高分辨率CSAMT法在坊子采空区探测中的应用研究.pdf

分类号分类号TD745TD745 密密 级级公公 开开 U D CU D C 单位代码单位代码 1042410424 工工 程程 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 高分辨率高分辨率CSAMT法在坊子采空区法在坊子采空区 探测中的应用研究探测中的应用研究 聂西坤聂西坤 申请学位级别申请学位级别工程硕士工程硕士 领域名称领域名称地质工程地质工程 指导老师姓名指导老师姓名 林林 年年 添添 职职 称称教教 授授 副指导老师姓名副指导老师姓名岳岳 成成 利利 职职 称称高级工程师高级工程师 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二〇一七年十月二〇一七年十月 万方数据 Created by free version of DocuFreezer 论文题目论文题目 高分辨率高分辨率 CSAMT 法法 在坊子采空区探测中的应用研究在坊子采空区探测中的应用研究 作者姓名作者姓名聂西坤聂西坤 入学时间入学时间2015 年年 4 月月 专业名称专业名称地质工程地质工程 研究方向研究方向地球物理勘探地球物理勘探 指导老师指导老师林年添林年添 职职 称称教教 授授 副指导老师副指导老师岳成利岳成利 职职 称称高级工程师高级工程师 论文提交日期论文提交日期 2017 年年 10 月月 答辩提交时间答辩提交时间2017 年年 12 月月 10 日日 授予学位时间授予学位时间 万方数据 Created by free version of DocuFreezer PREDICTIONA OF THE MINER-OUT AREA AT FANGZI BY CSAMT A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF ENGINEERING from Shandong University of Science and Technology by Nie Xikun Supervisor Professor Lin Niantian College of Natural Resources and Environmental Engineering December 2017 万方数据 Created by free version of DocuFreezer 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公 认的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经认的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经 标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研 究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 硕士生签名硕士生签名 日日 期期 万方数据 Created by free version of DocuFreezer 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所本人完全了解山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所 撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理。撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理。 作为申请学位的条件之一，作为申请学位的条件之一，学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其 指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学有关数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学 校档案馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫校档案馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论描等复制手段保存和汇编学位论文；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆文；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆 可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校内可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校内 师生阅读、浏览。师生阅读、浏览。 （保密的学位论文在解密后适用本授权）（保密的学位论文在解密后适用本授权） 硕士生签名硕士生签名 导师签名导师签名 日日 期期 日日 期期 万方数据 Created by free version of DocuFreezer 学位论文审查认定书学位论文审查认定书 研究生研究生 在规定的学习年限内， 按照培养方案及个人培养计划，在规定的学习年限内， 按照培养方案及个人培养计划， 完成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论完成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文，文， 论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关 规定，同意将本论文作为申请学位论文。规定，同意将本论文作为申请学位论文。 导师签名导师签名 日日 期期 万方数据 Created by free version of DocuFreezer 山东科技大学工程硕士学位论文 摘要 I 摘摘 要要 不明采空区的存在容易诱发矿震、突水、有毒有害气体泄漏等事故，严重 威胁矿井的人员和财产安全，因此对煤层采空区探测进行研究有着重要的现实 意义。坊子煤矿开采历史悠久，历经德国、日本、中国等国家开采，由于历史 的原因，采空区大多未进行有效地治理，为减轻和预防坊子煤矿采空区所引发 的地质灾害，准确探测采空区的分布显得尤为重要。 本 文 主 要 采 用 可 控 源 音 频 大 地 电 磁 测 深 法 （ Controlled source audio-frequency magnetotelluric 简称 CSAMT）方法，对坊子煤矿潍日高 速公路连接线征地范围两侧外扩 1k 进行野外施工方法设计，采集高精度数据， 并对其进行处理，获取各测量剖面电阻率断面图，进行反演解释，同时还着重 研究了非线性滤波方法的应用效果，通过滤波前后资料的对比发现，非线性滤 波方法提高采空区空间展布预测精度，更加准确的圈定采空区的分布范围，为 后续工作资料的准确解释提供了技术支持。 结合研究区已有地质物探资料及处理反演结果，建立电性层与地层的对应 关系，将实测电性异常与地质构造作为一个整体进行研究，查明了采空区的位 置、分布范围、体量规模等基本情况。同时，在工区内发现区域断裂构造较为 发育，不仅验证了以往其他方法发现的断层，也解释了新断层的地质特征。最 后进行钻井验证， 发现实际采空区的埋深及位置与 CSAMT 物探异常对应较吻合， 同时验证了应用CSAMT法及非线性滤波法具有提高采空区空间展布预测的精度， 为采空区的准确预测提供了一种新的高精度预测方法。 关键词关键词CSAMT；数字滤波；数据反演；采空区预测；钻孔验证 万方数据 Created by free version of DocuFreezer 山东科技大学工程硕士学位论文 Abstract Ⅱ Abstract The existence of unknown goaf can easily induce accidents such as mine earthquake, water inrush and poisonous and harmful gas leakage, which threaten the mine personnel and property safety seriously. Therefore, it is of great practical significance to study the exploration of coal mined-out area. Because of historical reasons, most mined-out areas are not effectively controlled. In order to reduce and prevent geological disasters caused by goafs in Fangzi Coal Mine, it has been accurately detected Gob distribution is particularly important. In this paper, the CSAMT is used to design the of field construction on the two sides of land expropriation range of Weiji Expressway in Fangzi Coal Mine. The high precision data are collected and processed, and the resistivity profile of each survey section is obtained. In the meantime, the application effect of the nonlinear filtering is also studied emphatically. The comparison of the data before and after filtering shows that the nonlinear filtering can improve the prediction accuracy of the spatial distribution of the goaf and more precisely delineate the distribution range of the goaf, Provide technical support for the accurate explanation of the follow-up work materials. Based on the geological prospecting data and the inversion results, the corresponding relationship between the electrical and stratigraphic layers is established. The measured electrical anomalies and geological structures are studied as a whole, and the location, distribution, Mass scale and other basic conditions. At the same time, it is found in the work area that the fault structure in the area is relatively developed, which not only verifies the faults discovered by other s but also explains the geological features of the new faults. Finally, the drilling verification is carried out. It is found that the depth and location of the actual goaf coincide with the CSAMT geophysical prospecting anomaly, which verifies that the CSAMT and the nonlinear filtering are used to improve the spatial prediction accuracy of the goaf. Accurate prediction provides a new high-precision prediction . KeywordsCSAMT; digital filtering; data inversion; miner-out area; borehole verification 万方数据 Created by free version of DocuFreezer 山东科技大学工程硕士学位论文 目录 Ⅲ 目目 录录 1 1 绪绪 论论 ................................................................................................ 1 1 1.1 研究目的及意义 .................................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 .................................................................................................. 2 1.3 主要研究内容及技术路线 .................................................................................. 4 2 2 CSAMTCSAMT 的理论基础的理论基础 ............................................................................ 6 6 2.1 CSAMT 的方法原理 ............................................................................................. 6 2.2 CSAMT 数据采集及处理反演方法 ..................................................................... 6 2.3 CSAMT 方法的应用 ........................................................................................... 13 3 3 研究区地质与地球物理特征研究区地质与地球物理特征 ........................................................ 1818 3.1 研究区自然地理条件 ........................................................................................ 18 3.2 地质概况 ............................................................................................................ 19 3.3 地球物理特征 .................................................................................................... 24 4 4 高品质数据采集处理方案与实施高品质数据采集处理方案与实施 ................................................ 2929 4.1 数据采集方案的实施 ........................................................................................ 29 4.2 数据处理方案与实施 ........................................................................................ 38 5 5 研究区采空区空间展布的分析预测与验证研究区采空区空间展布的分析预测与验证 .................................. 5353 5.1 采空区分布预测 ................................................................................................ 53 5.2 钻探验证 ............................................................................................................ 59 6 6 结结 论论 .............................................................................................. 6666 参考文献参考文献 ............................................................................................ 6767 致致 谢谢 .................................................................................................. 7272 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果 .................................................................... 7373 万方数据 Created by free version of DocuFreezer 山东科技大学工程硕士学位论文 Contents Ⅳ Contents 1 Introduction ....................................................................................... 1 1.1 Research purposes and significance ............................................................... 1 1.2 Research status at home and abroad 1 ............................................................ 2 1.3 The main research content and technical route ............................................... 4 2 The theoretical basis of CSAMT ..................................................... 6 2.1 CSAMT principle............................................................................... 6 2.2 CSAMT data acquisition and processing inversion ........................... 6 2.3 CSAMT of application ..................................................................... 13 3 The geological and geophysical characteristics ................................. 18 3.1 Natural geographical conditions of the study area ........................................ 18 3.2 Geological Survey ......................................................................................... 19 3.3 Geophysical Characteristics .......................................................................... 24 4 Acquisition and processing ............................................................. 29 4.1 Data acquisition program implementation .................................................. 29 4.2 Data processing programs and implementation ............................................ 38 5 The analysis prediction and verification of space distribution of goaf in research area ..................................................................... 53 5.1 Miner-out area distribution forecast.............................................................. 53 5.2 Drilling verification ...................................................................................... 59 6 conclusion ......................................................................................... 66 References .............................................................................................. 67 Acknowledgments ................................................................................. 72 Masters Master Program .................................................................... 73 万方数据 Created by free version of DocuFreezer 山东科技大学工程硕士学位论文 绪论 1 1 绪绪 论论 可控源音频大地电磁方法是在 MT 方法的基础发展起来的，迄今已经有数 十年的发展历史。随着电子及计算机技术的进步，该方法已经有最初的标量单 分量测量发展为张量测量及三维测量。应用领域也得到了很大的扩展，从原来 单纯的石油物探测量，发展到工程物探、水文物探、城市物探等领域，探测效 果受到社会各界的关注。 由于地下采空区具有隐伏性强、空间分布特征规律性差、采空区顶板冒落 塌陷情况难以预测等特点[1]，因此，如何对地下采空区的分布范围、空间形态 特征和采空区的冒落状况等进行量化评判，一直是困扰工程技术人员进行采空 区潜在危害性评价及合理确定采空区处治对策的关键技术难题。本文将以 CSAMT勘查在采空区的应用为例， 并结合 “去噪” 模块的应用效果， 说明CSAMT 方法在工程勘查方面的具体应用。 1.1 研究目的及意义研究目的及意义 随着经济发展和基础建设的不断加快， CSAMT 的应用也遇到了越来越多的 挑战，尤其是电磁干扰的程度，在某些地区已经不适合开展相应的地球物理工 作。但是，现阶段的工作已经无法避免电磁干扰，因此怎么样得到高质量的数 据，怎样处理得到高品质的地质成果亟待解决。本文就通过解析 GDP-32 采集 数据，利用 Matlab UI 编程，采用多参数挑选的方法，努力在数据预处理环节消 除畸变点干扰，获取高品质反演数据，达到提升地质效果的目的。 坊子煤矿开采历史悠久，历经德国、日本、中国等国家开采，由于历史的 原因，采空区大多未进行有效地治理。因此,为减轻和预防由地下采空区所引发 的地质灾害，建立地质灾害预警系统，探索用 CSAMT 探测采空区的分布，为 评价和治理提供依据是十分迫切和有意义的。目前，采空区的探测已经成为一 项重要的研究课题,但是仍处于发展阶段。 本次工作借潍日高速修建之便利既可以为潍日高速高价建设提供物探依 据，又可以为以后类似工程提供物探方法参考，尤其是 CSAMT 数据的去噪处 理，将会是一次很好的检验。 万方数据 Created by free version of DocuFreezer 山东科技大学工程硕士学位论文 绪论 2 图 1.1 研究区地形地质图 Figure 1.1 Topography and geological map in the study area 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 19 世纪末电磁感应现象极大地推动了物理学的发展，二战对于矿产能源的 需求以及电子技术的巨大进步，电磁法勘探取得了突破性进展。20 世纪 50 年 代初，吉洪洛夫（A.N.Tikhonow）[1]与卡尼亚（L.Cagniard）[2]，提出了卡尼亚 电阻率公式，从而发展了一种被动源的大地电磁测深法。60 年代末，提出以全 球的雷电活动作为场源的音频大地电磁测深法AMT。 由于 AMT 存在工作效率 低、背景场干扰、信噪比低等问题，1970s 加拿大多伦多大学的 D.W.Strangway 万方数据 Created by free version of DocuFreezer 山东科技大学工程硕士学位论文 绪论 3 [3]教授和他的学生 M.A.Goldstein [4]提出了通过人工发射电磁场作为场源的 CSAMT 方法。由于其观测的方式与 AMT 相同，所以称其为可控源音频大地电 磁测深[5,6]。Yamashita（1985），Bartel, Jacobson（1987），将 CSAMT 方法远 区的数据进行校正，从而进行反演解释，提出近场校正方法[7]。随后周茂军 （1993）[8]、岳瑞永（2004）[9]、底青云、石昆法（1989）[10]解海军（1991）、 闰述和陈明生2005[11]（等人对近场效应、静态效应、阴影效应和场源附加效 应等进行了大量研究，从而极大地推动了 CSAMT 方法的应用与发展。 现 CSAMT 已广泛用于资源探测和工程勘查中的各个领域。在国内经过多 年的发展，已广泛的应用于地热资源、桥梁隧道工程、古墓探测、煤矿采空区 预测、水文地质、溶洞预测、有色金属矿床、石油勘探开发等领域。下面例举 了一些 CSAMT 法近年来的应用实例，简要说明其应用领域。在工程应用方面， 李永新（2006）[12]、穆海杰（2008）[13]将 CSAMT 应用于南水北调工程中，探 测工程区复杂的地质条件，为工程的建设提供了指导性的资料。谢兴兵（2007） [14]单涛（2010）[15]将可控源音频大地电磁法应用于煤矿防治水方面有积极的效 果。谢兴兵（2007）[16]采用 CSAMT可控源音频大地电磁测深并应用于包神铁 路复线乌兰木伦段地基勘查中,成功地解释了地基采空区的位置、埋深、范围, 为包神铁路复线建设提供了依据。何明峰（2010）[17]结合磨刀石隧道和韩信岭 隧道,开展了法在深埋长大隧道勘察为隧道的设计、施工提科学的依据。廖祥东 （2011）[18]应用可控源音频大地电磁法在红池隧道和清水岭隧道中进行勘查， 从而缩短勘探周期、节约勘探成本，为隧道工程安全施工提供地球物理依据。 马跃2013 [19]应用 CSAMT 在隧道中进行应用，对隧道区的地层岩性、断层等 不良地质体的空间分布和岩体完整性和富水情况进行了预测，为隧道的设计和 施工提供了较为科学的依据。喻晓通（2016）[20]以金口河隧道施工为实例，使 用 CSAMT 对隧道预施工地段进行了测量，证明了该方法对隧道区的地层岩性、 构造及赋水情况等可Ｗ进行较为成功的预测，为隧道的设计、施工提供较为科 学的依据。在地热资源应用方面，花蕾（2012）[21]针对嘉荫地区地热资源勘查 中所遇到的问题，指定了找地热的靶区，推荐了有希望的孔位。孙博（2015） [22] 针对长春新立城地区目前地热资源现状，结合区域地质、区域重磁资料、区域 电性特征, 根据断裂和含水地层的配置关系， 确定地热井位。 。 在能源探测方面， 白国龙（2013）[23]应用 CSAMT 在青海高原冻土地区进行测量，在深部发现规 万方数据 Created by free version of DocuFreezer 山东科技大学工程硕士学位论文 绪论 4 模不等的侏罗系煤层， 取得了高寒草甸地带找煤的重大突破。 梁天意 （2015） [24] 迂宁省宽甸县某铜多金属矿作为研究对象，进行 CSAMT 测线的布设可对宽 甸地区类似地质条件下金属矿产勘探的攻深找盲工作提供有利的参考价值和借 鉴意义。刘朋梅（2016）[25]应用改方法进行铀矿探测，最终为预测铀成矿远景 区、圈定找矿靶区、评价整体资源潜力提供有力的物探依据。徐书山（2017） [26] 应用此方法进行页岩气以及致密油气资源预测，为评价盆地的整体油气资源潜 力提供有力的物探依据，使 CSAMT 解释成果与已知地质成果对应较好，避免 解释的多解性，让解释更加深化和可信。在其他水文地质、基础地质、工程研 究研究方面，CSAMT 方法也有着广泛的应用[27-36]。 近年来， 由于不明采空区所造成的塌陷、 突水、 有毒气体泄漏等事故频发， 严重威胁矿井的人员和财产安全，给党和人民带来了巨大的损失。因此对煤层 采空区探测的分布范围进行预测研究有着重要的现实意义。当前，浅层高分辨 地震勘探（陈相府，2005）[37]、高密度电法勘探、探地雷达精细探测（程久龙， 2010）[38]、瞬变电磁法和 EH4（戴前伟,2013）[39]张宏伟,2014[40]等方法广泛应 用与采空区探测[41-43]，已取得良好的预测结果。 CSAMT 具有抗干扰能力强、勘探深度范围大、分辨率高、高阻屏蔽作用 小等优点，近年来被用于采空区探测时也取得了良好的效果（李文等，2011; 罗 霄，2011；刘明，2012；李江华等，2013；宋玉龙等，2013; 牟义等，2013 ； 祁晓雨等，2015；耿淑莹等，2015；张永超，2015；张克聪等，2016）[44-55]， 为采空区的预测提供技术支持。 1.3 主要研究内容及技术路线主要研究内容及技术路线 1.3.1 主要研究内容主要研究内容 本文主要采用CSAMT方法对潍日高速公路连接线征地范围两侧外扩1km 进行物探测量，结合采空区调查结果及以往煤田地质、水文地质等资料，目的 是进一步查明采空区分布现状，查明采空区位置、分布范围、体量规模等基本 情况。为坊子煤矿采空区的评价和治理提供高精度的物探资料。本论文主要以 下几个方面展开研究工作 （1） 进行野外施工方法设计以及高精度数据的采集。综合研究区的野外 调查工作及以往煤田地质、水文地质、物探资料成果等，结合具体的地质条件， 万方数据 Created by free version of DocuFreezer 山东科技大学工程硕士学位论文 绪论 5 设计野外施工方法，以获取高精度的 CSAMT 资料，为后续工作提供高精度的 数据来源。 （2） 数据处理滤波研究。对获取的高精度数据，在经历一系列常规处理 后，剔除异常值，进行非线性滤波