基于瞬变电磁法的陇东煤矿采空区水文地质勘探技术研究.pdf

第 59 卷 第 4 期2023 年 7 月地质与勘探GEOLOGY AND EXPLORATIONVol.59 No.4July，2023基于瞬变电磁法的陇东煤矿采空区水文地质勘探技术研究杨华奎1，2（1.甘肃省地质矿产勘查开发局第三地质矿产勘查院，甘肃兰州 730050；2.甘肃省绿色矿山工程研究中心，甘肃兰州 730050）摘 要煤矿开采会破坏地层地质结构，造成采空区地表断裂、下沉塌陷等危害。为避免这一问题，需准确探测煤矿采空区水文地质，为此提出基于瞬变电磁法的煤矿采空区水文地质勘探技术。该方法以甘肃省陇东煤矿采空区水文地质为主，分别分析了甘肃省煤矿采空区的地形地貌、地层岩性、水文地质特征，根据分析结果估算瞬变电磁法在水文地质勘探时的最大勘探深度，确定瞬变电磁法的工作参数。依据勘探结果确定煤矿采空区水文地质的异常范围，以此实现煤矿采空区水文地质勘探研究。在实际应用中有效探测出了地层塌陷位置发生高阻半闭合异常现象，且除高压线外煤矿采空区其余位置的干扰电压较小。关键词瞬变电磁法 煤矿采空区 水文地质勘探研究 水文地质特征 甘肃中图分类号P631.325 文献标识码A 文章编号0495-5331(2023)04-0883-08Yang Huakui.Hydrogeological exploration technology for the Longdong coal mine goaf based on the transient electromagnetic methodJ.Geology and Exploration,2023,59(4):0883-0890.0 引言煤炭作为人类生产生活必不可缺的能量来源之一，其供应安全问题一直是能源安全中重要的一环（樊胜岳和霍亚静，2021；高宇航等，2021）。煤炭开采过程会留下大量的采空区，塌陷区会导致耕地破坏、地下水枯竭、道路地裂变形、生态环境恶化等一系列问题（胡雄武等，2021；刘妍君等，2021；李玉嵩等，2022），煤矿在开采期间也会出现多种安全事故，并对生态环境造成不同程度的影响。经调查发现，多数煤矿安全事故不仅仅来源于自然灾害，还包括煤矿采空区的各类灾害影响（李凯和李晓龙，2022；刘小雄和王海军，2022）。例如生产煤炭时极易出现瓦斯、水害等灾害，这种危害也会给采矿工作人员的生命安全带来严重威胁，也因此受到了各个国家的高度重视。为解决上述问题，需要对煤矿采空区水文地质勘探技术开展研究。有学者提出基于槽波法地震勘探的矿井煤层采空区地质异常勘探方法（郭银景等，2020），该方法全面分析了煤层内部结构，基于地质勘探技术对地质进行信号采集、预处理、数据提取、数据分析等多个步骤，根据分析结果结合相关方法进一步整理采集数据，研究出煤矿采空区的煤层厚度、煤炭结构等多方面勘探结果，以此实现采空区水文地质勘探。有学者提出山地煤层气勘探创新实践及有效开采关键技术（梁兴等，2022），以四川盆地南部筠连煤层气田为例，该方法通过对煤层气田的分析，获取煤炭勘探理论及相关技术。经研究发现，该采空区域内存在微纳米级孔隙，通过对煤层的热演化可知煤层吸附的气量较高，且针对当地煤层地质特征，进一步对勘探开发进行了有效评价，以此实现采空区地质勘探。有学者提出基于弱光栅阵列相位载波解调的分布式井中地震勘探技术（王晨等，2022），将嵌入式光纤光栅阵列结合相位载波解调构成光纤分布式声波传感系统，以此达到抑制声波噪声的目的，将其应用到实际勘探技术中，发现光栅阵列可有效采集到地质数据，可根据采集结果制定勘探方案。有学者提出基于瞬变电磁法和大地电磁法的煤矿积水采空区探测（林井祥等，2021），以鸡西地区doi:10.12134/j.dzykt.2023.04.014收稿日期 2022-12-23；改回日期 2023-05-30；责任编辑 陈伟军。第一作者 杨华奎（1972年-），男，2010年毕业于石家庄经济学院水文与工程地质专业，现主要从事水文地质、工程地质、环境地质研究。E-mail：。杨华奎883地质与勘探2023 年庆东煤矿为例，采用瞬变电磁法和大地电磁法，开展地表综合地球物理勘探，并结合已有观测数据，对其进行反演，对钻进效果进行检验。由于上述方法没有针对煤矿采空区地质特征展开详细分析，影响煤矿采空区水文地质勘探效果，导致这些方法存在勘探性能差的问题。为了解决上述方法中存在的问题，本文提出基于瞬变电磁法的煤矿采空区水文地质勘探技术。与传统方法相比，所提方法利用瞬变电磁法进行勘探，可以有效避免煤矿开采对地质结构的破坏。通过分析甘肃省煤矿采空区的地形地貌、地层岩性、水文地质特征，为后续的煤矿采空区水文地质勘探提供重要的依据，有助于进一步优化探测方法和工作参数。本文方法对瞬变电磁法在水文地质勘探时的最大勘探深度进行了估算，对于确定探测范围和优化探测方案非常关键。该方法在实际案例中成功探测出了地层塌陷位置的异常现象，表明基于瞬变电磁法的勘探方法可以有效地识别地下异常，有望在煤矿采空区水文地质勘探中得到广泛应用。1 甘肃省煤矿采空区地质特征分析以甘肃省煤矿采空区为例，分析甘肃省煤矿采空区地质特征，为后续研究煤矿采空区水文地质勘探技术奠定重要基础。1.1 地形地貌分析地形地貌分析甘肃省处于黄河上游位置，从东南方位看，甘肃省与山西、青海交界，而西北方位以新疆、内蒙、宁夏等地接壤，是古代丝绸之路的黄金路段。甘肃省与西秦岭余脉南屏山和祁连山相连，省内高山、中山重叠，山中峰谷交错，沟壑纵横，且地势陡峻，这种地势导致甘肃省的地势东北高、西北低，平均海拔高至3 570 m。甘肃省地形地貌导致其地表极易受到黄土、丘陵的侵蚀，地貌主要呈黄土沟壑。地层阶面多被黄河冲沟切割，呈现出不连续的分布情况，且截面破坏严重，会呈现出“V”字沟槽。1.2 煤矿采空区地层岩性分析煤矿采空区地层岩性分析在这种地形地貌下，甘肃省煤矿采空区选取出露地层作为勘探地层，出露地层主要分成新近系（N）、第四系（Q）松散层两种层面。（1）新近系（N）岩性分析甘肃省处于陇西黄土高原，新近系分布广泛，采空区地层内陆河湖碎屑岩的沉积较多（黄玉凤等，2022），地层岩相、厚度等变化大，地层内部富含钙质，少数地段有石膏物质。（2）第四系（Q）松散层岩性分析甘肃省工作区域分布广泛，且地质岩性成因较多，致使地层岩性、厚度变化大（卢建国，2021；马振军等，2021；马少强等，2022），详情如表1所示。表1 甘肃省陇东煤矿采空区第四系地层表Table 1 Quaternary strata in the Longdong coal mine goaf of Gansu Province时代全新世晚更新世中更新世下更新世Q4Q3Q2Q1古气候最宜期寒冷湿期极干期寒冷湿期干燥湿润温和湿热极寒冷湿润半干旱湿热寒冷湿期成因类型冲积、洪积、滑坡堆积冰积、冲积、洪积风积冰积、冲积、洪积风积冰积、洪积残积冰积、冲积洪积残积冰积沉积物砂砾石、砂碎石、粉土灰色泥砾、砂砾石黄土灰色泥砾、砂砾石黄土状粉土砂砾石、粉土碎石层粉土、粘土古黄土红土风化壳泥砾所处地貌河谷I、II级阶地冰蚀洼地、III级阶地黄土丘陵冰川槽谷I级台地黄土丘陵V级阶地、冰川槽谷冰川槽谷洪积台地丘陵冰碛丘陵冰碛丘陵884杨华奎：基于瞬变电磁法的陇东煤矿采空区水文地质勘探技术研究第 4 期根据表1的煤矿采空区勘探资料，甘肃省煤矿采空区地貌主要分成河谷I、II级阶地、黄土丘陵等，主要沉积物有粉土、砂砾石、泥岩等。1.3 水文地质分析水文地质分析通过上述岩层分析，进一步分析甘肃省水文地质。依据赋存特征可分为三类不同含水层性质的地下水：（1）煤矿采空区松散岩类孔隙水松散岩类孔隙水主要沿河谷分布，呈带状分布，其分布范围极易受到河谷结构及地形地貌的影响。在该水层中含有较为疏松的砂砾石层，同时地下水水质因地而异（宋明春等，2022；孟祥甜，2023；邵炳松等，2023）。黄土潜水主要在丘陵区分布，受到大气降水的补给，水位的深度会随着黄土厚度的变化而变化，水质较好，矿化度一般（田浪等，2022）。（2）碎屑岩类孔隙裂隙水该地下水受到潜水供给，主要位于新近系地层。由于临洮盆地在地层内的富水性较优，矿化度较低，水质好，且岩石、地质构造的径流途径较少，所以该类水质中包含大量矿物质，是丰富性较高的淡水（王兴锋和高平，2021；王禹等，2020；魏操等，2022）。（3）基岩裂隙水基岩裂隙水的径流较短，大多数会以泉水的方式排出沟谷；基岩裂隙水从高到低以潜流方式输送水质，但年降水量较低，导致基岩裂隙水匮乏，径流模数小。由此可见，降水量的多少会影响基岩裂缝隙水的富水程度（习龙等，2022）。综上所述，由于存在煤矿采空区松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水、基岩裂隙水三类地下水，随深度增加，岩石矿物成分变化较为显著，水含量、孔隙度等参数变化会对视电阻率产生影响，其趋势呈现复杂的非线性规律。在不同含水层性质的地下水中，随深度增加，含水层未饱和带的位置、宽度和电阻率的变化规律较为明显（徐慧等，2020；张楠，2021；张群等，2023）。2 基于瞬变电磁法的煤矿采空区水文地质勘探通过上述分析得到甘肃省煤矿采空区水文地质特征，以此为基础采用瞬变电磁法勘探甘肃省矿区采空区水文地质。2.1 瞬变电磁法瞬变电磁法瞬变电磁法是一种非侵入性的地球物理勘探方法，常被用于寻找地下物质（张小波等，2021）。瞬变电磁法需要使用一系列不同类型的仪器完成测量任务，以下是常用的主要仪器和设备：（1）发射器和接收器：瞬变电磁法发射器和接收器通常是一对，用于在地下注入电磁脉冲和接收回波信号。发射器产生的电流脉冲会激发地下物质中的电磁感应电流，因此需要将频率范围调节为适合不同探测深度的频段以达到最佳探测效果。接收器用于检测由发射器产生的电磁场激发的感应电流产生的电压信号（张士岭和和树栋，2022）。（2）数据采集装置：用于记录由接收器采集的电压数据，以便后期分析处理。在上述采集装置的应用下，利用放大器放大和过滤采集到的电压信号，使其适合进一步处理，通过计算机控制单元来控制发射器和接收器之间的时间差，以确定测量的深度。通过数据处理软件处理和解释测量获得的数据，并将结果以合适的形式呈现（张耀辉等，2021）。煤矿采空区地层含有脉冲磁场，因此利用瞬变电磁法，以不接地回线方式向地层内输送磁场（胡雄武等，2021；马振军等，2021），当地层脉冲磁场处于中断期时，立即观测磁场二次涡流场，以此勘探水文地质深度。结合TEM透射电子显微镜即可有效观测到二次场，达到最大的勘探深度（张昭和殷全增，2021；赵立国等，2022）。在勘探甘肃省矿区采空区水文地质前，可先估算瞬变电磁法在水文地质勘探时的最大勘探深度，如公式（1）所示：H=0.44()L2I11 5（1）式中，H表述最大勘探深度（m），L标定回线发送长度（m），I标定电流发送值（A），1标定电阻率（m），标定最小分辨率电压（V）。根据计算结果，设置 TEM 的勘探控制深度在50450 m范围内。2.2 勘探过程勘探过程采用同一回线装置作为勘探设备，该装置中主要有一个发射、接收时共同使用的线圈，可有效勘探出目标体特征，精确提出勘探物的倾角和深度信息，且测量设施便捷。设置勘探的煤矿采空区目标层深度在80150 m，由于地形复杂程度高、工期紧张，所以设定回线装置匝数内有 10匝回线，勘探后采用电阻率公式计885地质与勘探2023 年算。由于回线边长和匝数都由地质勘探任务决定，因此边长越短，体积越小，分辨率就会越高。回线边长越大，勘探深度也会越深，受到的磁场干扰也会越多，不利于施工。考虑以上影响因素，设置钻孔D15位置采用20 m20 m10匝及10 m10 m10匝的回线方式实施勘探测试。因而煤矿采空区钻孔D15附近测点的不同回线边长对浅层s的影响如图1所示。图1 陇东煤矿采空区测点不同回线边长的浅层曲线Fig.1 Shallow curves of different loop sides at measurement points in the Longdong coal mine goafa-回线边长10 m；b-回线边长20 ma-loop side length of 10 m；b-loop side length of 20 m从图1可知，两种回线的s曲线有效反映出采空区测点位置的视电阻率变化，除去时间干扰等误差影响，其余均与采空区钻孔资料相吻合。为此，利用瞬变电磁仪向煤矿采空区发射电流8 A，叠加次数为130次。本次勘探以东西走向为主，布置测线20条，其点距为15 m，线距为50 m，具体如图2所示。图2 基于瞬变电磁法勘探示意图Fig.2 Schematic diagram of exploration based on transient electromagnetic method勘探前采用动态 GPS 测定各个测点的坐标，勘探期间为保障工作效率，采用面积性勘探方法，在某个测点勘探完成后选择就近点继续勘探，但要记录采空区测点点号、线号等。勘探结束后需将瞬变电磁法测量数据输入到计算机软件内，以此记录当天勘探工作量，同时也可以监测采空区未勘探的测点，便于第二天的勘探工作指导，提升勘探效率。在已知煤矿采空区塌陷位置勘探，将采集结果与以往野外采集资料对比，再通过分析后进一步实现煤矿采空区水文地质勘探。2.3 煤矿采空区水文地质勘探研究煤矿采空区水文地质勘探研究根据上述设置的勘探流程，基于瞬变电磁法获取煤矿采空区水文地质勘探结果（卢建国，2021；梁兴等，2022）。以180线为例，煤矿采空区水文地质勘探结果如图3所示。886杨华奎：基于瞬变电磁法的陇东煤矿采空区水文地质勘探技术研究第 4 期图3 陇东煤矿采空区勘探结果Fig.3 Exploration results of the Longdong coal mine goafa-瞬变电磁全域视电阻率断面；b-瞬变电磁全域视电阻率反演断面a-transient electromagnetic global apparent resistivity cross-section；b-inversion cross-section of transient electromagnetic global apparent resistivity图3a为瞬变电磁法的煤矿采空区水文地质勘探的瞬变电磁全域视电阻率断面，在深度90 m、距离180 m处位置，采空区等值线属于高阻半闭合异常，且幅度较高，其电阻率变化范围较大，与地层塌陷、地裂缝等位置相同。图3b为瞬变电磁法的煤矿采空区经计算机软件处理后的模拟电阻率反演断面，经研究发现，该结果与图3a一致，在相同位置出现了高阻半闭合异常，且与地层塌陷位置相同。根据上述获取结果，进一步取得瞬变电磁多测道电压剖面，获取结果如图4所示。在40160 m的位置出现了较明显的低电压异常现象，且幅度较大，和已知的煤矿采空区水文地质塌陷、地裂缝等位置相同。根据以上测试结果获取煤矿采空区水文地质异常特征，通过瞬变电磁法所反映出的煤矿采空区相对高阻态、低电压的特性，证明瞬变电磁法与已知的野外采空区采集资料吻合度相同。依据煤矿采空区勘探位置高压线、煤矿等干扰源的分布情况，分别对这些位置的干扰源实施不同强度的干扰水平勘探（张楠，2021；魏操等，2022），以保证煤矿采空区水文地质勘探效果。为此获取的高压线下煤矿采空区瞬变电磁的干扰水平监测曲线如图5所示。通过图5可知，煤矿采空区高压线下所带来的干扰影响较大，且干扰电压通常在 40-610-6V 左右；煤矿采空区正常区域中，带来的干扰影响较小，图4 陇东煤矿采空区多测道电压剖面Fig.4 Multi channel voltage profile of the Longdong coal mine goaf887地质与勘探2023 年所以电压值通常仅在010-6 V之间变化。由于低电压处属于干扰影响较低的区域，所以从图中可知除高压线外煤矿采空区其余位置干扰影响均低，依据上述勘探结果可保证野外采集资料的质量及准确性。上述勘探技术获取参数，采用瞬变电磁法在有条件的煤矿采空区探测（孟祥甜，2023；邵炳松等，2023），利用煤矿采空区水文地质岩层性质、结构，对煤矿采空区实施勘探监测。在钻探采空区验证孔时，钻探期间都出现漏浆现象，以此可推断地下为煤层采空。在钻探过程中均发生了漏浆，由此可以推测出此处为煤层采空区。根据瞬变电磁法测量的煤矿采空塌陷区物探结果，确定煤矿采空区高阻异常区域，同时该区域与钻探结果吻合。按照钻孔数字探测资料和监测资料显示，可知煤矿采空区的塌陷会对煤矿采空区水文地质的岩石结构产生严重破坏，导致煤矿采空区地层出现裂缝、碎块等现象，也以此验证了钻探孔处煤矿采空塌陷区不利于开采，过度开采还会出现崩塌问题。3 结论煤矿采空区水文地质错综复杂，其地质勘探难度较大。为解决这一问题，提出基于瞬变电磁法的煤矿采空区水文地质勘探技术。针对甘肃省煤矿采空区域的地质特征开展了有效分析，采用瞬变电磁法进一步勘探煤矿采空区水文地质，确定了煤矿采空区域存在的异常范围及性质，实现煤矿采空区水文地质勘探研究。该方法在瞬变电磁法试验测试方面还存有不足，瞬变电磁法的勘探深度有待进一步优化，日后会针对这一问题加强研究，达到进一步提升勘探技术的目的。ReferencesFan Shengyue，Huo Yajing.2021.Analysis of the farmers willingness to replace coal with electricity and the influencing factors in Pu County J .Journal of Arid Land Resources and Environment，35（1）：56-64（in Chinese with English abstract）.Gao Yuhang，Xu Guangquan，Dang Baoquan，Zhang Haitao，Chen Guojun，Sun Gui.2021.Analysis of groundwater dynamic characteristics and hydrogeological model of karst under 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