TEM探测低阻覆盖层下煤矿浅埋积水采空区.pdf

第52卷第5 期 煤炭工程 COAL ENGINEERING Vol. 52，No. 5 doi 10.11799/ce202005022 T E M探测低阻覆盖层下煤矿浅埋积水釆空区 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 为了实现低阻覆盖层下浅埋积水采空区的瞬变电磁探测（TEM , 采用大发射回线可以 增强信号，易穿透低阻覆盖层，提高其下部数据的信噪比，但会使浅埋积水采空区的反映信号主要 集中在早期数据中，采用在反演过程中使用前次反演的最优正则化参数直接做为后次迭代的模型参 数 ，并在迭代时控制步长的约束反演方法，可克服晚期视电阻率对早期信号分辨率低的弊端，实现 对地层的电性分层与早期信号中积水采空区的空间定位。经建立K型地质模型正反演验算，以及经 过钻探验证的实例表明对瞬变电磁大磁矩数据进行约束反演，可以实现低阻覆盖层下浅埋积水采 空区的定位探测。 关键词瞬变电磁法；低阻覆盖层；浅埋煤层；积水采空区；约束反演 中图分类号P631 文献标识码A 文章编号167卜0959202005-0101-05 TEM detection of goaf with shallow water under low resistivity overburdens HOU Yan-wei CCTEG Xian Research Institute, Xi* an 710077, China Abstract In order to realize the transient electromagnetic detection TEM of the shallow water goaf under the low resistance overburden layer, the large transmission loop can enhance the signal, easily penetrate the low resistance overburden layer, and improve the signal- to-noise ratio of the lower data. However, the reflection signal of the shallow water goaf is mainly concentrated in the early data, and the optimal regularization parameter of the previous inversion is directly used as the back in the inversion process The model parameters of the second iteration and the constrained inversion of controlling the step length during the iteration can overcome the disadvantage of the low resolution of the late apparent resistivity to the early signal, and realize the electrical stratification of the stratum and the spatial positioning of the goaf in the early signal. Through the establishment of the K-type geological model forward and reverse calculation, as well as the drilling verification examples, it is shown that the constrained inversion of the transient electromagnetic large magnetic moment data can realize the location detection of the shallow water goaf under the low resistance overburden layer. Keywords transient electromagnetic ； overburden with low resistivity； shallow coal seam； waterlogged goaf； constrained inversion 瞬变电磁法（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_4]，大磁矩的回线装置就是其中的一种。该方 法在资源勘探、地质和水文地质调查等领域应用较 广 ，且被普遍认为是对水文地质勘查具有较大贡献 且最具有前景的地球物理勘探方法之一 7]。 TEM 对与水有关的低阻目标体的探测是最为突出的特点， 也即是对低阻反应灵敏的直接体现，这 是TEM的优 点也是其缺点，如当需要探测的目标层（ 或目标异常 体） 上方有低阻层存在时，低阻覆盖层对TEM场具 有减缓传播速度的作用，同时也削弱了深部目标异 常体的信号强度[8, 9]。由此可见上述现象对TEM探 测低阻层下的目标体产生了不利影响。为增大瞬变 场穿透低阻层的能力，可采用增大发射电流和发射 收稿日期2019-10-29 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（ 1 9 8 3 _ ,男，河南商丘人，硕士，副研究员，主要从事煤炭电磁法勘探方面的工作，E - mail 83645722 qq. com。 引用格式侯彦威.TEM探测低阻覆盖层下煤矿浅埋积水采空区[J] . 煤炭工程，2020, 525 101-105. 101101 生产技术煤炭工程 2020年 第 5 期 回线边长的方法来增大磁矩，但是增大发射回线边 长且采用晚期视电阻率计算公式时，对埋深较浅的 目标体分辨能力不足，为解决这个问题，选用在反 演过程中对迭代的模型参数和迭代步长等参数直接 约束的方法[K]，不仅可以提高反演速度，而且能够 提高分辨率，通过对K型地质模型数据的对比分析， 也证明了这一点。将该方法应用于黄陵某电厂厂址 下浅埋煤层积水采空区的探测中，解释的积水采空 区均得到了钻探验证，实现了对目标体的定位探测。 1 TEM涡流场 TEM属于电磁感应类探测方法，遵循电磁感应 原理，其机理为导电介质在一次人工场的激发下产 生的涡流场效应。导电介质即低阻体，低阻体对电 场具有吸引作用，当低阻体形成覆盖层的时候，会 影响瞬变场的传播。上述涡流场有空间特性和时间 特性，涡流强度与诸多因素有关，如导电介质的空 间特征和电性特征、激发场的特征等。增强激发场 可以通过增大发射电流和增大发射回线的方法，即 可实现增大磁矩，从而实现增大涡流场强度，在 TEM勘探中即是实现了二次场信号的增大。如瞬变 电磁仪接收的二次场信号公式，见式（ 1。中即含 有磁矩M项，二次场信号V与磁矩M成正比。 2〇Wt tP3/2, 2 式中， 叫为磁导率，取 4TTXl〇 _7H/m; M为发 射回线磁矩，Am h2; 9 为接收线圈等效面积，m2; p 为地层电阻率，i为时间，ms。 综上所述，大 磁 矩 的TEM能提高数据的信噪 比，为反演奠定了高质量的数据基础。 2反演与约束控制简述 TEM采样过程中观测到/V个时间序列的感应电 动 势d il，2, 3，，T V} , 它是由相应的 地下介质响应和观测误差组成，即 d, fQ,, n St , i 1, 2, 3, /V 2 式中， /C , , n为地下介质响应；5,为噪声等 因素引起的观测误差为厚度未知层状电阻率分 布矢量。假设初始模型为J接近真解，在设定一个 小的邻域内，将模型响应展开，有 N n i 1, 2, N 3 J1 式中，I。 称为灵敏度矩阵。 o n 因反演过程中存在初始模型不合适导致的发散 问题，所以将该过程做了相应调整，假设迭代 再向下为三叠系地层，揭露地层以砂岩、泥岩为主， 电阻率范围为509〇n.m, 呈低阻特征。由此可知, 上部的低阻层将会对中部地层中积水采空区具有屏 蔽作应，采用上述瞬变电磁法进行试验探测并反演 计算，结果可以验证该方法能否在实际生产中探测 出低阻屏蔽层下的小低阻目标体。 4 . 2 设计与参数 经对探测范围内地质资料及积水采空区的初步 了解，在牛武煤矿洞口附近布置试验测线三条（ 编号 分别为1、2、3 线 ） ，各测线长度均为360m, 测点 间距均为5m。结合上述地电模型演模拟计算结果， 选择定源回线工作装置，发射回线边长为240m，以 25Hz的工作频率在回线中部近三分之二的区域进行 数据采集，发射电流约15A。 2020年 第 5 期 煤炭 设为含煤地层，其中加人类似于充满水的积水采空 异常体，厚 度 20m含冒落裂缝带等充水） 、宽度 30m, 电 阻 率 设 为 上 部 50m厚度的低阻层 为其直接覆盖层，再次采用上述约束反演方法进行 试算，异常体上的单点反演结果如图1 所示。积水 采空区的存在，使反演数据在早期即略有减小，随 着时间的增加，反映越来越明显，尤其是到目标体 埋深附近反演数据与极值相差达最大，异常特征明 显，在穿过目标体后，此差异又逐渐减小。 -10 -30 -50 E -70 -130 15〇0 100 200 300 400 500 600 电阻率/ilm 图1三层地电模型反演计算图 对含积水采空区的模型正反演的数据分别生成 断面图，如图2 所示。图 2a为晚期公式计算的视 电阻率断面图，图 2b为反演电阻率断面图，由图 2a可知，断面纵向由上至下的电性特征为“ 高 阻一低阻” ，与模型设定电性特征不吻合；在-l〇m 以浅异常体基本未引起的视电阻率等值线畸变，再 向下引起视电阻率畸变，其畸变特征由浅至深逐渐 增大，畸变范围也随深度增加而增大，无法准确判 断异常体精确位置，也常被认为纵向分辨精度偏低。 由图2b可知，断面纵向由上至下的电性特征为 “ 低阻一高阻一低阻” ，与模型设定电性特征吻合, 中部横向高阻条带被中间的相对低阻异常区截断, 横向上形成明显的低阻异常区；由低阻异常等值线 变化趋势可见，横向上等值线开始发生变化的位置 并不在异常目标体边界处，而是偏离异常目标体边 界有一定距离，但是由异常目标体所在位置可见较 小的反演电阻率值主要分布在异常中心附近，据此 可推断异常目标体的中心大致位置。 4应用实例分析 4. 1探测区概况与地球物理特征 探测区位于黄陵一拟建电厂场地内，地形较为 平坦，但周边高山环绕，且有一河流穿过本场地， 地表水丰富。区域范围内有已关闭的小煤矿，且区 内主采煤层埋藏深度仅约3040m。根据地质资料 oooooo -6 -7 -8 -9 0 1 6/蟹 103 210 260 310 920 P 360 410 水平距离/m b2 线 460 510 560 S60 . 210 260 310 U 360 410460 510 560 水平距离/m c3 线 60 50 38 30 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 r r i 1 T p/ Q-m 图3各测线原始视电阻率断面图 按照前述反演方法对实测数据进行计算，其结 果如图4 所示。图中将三条测线反演电阻率断面图 一起列出，图（a、（b和（c分别为试验测线1、2 和 3 线 ，横向为测线长度或距离，纵向为高程。由 图 4 可知，反演电阻率断面图上部呈近似均匀的条 带状低阻层；向下至含煤地层，反演电阻率值逐渐 增大，呈高阻条带分布，但 1 和 2 测线的高阻条带 中局部出现低阻区段；再向下反演电阻率逐渐降低， 又呈低阻条带展布。综上所述，反演电阻率断面图 由上至下呈“ 低阻一高阻一低阻” 的变化趋势，与 前述地球物理特征一致，表明数据采集及反演计算 方法正确。 图 4al线反演电阻率断面图中，纵向上中部 高阻在横向距离为300 330m之间出现一长度约为 30m的相对低阻异常区，另外该断面图横向距离 4 . 3 探测效果分析 对3条测线实测数据分别采用晚期视电阻率公 式和视深度公式计算，根据计算结果绘成视电阻率 等值线拟断面图，如 图3所示，图（a 、（b和（c 分别为试验测线1、2和3线 ，横向为水平距离，纵 向为各测点视深度结合地表标高转换的高程数值。 由图3可知，3条测线视电阻率等值线连续性均较 好 ，但不反映本区地层“ 低阻一高阻一低阻” 的电 性变化规律，且视电阻率等值线并未直观显示由低 阻异常体引起的畸变，所以在视电阻率断面图中无 法直观看出异常的反映特征，更无法解译积水采空 区，需要进一步反演处理。 E 水平距离/〇 al 线 435510m之间的中部高阻层出现原因不明的上下 波动；图 4b2线反演电阻率断面图中间高阻层在 横向距离为295320m之间，出现一长度约为25m 的相对低阻异常区；在 图 4c 3 线反演电阻率断面 图中，地层电性呈层状且较均匀展布，纵向上中间 的高阻层中未发现明显的低阻异常区，但是在与1 和 2 测线中均有低阻异常区的横向位置相对应处， 高阻层明显变薄，疑 似 1 和 2 测线中发现的低阻异 常区向3线有延伸，且 距 离3线较近。经与图2模 型反演特征对比，结合小煤矿的采掘资料，将 1 线 和 2 线中发现的低阻异常区推断为积水采空区，如 图4所示。 可 采 煤 层 推 断 采 空 区 验 证 站 孔 图4各测线反演电阻率断面图 为验证探测成果，设计钻孔三处。两处编号分 别为Z1 和Z2 的钻孔布置在低阻异常区中心，验证 低阻异常区；另 外 在 1 线反演电阻率断面图横向距 离 435510m之间（ 具有高阻畸变特征） 设计钻孔一 处，编号为Z3。Z1 号钻孔孔口标高943. 18m, 在钻 进至38. 8m时掉钻约2m, 直接验证为采空区，孔内 窥视采空区积满水；Z2 号钻孔孔口标高968.42m， 在钻进至58. 1〜 59. 5m之间揭露采空区，有破碎矸 石 ，且采空区内积满水；Z3 号钻孔为了验证断面中 高阻条带不明起伏区域，根据地表情况选择布置钻 孔位置，孔口标高948. 9m, 在钻进至约43m揭露煤 层。综上所述，瞬变电磁法探测解释的低阻异常区 与钻探结果吻合，即采用本文所述约束反演方法可 以实现低阻覆盖层下积水采空区的探测。 5结 论 1 浅部低阻层对TEM信号具有屏蔽作用，晚 期视电阻率公式对早期信号计算存在不适宜的弊端, 生产技术 煤炭工程2020年 第 5 期 jT r r r 7一 o K o 2 0 8 9 9 8 0 104 2020年 第 5 期煤炭工程生产技术 因此在对地表存在低阻层的埋深较浅的目标体探测 时，若要提高工作效率和深部信号的信噪比，则可 采用大磁矩的TEM。上述情况下不宜采用晚期视电 阻率公式计算，若在数据处理阶段采用最光滑模型 约束反演且在迭代参数和步长方面分别进行控制和 约束，不仅可以实现对地层的电性分层，而且能够 提取出低阻覆盖层下低阻目标体的信息，本文的成 功实例可供借鉴。 2 由模型反演电阻率断面图可以看出，低阻异 常区横向上等值线开始发生变化的位置并不在异常 目标体边界处，而是偏离异常目标体边界有一定距 离，故实际探测中异常区范围圈定的可能会偏大， 建议验证钻孔最好布置在异常中心。 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. 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