红普，林健，张晓 . 深部矿井地应力测量方法研究与 应用 ［J］． 岩石力学与工程学报，2007，26 5 929－933. ［ 8］ 康红普，等 . 煤岩体地质力学原位测试及在围岩控制中的应 用 ［M］． 北京 科学出版社，2013. ［ 9］ 康红普，王金华 . 煤巷锚杆支护理论与成套技术 ［ M］． 北京 煤炭工业出版社，2007. ［ 10］ 范明建，康红普，林健，等 . 埋深 1300m 大倾角复合岩层 巷道围岩综合控制技术研究 ［J］ ． 采矿与安全工程学报， 2015，32 5 706－713. ［ 11］ 康红普，范明建，高富强，等 . 超千米深井巷道围岩变形特 征与支护技术 ［J］． 岩石力学与工程学报，2015，34 11 2227－2241. ［ 12］ 范明建，任勇杰，王德田 . 深井高地应力复合岩层巷道围岩 控制技术研究 ［J］． 中国矿业，2015 7 95－99. ［ 13］ 林健，范明建，汪占领 . 软岩巷道锚杆支护研究及应用实 例分析 ［J］． 煤矿开采，2015，20 6 54－59，72. ［ 14］ 许兴亮， 张农， 徐基根， 等 . 高地应力破碎软岩巷道过程控 制原理与实践［J］．采矿与安全工程学报， 2007， 24 1 51－55. ［ 15］ 康红普，王金华，林健 . 高预应力强力支护系统及其在深 部巷道中的应用 ［J］． 煤炭学报，2007，32 12 1233－ 1238.［责任编辑 邹正立］ 檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 上接 78 页 ［ 8］ 饶正保，王旭春，卢雷 . 基于 GIS 的沉陷区建筑物损害可 视化评价方法 ［J］ ． 青岛理工大学学报， 2006， 27 1 24－27. ［ 9］ 邓喀中，郭广礼，谭志祥 . 采动区建筑物地基、基础协同作 用特性研究 ［J］ ． 煤炭学报，2001，26 6 601－605. ［ 10］ 吴扬科 . 煤矿开采对高速公路影响的评价 ［J］ ． 河南理工大 学学报，2007，26 4 446－450. ［ 11］ 顾和和，胡振琪，刘德辉，等 . 高潜水位地区开采塌陷对耕 地的破坏机理研究 ［J］ ． 煤炭学报，1998，23 5 522－ 525. ［ 12］ 何国清，杨伦，凌庚娣，等 . 矿山开采沉陷学 ［M］． 徐 州 中国矿业大学出版社，1991. ［ 13］ 国家煤炭工业局 . 建筑物、水体、铁路及主要巷道保护煤柱 留设与压煤开采规程 ［S］． 北京 煤炭工业出版社，2000. ［ 14］ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准 化管理委员会 . 土地复垦方案编制规程 TD/T 1031. . 3 2011［S］． 北京 中国标准出版社，2011. ［ 15］ 中交第二公路勘察设计研究院有限公司 . 公路路基设计规范 JTG D302015［S］． 北京 人民交通出版社，2015. ［责任编辑 徐乃忠］ 9 牟义 典型地质异常体电磁法响应特征研究2017 年第 4 期 ChaoXing