大回线源TEM探测煤矿较浅层采空区.pdf

2020年第8期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-02-01修回日期 2020-03-11 基金项目 中煤科工集团西安研究院有限公司科技创新项目2019XAYMS30。 作者简介 侯彦威1983-， 男 （汉族） ， 河南商丘人， 副研究员， 现从事煤炭电磁法勘探方面的工作。 大回线源TEM探测煤矿较浅层采空区 侯彦威* 中煤科工集团西安研究院有限公司， 陕西 西安 710077 摘要 采用施工效率较高的大回线源瞬变电磁法 （TEM） 探测埋深较浅的煤矿采空区， 在数据处理 阶段选用约束反演的方法控制迭代步长， 并将上次反演的最优正则化参数作为下次迭代的模型参 数， 不仅可以实现地层电性分层， 而且避免了以往采用晚期视电阻率计算公式造成早期数据计算结 果发生畸变的弊端。通过对埋藏仅约3040m煤层采空区的探测， 解释的低阻采空异常区获得了钻 探验证。 关键词 瞬变电磁法； 煤矿； 浅层采空区； 反演 中图分类号 P631 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202008-0127-03 瞬变电磁法Transient Electromagnetic 简 称TEM是一种对低阻体反应灵敏的时间域电磁探测方 法， 可利用的施工装置也比较多[1-2]， 其中大回线装置施工 效率高而被广泛使用。由于其工作高效性和直接测量二 次场的特点， 在地球物理勘探中的应用日益广泛， 如有色 金属矿产、 地下水、 地热、 地质构造等方面应用较多[3]。 大回线源装置瞬变电磁法不仅施工速度快、 体积 小， 而且还具有探测方向强、 分辨率高、 对低阻区敏感 等优点[4]。在发射大电流的情况下磁矩较大， 即激发场 信号比较强， 可以获得信噪比较高的实测数据。但大 发射回线边长且采用晚期视电阻率计算公式时， 由于 公式的不适性， 造成早期视电阻率发生畸变， 使其对埋 深较浅目标体的分辨能力不足。采用在反演过程中对 迭代的模型参数和迭代步长等参数加以约束[5]， 既能提 高反演速度， 又能提高对地层的电性分层能力， 分辨率 高。通过对浅埋煤层采空区探测和验证， 该方法可以 完成对较浅层目标采空区的定位探测。 1瞬变电磁法原理 瞬变电磁法属于电磁感应类探测方法， 是利用不 接地回线大回线、 磁偶源或接地线源电偶源向地下 发送一次场， 在一次场间歇期间， 使用不接地线圈或接 地电极测量由地下介质产生的感应电磁场二次场随 时间的变化， 来实现探测地下目标体的位置并推断目 标体的规模。其遵循的电磁感应原理是导电介质在阶 跃变化的一次场的激发下产生二次涡流场的问题。二 次场信号的近似表达式为 V μ 5 2 0∙M∙q 20π πρ 3 2∙t5 2 1 式中μ0磁导率； M发射回线磁矩； q接收线圈等效面积； ρ地层电阻率； t时间。 二次场信号与介质电阻率和时间成反比， 当探测地 下目标地质体时， 向大回线源内通以一定大小的脉冲电 流， 在回线中部一定区域内便产生稳定的一次激发场 （简称一次场） ， 此时瞬间中段电流， 一次场随之消失， 使 处于该激发场中的目标地质体内部由于磁通量的变化 而产生感应电动势， 感应电动势在目标地质体中产生二 次涡流， 二次涡流又因为焦耳热的消耗而又不断的衰 减， 即由此而产生的二次磁场也随之衰减。目标体的埋 深和规模一定时， 二次场的衰减规律主要与地下目标地 质体自身导电性有关， 因此可以通过研究二次场的衰减 规律来探测研究地下目标地质异常体的目的[6]。 2约束反演简述 瞬变电磁法施工时采集到的多个时间节点序列的 电压为d{ }di， 其中 （i1,2,3,∙∙∙,N） ， 电压d是由 对应的地下介质电性响应和观测误差组合而成， 即 127 2020年第8期西部探矿工程 difQi,n δi,i1,2,3,∙∙∙,N2 式中fQi,n地下介质电性响应； δi观测误差； n成层分布的电阻率分布的矢量 （层厚度未 知） 。 在反演的过程中， 因为初始模型设置的不合适而 导致反演出现发散， 无法较好的收敛， 所以需要将反演 过程加以调整。假如反演需迭代k次， 相对应的模型设 为n k， 在此种模型条件下， 上式2可转为下面的形式 dfnkJ kΔnk fnkJ knk1 -J knk 3 其中的n k1为第k1次的模型参数， 用第k次的模 型参数表示时转为 J knk1 d-fnkJ kΔnk 4 在式4的基础上， 直接对如n k1的模型参数加以 约束可以实现发射问题的优化， 即 minΦ  Wnk15 在式4和式5的基础上， 建立反演迭代过程并分别 计算偏导数矩阵以及模型响应， 即可获得第一次的模型 估算值， 将该值作为下次迭代的起始参数值进行反演， 重复上面的反演步骤， 直到目标函数满足给定的误差， 或者迭代步长已经很小， 此时完成反演， 输出反演结果。 将上述反演过程中的关键技术总结如下 ①反演 迭代的模型参数必须使用上次反演迭代中使误差目标 函数达到最小值的正则化参数； ②反演迭代过程中逐 步压缩步长， 确保预测的误差一直逐渐变小； ③采用最 平坦模型约束或最光滑模型约束[7]。 3探测实例 3.1探测区概况 探测区为一处地表即将建设工程建筑物场地， 区 内地表相对较平， 测区旁边有一条河流流经， 地表水较 为丰富。探测区外围地势较高， 也是导致此平坦地形 局部汇水的因素。测区范围内有已关闭的小煤矿， 小 煤矿主要采最上层煤， 埋深仅约3040m， 采空区对地 表建大型建筑物有影响， 需要探测治理。 3.2地球物理特征 探测区内由地表向下， 浅部第四系以黄土、 亚粘土 及土混合卵石的介质为主， 电阻率为1030Ωm， 显然 呈低阻特征； 向下为侏罗系含煤地层， 以粗砂岩、 含砾 粗砂岩为主， 地层中含小煤矿开采的煤层， 电阻率基本 大于90， 高阻煤层的电阻率可达800Ωm， 该层整体呈 高阻特征； 再向下以砂岩、 泥岩为主的三叠系地层， 测 井电阻率显示范围为5090Ωm， 呈低阻特征。由此 可知， 该区地层由浅到深整体呈 “低阻高阻低阻” 的变化趋势， 根据收集资料可知小煤矿的采空区应已 积水， 属高阻层中的低阻目标体， 与围岩电性差异将比 较明显， 也利于瞬变电磁法探测。 3.3探测布置与工作参数 根据实际地质资料及对小煤矿分布位置、 采掘情况 的了解， 以20m的线距布置测线， 并以5m的距离布置测 点， 受测区形状限制， 整个测区内的测线长度不同。根 据大回线源正演模拟结果， 选择正方形的大回线源， 边 长为240m， 采集数据的工作频率为25Hz， 大电流发射。 3.4处理结果与验证 选择连续布置的三条测线对比分析， 首先采用晚 期视电阻率和视深度公式进行计算， 由计算后的数据 绘制视电阻率等值线断面图， 如图1中 （a） 、（b） 和 （c） 所 示， 分别对应测线1、 2和3线， 横向为测线长度或测点 距离， 纵向为视深度。由图可见等值线连续性均较好， 但不反映探测区地质 “低阻高阻低阻” 的地球物理 特征， 而且无法分辨出地质异常， 不适合用于解译探测 任务中要求的积水采空区。 按照本文约束反演方法， 对上述实测数据进行反 演计算， 计算结果绘制成图 （如图2所示） 。为了与图1 相对应， 图 （a） 、 （b） 和 （c） 分别对应测线1线、 2线和3 线， 横向为测线长度或距离， 纵向为高程。 由图2可见， 三条测线的反演电阻率断面图上部电 阻率分布均匀， 横向连续性较好； 中部反演电阻率值较 大， 为连续分布的高阻含煤地层； 再向下反演电阻率逐 渐降低。由此可见反演电阻率断面图由浅至深呈 “低 阻高阻低阻” 的变化规律， 与本测区地质地球物理 变化规律吻合， 表明反演计算结果可靠。三条测线中 有两条测线的高阻层被局部低阻截断， 如图2 （a） 所示 的1线中在横向距离约为305340m之间发现一处长 度约为35m的低阻异常区； 如图2 （b） 所示的2线中在 横向距离约为295328m之间发现一处长度约为33m 的低阻异常区； 在与2线相距仅20m的3线[图2 （c） ]中 未发现低阻异常区。鉴于此三条测线连续且对应， 推 断1和2线中的异常区应为一处连续且未延伸到3线的 异常区。又因为此处有小煤窑口存在， 所以将1线和2 线反演电阻率断面图中发现的低阻异常区解释为已积 水的煤层采空区。 为了验证低阻异常区是否为积水采空区， 分别在 低阻异常区中心布置了验证钻孔， 编号分别为Z1和Z2 （如图2中所示） 。Z1号钻孔由地表钻进至38.8m时发 128 2020年第8期西部探矿工程 生掉钻现象， 掉钻约2m， 表明钻探到采空区， 经钻孔窥 视仪窥视采空区已充满水； Z2 号钻孔由地表钻进至 58.1m时， 掉钻约1.5m， 揭露采空区， 经窥视采空区底 板有破碎石块， 采空区已充满水。经钻探验证本次瞬 变电磁法探测解释的低阻异常区为煤矿积水采空区， 表明采用本文所述约束反演方法反演大回线源采集的 数据， 可以实现对较浅层煤层采空区的定位探测。 5结语 采用大回线源工作装置不仅可以提高工作效率， 而且可以增大磁矩提高信噪比， 增大探测深度。大回 线装置与以往常用的晚期视电阻率公式搭配时， 对探 测埋深较浅的目标体不利， 原因在于晚期视电阻率公 式对早期信号的计算存在不适宜的弊端， 无法真实反 映地层电性分布规律， 更无法提取出较浅层目标体在 早期信号中的异常反映。若在数据处理阶段采用约束 反演且在迭代参数和步长方面分别进行控制和约束， 可以实现晚期视电阻率计算方式无法达到的效果， 本 文探测实例即验证了这一点。 参考文献 [1]李貅.瞬变电磁测深的理论与应用[M].西安陕西科学技术出 版社,2002． [2]牛之琏.时间域电磁法原理[M].湖南中南工业大学出版社, 2007． [3]方文藻,李予国,李貅.瞬变电磁测深法原理[M].西安西北工 业大学出版社,1993.9-15. 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