浅埋深烧变岩地下水瞬变电磁法探测_王鹏.pdf

浅埋深烧变岩地下水瞬变电磁法探测 王鹏 中煤科工集团 西安研究院有限公司，陕西 西安 710077 ［ 摘 要］为了研究瞬变电磁法对浅埋深烧变岩地下水的探测效果，以新疆准噶尔盆地某露天 矿烧变岩区为研究对象，从数值模拟与现场实测两方面对瞬变电磁法探测效果进行研究。首先针对研 究对象赋存条件建立地电模型，从电阻率差异角度论证理论可行性;其次根据理论结果设置采集参 数，结合地质条件分析实测结果，分别推断烧变岩及地下水分布范围; 最后采用地面钻探对异常区进 行揭露。结果表明，瞬变电磁法适应浅埋深烧变岩地电结构，能准确反映烧变岩地下水范围，适合在 浅埋深烧变岩区应用。 ［ 关键词］浅埋深; 烧变岩; 瞬变电磁; 地下水; 地电结构 ［ 中图分类号］ P631. 2; TD166［ 文献标识码］ A ［ 文章编号］ 1006- 6225 201803- 0021- 04 Transient Electromagnetic Exploration of Burnt Rock Groundwater in Shallow WANG Peng Shan’xi Research Institute Co. ，Ltd. ，China Coal Technical ＆ Engineering Group，Xi’an 710077，China Abstract In order to study exploration results that transient electromagnetic to burnt rock ground water in shallow，it taking burnt rock area of one open pit in Junggar basin in Xinjiang，and exploration results were studied from two sides of numerical simula- tion and field testing. Firstly，earth electricity model was built under studying object condition，and theory feasibility was verified electrical resistivity difference，secondly，collecting parameters were set by theoretical analysis results，field testing results were ana- lyzed under geological situation，and burnt rock and ground water distribution range were deduced，respectively，at the last the abnor- mal area was exposed through drilling. The results showed that transient electromagnetic fit for burnt rock earth electricity struc- ture in shallow，and then groundwater scope could be reflected precision，and could be applied in burnt rock in shallow. Key words shallow mining depth; burnt rock; transient electromagnetic; ground water; earth electricity ［ 收稿日期］ 2018－03－28［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11－3677/td. 2018. 03. 006 ［ 基金项目］ 国家重点基础研究发展计划 973 计划资助项目 2017YFC0804100 ;中国煤炭科工集团有限公司科技创新创业资金专项 2018MS006 ; 西安院 2017 年度科技创新基金 2017XAYZD12 ［ 作者简介］ 王鹏 1982－ ，男，湖北监利人，副研究员，从事煤田电法勘探实践与研究工作。 ［ 引用格式］ 王鹏 . 浅埋深烧变岩地下水瞬变电磁法探测 ［J］． 煤矿开采，2018，23 3 21－24. 烧变岩是自燃煤层及受火烧波及岩层的统称， 在我国陕西、内蒙、新疆等煤田富集区广泛存 在 ［1－2 ］。由于煤层自燃期间的烧蚀与烘烤，其顶底 板岩层网状裂隙发育，使烧变岩具有破碎、裂隙贯 通的特征。烧变岩一般分布于可采煤层上部，受雨 水补给或河流渗透时积蓄地下水，对下部煤层开采 形成水害威胁 ［3－6 ］。准确勘探烧变岩边界及地下水 分布范围是开展有效防治水工作、解除上部水害威 胁的基础。 一般采用以磁法、瞬变电磁法等综合电磁法为 主，钻探为辅的勘探手段控制烧变岩边界及地下水 分布范围 ［7－15 ］。其中，磁法以烧变岩与围岩的磁化 差异为物理基础，通过磁化强度的变化来划分烧变 岩边界; 瞬变电磁法以烧变岩含水前后电阻率的急 剧变化为指标，对含水区进行圈定。根据烧变岩破 碎、裂隙发育的物理特性，不含水时表现为高电阻 率特征; 含水时表现为低电阻率特征。当烧变岩埋 深较浅甚至出露时，其高、低电阻率差异与磁性差 异同步表现。因此，基于单一的电阻率参数确定烧 变岩边界，并圈定地下水分布范围具备理论基础。 本文以新疆某露天煤矿为例，通过瞬变电磁法 获取地下电阻率分布，圈定烧变岩地下水分布范 围。钻探验证了探测结果的准确性。研究瞬变电磁 法探测浅埋深烧变岩及地下水分布范围的效果，对 相似矿区具有借鉴和推广意义。 1地质与地电条件 露天矿探测区地层由老至新为三叠系小泉沟 群、侏罗系西山窑组、石树沟群、第四系，其中含 煤地层为侏罗系西山窑组。第四系基本缺失，局部 约 1 ～ 2m。钻孔揭露石树沟群在探测区内最厚约 40m，岩性以砂岩、泥岩、粉砂岩为主，底部为一 层砾岩、砂砾岩; 揭露西山窑组厚度平均为 140m， 12 第 23 卷 第 3 期 总第 142 期 2018 年 6 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 23No. 3 Series No. 142 June2018 ChaoXing 岩性以泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩夹砂岩和煤 层为主，底部为一层砾岩、含砾粗砂岩。目标煤层 编号 B5，厚度约 40m，埋深最大为 75m，最浅处 经采掘活动已出露甚至部分剥离。探测区处于背斜 轴部附近，未发现断层。 根据地层岩性与钻孔电阻率测井结果，B5 煤 层上部砂岩覆盖层整体表现为相对低阻，B5 煤层 为相对高阻，下部地层为相对低阻。对煤层埋深较 浅或出露地点，上部低阻覆盖层被剥离，地电断面 在纵向上呈现 “高－低”的两层特征; 对煤层埋深 相对较大、低阻覆盖层相对较厚的地点，地电断面 在纵向上呈现 “低－高－低”的 K 型特征。依据此 正常电阻率特征可对非正常地层进行辨识。 目标煤层在浅部大部分火烧，烧变岩易接受大 气降水、雪融水的补给在地势低洼处形成烧变岩裂 隙潜水，地势较高、泄水条件好或未火烧处一般不 含水。前期勘探显示探测区烧变岩富水不均匀、水 位较浅。当烧变岩不含水时相对下部岩层为极高 阻，纵向上呈现 “极高－低”的电阻率特征; 当烧 变岩含水时相对下部岩层为极低阻，纵向上呈现 “极低－高”的特征。依据此电阻率特征可对烧变 岩边界及含水范围进行分析。 2方法原理与理论模拟分析 2. 1瞬变电磁法原理 瞬变电磁法原理是地下介质在阶跃变化的电磁 场激发下产生的涡流场效应。一般利用不接地的载 流回线制造静磁场，使地层及目标体处于该静磁场 中。根据法拉第电磁感应定律，截断电流结束静磁 场以后，地层与探测目标体为维持原先的静磁场， 内部会产生感生的涡流，以制造新的静磁场。涡流 的强弱分布与目标体的导电性密切相关。当烧变岩 不含水时，感生涡流很快衰减; 当烧变岩含水时， 由于地下水的低阻特性，感生涡流损耗低而持续时 间长。在地面布置测量点，通过专门的仪器接收涡 流产生的电磁信号，通过信号强度和衰减时长可解 译烧变岩及含水区分布。 2. 2烧变岩模型模拟分析 考虑探测区烧变岩实际地质情况，分别建立正 常地层、烧变岩及含水烧变岩层状地电模型，正演 计算获得 3 种地电条件下的瞬变电磁响应曲线。模 型如图 1 所示，设置顶板覆盖层厚度 40m，电阻率 50Ωm; B5 煤层 40m，电阻率 100Ωm; 底板岩 层电阻率 50Ωm;烧变岩从地表分布到 B5 煤层 底板下10m，总厚度90m，电阻率200Ωm; 含水 烧变岩水位埋深 10m，含水段电阻率 20Ωm。根 据模型厚度及目标层深度，设置回线源大小为 240m240m，接收时间 50ms。布置地面测点 3 个， 分别对应正常地层、烧变岩、含水烧变岩。通过对 比 3 个测点的响应曲线，分析瞬变电磁法对烧变岩 及含水区的理论探测效果。 图 1模型示意 正演获得地面 3 个测点的衰减曲线，经转换得 到电阻率结果，见图 2。 图 2瞬变电磁响应曲线 结果显示，烧变岩含水后感应的瞬变电磁信号 最强，不含水时感应的瞬变电磁信号最弱。分析原 因为烧变岩含水后电阻率最低，感应的瞬变电磁信 号强且衰减慢; 烧变岩含水前电阻率最高，瞬变电 磁信号很快衰减结束。感应信号的差异主要表现在 早中期时间，晚期时较为接近，原因为模型电阻率 主要针对浅层烧变岩改变，而深部电阻率一致。这 间接说明瞬变电磁早期信号主要反映浅层信息，而 22 总第 142 期煤矿开采2018 年第 3 期 ChaoXing 晚期信号主要反映深部信息。 分析电阻率结果发现，正常情况时由于煤层为 高阻层，在曲线上表现明显高阻隆起; 煤层自燃形 成烧变岩使浅部覆盖层也变为高阻，电阻率曲线转 为由高到低变化; 烧变岩含水后增加低阻层，电阻 率曲线也在中间出现低阻凹陷，与正常高阻煤层的 结果正好相反。对比 3 条曲线与对应模型的电阻率 分布，电阻率曲线结果与模型纵向电阻率分布规律 一致，真实反映模型电阻率结构。可见，瞬变电磁 法能从电阻率的变化角度分别分辨不含水与含水的 浅埋深烧变岩。另外，上述特征在曲线 3ms 以前 已表现明显，认为针对该理论模型，信号长度超过 3ms 即可。 3工程实践 3. 1测网布置与参数设置 地层实际地电断面与理论模型基本一致，理论 结果可用来指导实际工程的布置。探测目标体为 B5 煤层烧变岩及地下水，根据目标体大小采用 40m20m 的网格布置地面瞬变电磁法测点，即 40m 线距、20m 点距。根据理论结果，认为 240m 240m 外框、超过 3ms 长度的信号即可反映低阻含 水体，故确定采用 240m240m 外框、25Hz 10ms 接收时窗频率的参数进行数据采集。仪器使用 国际上先进的加拿大凤凰公司 V8 多功能电法工作 站。 3. 2断面分析 对采集的测点数据进行电阻率与深度转换，得 到地下各深度地层的电阻率信息，绘制电阻率等值 线图，可依据地下电阻率的分布对异常进行分析。 图 3 为测区 40 线中段电阻率断面，该段测线位于 测区中部，长度 500m，地表平坦。根据煤层底板 等高线，该断面图西段煤层埋深浅，东段煤层埋深 深。煤层上部有一定厚度的石树沟群砂岩，在测线 西边厚度约 50m。 图 3 40 线中段电阻率断面 断面图垂向上由浅至深的电阻率变化规律在测 线西段与东段各不相同，西段表现为 “低－高－低” 的 K 型地电断面特征，东段表现为 “低－高”的两 层地电断面特征。在测线西段，煤层位于中上部相 对高阻层内，石树沟群砂岩位于其上部相对低阻层 内，西山窑组砂岩位于下部低阻层内。结合对电阻 率测井数据统计分析的结果，中上部的高阻反映 B5 煤层，上部低阻反映石树沟群砂岩，下部低阻 反映西山窑组砂岩层。断面图横向上在深部均表现 为相对低阻，电阻率变化较小且连续性好，特别在 B5 煤层下部，整体电阻率几乎不变，说明深部的 西山窑组砂岩岩性稳定。中上部相对高阻对应 B5 煤层，在测线西段稳定连续，说明该断面西段 B5 煤层稳定存在。176～184 测点之间 B5 煤层与上部 石树沟群砂岩的电阻率相对 160～176 测点有所减 弱，认为该处存在低阻异常。184～212 测点之间纵 向电阻率急剧变化为 “低－高”的两层地电断面， 与断面图西段 “低－高－低”的 K 型地电断面差异 显著。根据电阻率测井曲线统计结果，正常地层不 存在此种地电断面。因此，判断 184 ～ 212 测点之 间存在更强的低阻异常。两处低阻异常表现特征差 异较大，176～184 测点低阻异常仅表现为对 “低－ 高－低”K 型地电断面的弱化，而 184～212 测点低 阻异常表现为地电断面的彻底改变。前者异常强度 相对较小，后者异常强度明显增大。 结合地质情况分析，探测区含煤地层为湖泊相 沉积，测线处煤层厚度稳定，认为因岩性急剧变化 导致电阻率异常的可能性较小。结合构造考虑，该 处靠近背斜轴部，地层容易因张性拉裂产生裂隙后 充水形成相对低阻的裂隙富水区。结合测区存在烧 变岩考虑，自燃过程对顶底板岩层的烘烤作用明 显，容易形成厚度较大且裂隙贯通的烧变岩，又由 于测线处烧变岩埋深浅甚至出露，大气降水渗入形 成地下水积蓄区，使正常地层地电结构遭受破坏， 含水烧变岩易形成极低阻异常。因此，推断 176～ 184 测点之间为裂隙富水区，184～212 测点之间为 烧变岩含水区，烧变岩边界位于 184 号测点处。 3. 3钻探验证 矿方在 180 和 188 号测点分别布置地面钻探， 对推断的烧变岩边界及含水低阻异常进行验证。 180 测点处应为未火烧的 B5 煤层且存在裂隙水， 钻孔实际揭露正常 B5 煤层且钻孔出水。188 测点 处应为含水烧变岩，钻孔实际揭露烧变岩、出现卡 钻现象，并在埋深 10m 处出水。将实际揭露结果 与地面瞬变电磁法推断的烧变岩横向范围和含水情 况进行对比，两者完全吻合，认为瞬变电磁法在浅 埋深烧变岩区探测结果准确，成果可靠。 32 王鹏 浅埋深烧变岩地下水瞬变电磁法探测2018 年第 3 期 ChaoXing 4结论 1浅埋深烧变岩与围岩存在电阻率和磁化 强度两种物性差异。理论计算表明，正常地层、烧 变岩及含水烧变岩的瞬变电磁信号存在明显变化， 仅依据电阻率差异也可分辨浅埋深不含水烧变岩或 含水烧变岩。 2浅埋深含水烧变岩使探测区正常的 “低－ 高－低”K 型地电断面改变为 “低－高”两层地电 结构。瞬变电磁探测结果清晰显示正常地层与含水 烧变岩地层的地电结构，据此可确定烧变岩边界。 依据地电结构变化特征，可进一步分辨正常地层与 烧变岩区分布的地下水。 3钻孔验证结果表明，地面瞬变电磁法探 测结果与实际揭露符合一致，说明该方法探测浅埋 深烧变岩边界及地下水分布可行。应对技术细节和 探测能力进一步深入研究，以更好地为浅埋深烧变 岩矿区防治水工作服务。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 范立民，仵拨云，向茂西，等 . 我国西部保水采煤区受保护 烧变岩含水层研究 ［ J］ ． 煤炭科学技术，2016，44 8 1－6. ［ 2］ 张秀山 . 新疆煤田火烧区特征及其勘探灭火问题探讨 ［J］ ． 西北地质，2001 1 18－26. ［ 3］ 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］。常规变观随意性强，并且没有充分考虑 各参数的合理性。三维特殊观测系统设计使用 Goody GIS 结合 Klseis 软件，以高清卫星影像、实 地踏勘及实地测量为基础，采用人机交互的方式， 反复论证激发点、检波点位置，及接收排列长度的 设计和修改对施工效率、覆盖次数、炮检距及方位 角的影响，从而确定最优的设计方案。以该设计方 案为指导，在复杂地表条件的野外资料采集中获得 了高质量的地震原始数据，保证了资料处理和解释 工作的圆满完成。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 吕霖 . 淮南矿区三维地震探采对比效果与实例分析 ［J］ ． 煤田地质与勘探，2010，38 4 69－71. ［ 2］ 侯晓志 . 三维地震勘探在复杂地质条件下的应用 ［J］ ． 煤矿 开采，2016，21 6 68－70. ［ 3］ 杨德义，赵镨，王慧 . 煤矿三维地震勘探技术发展趋势 ［ J］ ． 中国煤炭地质，2011，23 6 42－47. ［ 4］ 冼伟东，凌春霞 . 开滦矿区三维地震技术应用效果及实例分 析 ［ J］ ． 煤炭技术，2017，36 4 110－112. ［ 5］ 刘晓红 . 地表复杂区三维地震勘探方法及效果 ［J］． 煤炭与 化工，2014，37 2 117－119. ［ 6］ 晁如佑，付英露，石一青 . 复杂障碍区三维地震观测系统变 观设计方法及应用 ［ J］ ． 复杂油气藏，2010，3 4 31－34. ［ 7］ 赵军国，郑泽继，杨德宽 . 平原地区复杂地表三维采集技术 ［ J］ ． 石油地球物理勘探，1999，34 3 341－350. ［ 8］ 陆基孟 . 地震勘探原理 下册［M］ ． 东营石油大学出版 社，1993. ［ 9］ 钱荣钧，王尚旭，詹世凡，等 . 石油地球物理勘探技术进展 ［ M］． 北京 石油工业出版社，2006. ［ 10］ 王秀东，王怀洪，陈清静 . 三维特殊观测系统的设计及应用 ［ A］ . 煤矿物探学术论文集［ C］ . 北京 中国煤炭学会， 2007. ［ 11］ 成润根，段建华 . 三维地震勘探技术在开滦林南仓矿的应用 ［ J］ ． 中国煤炭地质，2010，22 8 58－60. ［ 12］ 张永旺 . 焦作地区大型障碍物勘探区的三维地震采集技术 ［ J］ ． 科技视界，2012 25 67－68. ［ 13］ 唐汉平. 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