瞬变电磁三维成像在煤矿含水体探测中的应用_晏雁.pdf

第 卷 第期 年月 ，中文引用格式：晏雁瞬变电磁三维成像在煤矿含水体探测中的应用工程地球物理学报，（）：英文引用格式：，（）：瞬变电磁三维成像在煤矿含水体探测中的应用晏雁（湖北煤炭地质物探测量队，湖北 武汉 ）收稿日期：基金项目：中国煤炭地质总局科技项目（编号：）作者简介：晏雁（），男，高级工程师，主要从事地球物理勘探工作。：摘要：瞬变电磁法探测技术是目前煤矿含水体探测的首选方法，目前瞬变电磁常用的解释手段为一维正反演、二维成果图显示，在描述三维空间地质信息方面略显不足。本文以新疆哈密某煤矿含水体探测项目数据为例，为了能够更加准确地了解地下介质的电性结构，多角度、多方位地显示地下含水体三维空间特征，通过坐标转换，将深度视电阻率数据转换到三维空间坐标系下，利用三维可视化软件进行三维离散数据网格化，制作了瞬变电磁三维可视化成像模型、含水体三维可视化模型、三维切片等。结果表明，利用瞬变电磁三维成像能够清晰、直观地显示含水体异常在立体空间上的范围及空间位置形态，亦可以清晰地显示二维剖面难以发现的含水构造，有利于对地下含水体赋存状态、连通情况、补给通道等要素的综合分析。关键词：瞬变电磁；三维成像；含水体；含水构造中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：（，）：，工 程 地 球 物 理 学 报（）第 卷 ，：；引言煤炭资源在我国能源消费中占主导地位，并且在未来相当长的一段时间内仍将是我国工业快速发展和经济腾飞的重要基础。我国部分煤矿采区水文地质条件复杂，煤矿安全生产受到严重影响，据不完全统计，我国有 的煤矿安全事故与地质因素有关，其中煤矿含水体为影响矿山安全的主要灾害源之一；按照含水体的水源划分，煤矿含水体可分为地表水体、冲积层水体、砂岩类含水体、灰岩类含水体等，这几类含水体所引发的煤矿突水事故占全国典型案例 以上；查明煤矿含水体的空间赋存状况和发育趋势，预测和预防矿井突水灾害是煤矿安全生产亟待解决的问题。电磁法 是 含 水 体 探 测 的 主 要 地 球 物 理 手段，其中瞬变电磁 法 因 为 施 工 效 率 高、分 辨 率高、不受高阻层屏 蔽 等 优 点，被 广 泛 地 应 用 于煤矿采区含水体探测及水害预测中，取得了较好的成 果。在 瞬 变 电 磁 数 据 处 理 及 解 释 方面，一维反演和二 维 电 阻 率 成 像 是 较 成 熟、实用的方法，仍是目前瞬变电磁资料的主要解释手段，三维瞬变电磁反演解释技术尚处于正演模拟 的 研 究 阶 段。为 了 能 够 更 加 准 确 地了解地下介 质的 真 实 电 性 结 构，多 角 度、多 方位地显示地下地质体特征，一维反演和二维电阻率成像则稍显不足。本文基于瞬变电磁法基础理论，尝试将一维反演数据进行三维数据转换，利用 软件进行 三 维 成 像 拟 合，将 解 释 成 果 三 维 立 体化，对比常规 二维 解 释 图 件，探 测 异 常 范 围 更加直观，解释成果更加准确。含水地质体特征及探测原理2.1含水地质体赋存特征断裂带、陷落柱、采空塌陷区等是煤矿中主要导水体，亦是造成煤田水患的重要诱因，导水体的存 在为 地 下 水 的 流动 和储 存提供了通 道和空间，由于其中充水及岩层不完整，与周围围岩相比，电阻率往往较低。含水体及导水体与围岩之间的电性差异，是电磁法探测的前提。2.2瞬变电磁原理瞬变电磁法是利用不接地回线或接地线圈向地下发送脉冲电场作为一次场，以激励探测目标体感应产生二次电磁场，在脉冲间歇期间内，利用线圈或接地电极观测二次场随时间变化的响应（即磁场变化率）情况来达到了解地下电阻率的目的。电阻率较低的地质体，如砂层富水区、导水断层、老的采空积水区、含水陷落柱、金属矿体等均能引起衰减慢且较强的二次涡流场，相反，贫水区等高阻地质体引起的二次场衰减快且较弱。瞬变电磁法探测的早期信号反映浅部地电特征，晚期信号反映较深部地电特征，通过记录地下二次瞬变场变化的情况可以了解不同探测深度内岩层的电阻率变化情况，达到探测地下含水体，解决地质问题的目的。工作区概况3.1工作布置情况勘探区位于哈密市西南，东西长 ，南北宽 ，面积 ，区内地层走向近东西向，瞬 变 电 磁 法 测 线 沿 南 北 向 布 设，网 度 为 。第期晏雁：瞬变电磁三维成像在煤矿含水体探测中的应用3.2工作区地质概况工作区地表被新生界地层覆盖，根据勘探区地质资料，主要地层由老到新有：上石炭统梧桐窝子组（）、侏罗系中统西山窑组（）、侏罗系中统头 屯 河 组（）、新 近 系 上 新 统 葡 萄 沟 组（）、第四系（）。中侏罗统西山窑组（）为勘探区范围内含煤地层，地层平均厚度 ，可采煤层平均总厚度 。依据所属水文地质单元、岩性特征及其富水性，勘探区存在四套主要含水层和四套主要隔水层，由上而下分别为：第四系透、隔水层葡萄沟组含、隔水层头屯河组含、隔水层西山窑组含、隔水层。西山窑组含煤地层根据采煤段进一步细分为西山窑组上段煤含、隔水层，中段煤含、隔水层，中段 煤弱含隔水层，各层在垂向分布情况如图所示。图主采煤层与含（隔）水层垂向分布示意图 （）地球物理特征本文收集了煤矿中常见岩层及不同水类的电阻率统计如表所示。从表中可以看出，不同岩性之间电阻率关系为：煤层灰岩砂岩泥岩含水砂岩。整体而言，沉积地层在横向上的电性特征是均一或变化不大的，当存在含水断层构造或其他含水地质体时，电阻率将会产生水平或竖向变化。在纵向上，沉积地层的电性特征通常是表层电阻率较高，越往深部地层，其电阻率逐渐变小；尤其是当地质体在空间上具有一定规模时，则会影响纵向电性特征，呈现局部、区域性的电性异常。已有的探测结果表明，在良导地质构造附近，其电阻率值会发生急剧变化。因此可以根据这种地球物理特征，在横向上对地下岩层富水性、煤层顶底板及采空区的含水体等进行探测，并作出推断解释。表常见岩层及不同水类的电阻率值 类别电阻率煤层 泥岩 中、细砂岩 石灰岩 粗砂岩 咸水（苦水）黏土 黄土层 含水砂岩 河水 潜水 矿井水 注：表中的岩性电阻率统计值来自以往收集的资料。数据采集及处理5.1数据采集勘探工作数据采集设备使用加拿大 公司的 瞬变电磁仪，经过实地试验之后确定的工作参数如下：大回线框 ，频率 ，积分时间，测道数 道，采样窗口时间 ，发射电流 左右，接收探头等效面积 。5.2数据预处理数据预处理的目的是消减外部电磁场干扰，改正装置及仪器产生的响应幅值变化，恢复地下 工 程 地 球 物 理 学 报（）第 卷导电地质体瞬变响应的衰变特征和规律。具体处理步骤为：关断时间校正；剔除畸变数据点；数据滤波；曲线拟合光滑，最终得到可进行反演的数据曲线。5.3数据反演数据反演采用中国科学院地球物理研究所的 软件，首先根据瞬变电磁全域电阻率计算公式计算全域视电阻率；再根据“烟圈”理论的涡流扩散速度计算视深度，以全域视电阻率和视深度为初始模型，利用剥皮法，对所得视电阻率和视深度值进行修正；最后应用有限长度的厚板程序，将横向同深度层的介质分成若干块有限长度的厚板状导电介质进行正演拟合，反复进行深度、电阻率校正，得到最终的深度电阻率二维地电断面数据。二维剖面特征二维剖面为成果解释的主要依据，图为研究区内一典型剖面（剖面）。从该剖面可以看出，由浅到深视电阻率基本呈现由中低中高阻的电性特征，结合地质资料综合分析可知，上部中高阻为新近系葡萄沟组砂岩反映，上中部低阻为侏罗系头屯河组地层反映，中部中高阻为侏罗系西山窑组上段地层反映，下部高阻为侏罗系西山窑组中段及下段地层反映。整个研究区内其他剖面电阻率特征及地层层序基本与此剖面一致。依据含水层富水区在视电阻率平面图上的表现特征及地质资料结合数理统计学理论原理，将反演后的瞬变电磁电阻率数据划分为个等级，即：?；?；?；?；?。其中，?（）?（）（）式中，?为参与统计的所有测点在某一水平切面视电阻率的算术平均值，单位：；为第个测点在该水平切面的视电阻率值，单位：；为该水平切面个测点视电阻率标准偏差，单位：；为参与统计的测点总数。将?的低阻区域划分为相对富水区。结合本区水文地质资料，确定头屯河组含水层相对富水范围的视电阻率阈值为；煤上含 水 层 相 对 富 水 范 围 的 视 电 阻 率 阈 值 为 ；煤 煤间含水层相对富水范围的视电阻率阈值为；煤 煤间含水层相对富水范围的视电阻率阈值为 。各含水层在剖面上的分布如图所示（红线圈定区域）。图 剖面电阻率剖面及解释成果 三维成果7.1三维成像在二维剖面解释成果的基础上，对瞬变电磁探测结果进行三维成像，主要内容包括三维坐标系统建立、三维成图。第节二维剖面获得的数据为深度电阻率的二维数据，其格式为（测线点号）、（探测深度）、电阻率共三列，建立三维坐标系需将每个数据点的（测线点号）、（探测深度）依据勘探区域的测网网度、测线方向、地面标高转换为大地坐标系空间坐标系下的、电阻率（或经度、纬度、海拔、电阻率）共四列格式。第期晏雁：瞬变电磁三维成像在煤矿含水体探测中的应用图三维立体渲染 借助 三维成像软件，将整理好的三维坐标数据导入，采用反距离加权法网格化，制作网格化模型，之后用三维可视化技术显示出来，如图所示；根据需要可制作各方向切片图、流线图、矢量图、等值线图、等值面图、散点图、高低区域图、综合模型图等，可以根据成果解释或展示需要将三维模型进行叠加组合以及三维旋转，方便地质成果的综合解释。图 三维切片与二维剖面对比 7.2二维剖面与三维成像切片的对比三维数据模型完成之后制作了勘探区各测线同位置对应的切片，对三维切片和二维反演原始剖面进行对比。以 剖面为例，图（）为利用三维模型制作的切片图，图（）为对应位置的二维反演原始数据剖面图，二者采用相同色阶及等值线间距。可以看出，三维切片和二维原始剖面由浅到深电阻率变化趋势一致，都能较好地反应出电阻率变化规律及电阻率异常，三维模型制作的切片等值线更加圆滑，在剖面 位置附近地层的错动在三维切片中更加清晰。综合分析认为，三维成像过程中数据进行了三维空间网格化，与二维原始剖面相比，电阻率变化规律及电阻率异常无变化，因此三维成像在保持异常不丢失的情况下数据更加圆滑，异常及构造的反应更清晰，有利于异常体或目标体的精确定位。7.3含水层的三维空间特征 头屯河组含水层三维空间特征图（）中 蓝 色 区 域 为 利 用 电 阻 率 阈 值圈定的头屯河组含水层三维分布图，从图中可以看出，头屯河组含水层的相对富水范围主要分布在勘探区的北部和南部；按照含水层的空间分布特征，将相对富水范围划分为三个区域，分别为、，其中 位于勘探区西北部，范围较大，呈团块状，含水层连续稳定，纵向上有一定延深；与 相邻，位于 北东侧，由多个 工 程 地 球 物 理 学 报（）第 卷图主要含水层三维空间位置特征 富水区块组成，范围较大，各富水区块之间有一定通道进行连接，纵向延深不大；相对富水区位于勘探区南部，范围较大，整体呈团块状，含水层连续稳定，纵向上延深不大。煤上含水层三维空间特征图（）中 蓝 色 区 域 为 利 用 电 阻 率 阈 值 圈定的煤上含水层三维分布图，从图中可以看出，煤上含水层的相对富水范围很大，以勘探区南部和北部为主，含水层厚度由南北两端往中部逐渐变薄直至消失。煤煤间含水层三维空间特征图（）中蓝色区域为利用电阻率阈值 圈定的煤煤间含水层三维分布图，从图中可以看出，煤煤间含水层分布在勘探区的北部和南部，北部含水层规模和厚度均较大，为该层主要富水区域，南部含水层以小规模存在，且连续性不佳；从空间位置来看，北部含水层位于头屯河组 及煤上北部富水区域位置的正下方，含水层范围及厚度略有减小，呈团块状，层位较稳定且连续。煤 煤间含水层三维空间特征图（）中 蓝 色 区 域 为 利 用 电 阻 率 阈 值 圈定的煤 煤间含水层三维分布图，从图中可以看出，煤 煤间含水层分布特征与煤煤间含水层基本一致，北部含水层规模和厚度均较大，为该层主要富水区域，南部含水层以小规模存在，且连续性不佳；从空间位置来看，富水区域与上述三个含水层的富水区域有明显的对应关系，含水层范围及厚度有所减小。勘探区含水层综合分析将上述分析的个主要含水层位在空间位置上进行叠加，如图（）所示，分为南北两个富水区域，分别以东南角和西北角中心，中部含水层缺失，纵向上个含水层主要分布在勘探区的中上部，地表至地下标高约 范围之内，对应煤系地层西山窑组，各含水层中煤上含水层富水范围最大，各层在空间位置上并没有明显的分层界限。通过对工作区内水文地质单元分析，勘探区所处的水文地质单元是相对独立且封闭的，整体上均为贫水的水文地质单元，气候极其干旱，大气降水极少，无地表径流及水体，即没有大气降水对地下含水的直接补充来源，分析认为上述含水层应为西山窑组局部富水，补给相对薄弱，可能主要接受东部天山冰雪融水补给，是未来矿井开采的直接充水含水层。7.4构造发育情况分析通过三维数据模型制作了 、三个不同深度的水平切片，如图所示，可以清晰地显示出勘探区存在两条断裂构造，断裂表现为低阻异常，近南北走向，纵向上近似直第期晏雁：瞬变电磁三维成像在煤矿含水体探测中的应用图构造在不同深度切片图中的特征 立，断裂表现为高低阻分界线，近东西向，纵向上近似直立，该断裂在 位置附近将 断裂错断。将上述推断含水层富水区域结合断裂构造综合分析，认为 断层仅在两端富水性较强且存在导通可能性，断层富水性较差。结论及讨论8.1结论）与传统的二维视电阻率等值线图进行对比，三维成像切片等值线更加圆滑，含水层及富水范围的划分以及断裂构造的识别更加清晰。）三维成像对地下含水体在立体空间上的范围及空间形态显示更加清晰、直观，易于对地下含水体水文地质情况进行综合分析。）瞬变电磁三维成像可根据需要制作各种切片及模型图，丰富了处理解释方法，信息量更加丰富、更直观，解释更加全面，有助于地质成果综合解释。8.2讨论目前，瞬变电磁数据处理基本为一维正、反演，成果图为二维显示，真正的瞬变电磁三维反演尚处于初步研究阶段；本文介绍的瞬变电磁三维成像也是基于一维反演数据成图，并非真正意义上的三维，但相较于二维来说，在成果资料解释方面优势明显；未来成熟的瞬变电磁三维反演技术结合三维成像，将会更大程度地提高瞬变电磁工作解释的精度，更好地解决各种环境下复杂介质的电磁成像问题。参考文献：崔江伟，王施智矿井瞬变电磁法在煤矿突水灾害预防中的 应 用 研 究 煤 炭 技 术，（）：薛国强，李海，陈卫营，等煤矿含水体瞬变电磁探测技术研究进展煤炭学报，（）：高冬冬 瞬变电磁法在采煤工作面底板富水性探测中的应用探析 山西化工，（）：杜文龙瞬变电磁法在煤矿富水区探测中的应用山东煤炭科技，（）：彭明涛，王磊，曾明勇，等综合物探方法在川东高陡断褶带隐伏断层勘探中的应用研究 物探与化探，（）：吕国印瞬变电磁法的现状与发展趋势物探化探计算技术，（）：邢修举矿井瞬变电磁超前探测陷落柱三维可视化技术 中国煤炭，（）：薛国强，于景邨瞬变电磁法在煤炭领域的研究与应用新进展地球物理学进展，（）：陈聪，张晓晴瞬变电磁法在工程地球物理勘探中的应用煤炭技术，（）：孟小杰，孙文斌，肖磉高密度电法和瞬变电磁法在转龙湾煤矿富水区探测中的应用工程地球物理学报，（）：王国库不同含水率采空区瞬变电磁响应特征研究北京：煤炭科学研究总院，高海涛，冯光俊，刘景，等新疆哈密大南湖矿区七号矿井煤顶板突水危险性预测科学技术与工程，（）：吴晓军，冯光俊，高海涛，等新疆大南湖七号煤矿顶板突水危险性评价与防治煤矿安全，（）：郭嵩巍，闫强 瞬变电磁法在内蒙古乌拉特前旗明安镇西找水工程中的应用科学技术与工 程，（）：王星明，郭栋，李嘉水资源勘查中综合电法勘探方法技术与应用 物探与化探，（）：武军杰，邓晓红，张杰，等 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