煤矿采空富水区瞬变电磁法探测及三维可视化应用.pdf

2023年8 月第43卷增刊第1期四川地质学报Vol.43Suppl.No.1Aug.,2023煤矿采空富水区瞬变电磁法探测及三维可视化应用施羽，廖军桥，赵勇，骆孟，龙正江（四川省第六地质大队，四川泸州6 46 0 0 0）摘要：随着煤矿采空区探测难度及精度的逐渐增大，基于物性数据体的三维可视化分析已成为煤矿采空区精细化识别的主要发展方向。采空区探测方面，瞬变电磁法是目前采空富水区探测的主要方法，利用瞬变电磁仪能有效采集电磁信号并反演视电阻率数据体；三维可视化分析方面，利用三维可视化软件显示物性数据体能细致反映物性异常，提升采空区解译识别精度。本文以川南某煤矿采空富水区瞬变电磁法探测及三维可视化应用为例，采用瞬变电磁仪采集电磁数据并利用三维可视化软件开展视电阻率数据体三维可视化分析，经钻探验证，最终有效识别了煤矿采空富水区空间分布。关键词：采空富水区；瞬变电磁法；三维数据体；三维可视化瞬变电磁法测点中图分类号：P631.3+4DOI:10.3969/j.issn.1006-0995.2023.S1.021地下煤层开采后会形成大面积采空区，而叠加于采空区问题中的隐蔽含水体是影响矿山安全的主要灾害源之一。地球物理方法是采空区探测的主要手段，地震法（吴成平和胡祥云，2 0 0 7）、电磁法（薛国强等，2 0 2 1）高密度电法（刘康和等，1992）、微动法（徐佩芬等，2 0 12）放射性探测法（韩许恒与郁春霞，1996）探地雷达法（程久龙等，2 0 0 4）等方法均已广泛应用于采空区探测，其中，地面瞬变电磁法对低阻含水体反应灵敏，施工方便，已成为煤矿采空富水区探测的主要方法。然而，稀疏测线采集、二维剖面显示、小数据量解译分析的探测过程已无法满足现阶段煤矿采空富水区的探测需求。采用加密测网采集、三维数据体显示、大数据量解译分析的探测过程能从采集的物性数据体中提取更为直观全面的地质信息，提升采空富水区解译识别精度。本文将以川南某煤矿采空富水区瞬变电磁法探测及三维可视化应用为例，采用瞬变电磁仪采集电磁数据并利用三维可视化软件开展视电阻率数据体三维可视化分析，再基于视电阻率数据体识别采空富水区空间分布范围，最后对采空区识别成果进行钻探验证。1工作区概况1.1 地形地貌工作区位于四川省南部乐山市五通桥区，工作区由4个坐标拐点围成，面积约0.56 km。工作区内微地形主要呈现为北高南低，海拔一般在37 3410 m；地貌表现为梁谷相间的丘陵地貌，区内岩层倾角小（近似水平地层），软硬相间的紫红色砂岩和泥岩经侵蚀剥蚀后常形成坡陡顶平的方山或馒头状丘包（图1）。1.2地层构造收稿日期：2 0 2 3-0 5-31作者简介：施羽（1992 一），男，四川泸州人，硕士研究生，专业方向为地球物理勘探108文献标识码：A98252.8252.0图例文章编号：10 0 6-0 995（2 0 2 3）S1-0108-05杨家湾ZK03ZK02ZK044073.86:2ZK1开宫堂9385.Ji侏罗系中下统自流井组构建筑物区图1工作区地质概况及工程布置图352.8252.0地层产状钻孔河沟及流向TEH-1C煤矿采空富水区瞬变电磁法探测及三维可视化应用工作区出露地层主要为第四系全新统（Q4）地层，下伏侏罗系中下统自流井组（Ji-2z）地层、三叠系上统须家河组（T3xi）地层。其中，侏罗系中下统自流井组主要为紫红色薄一中厚层状泥岩、砂质泥岩，夹泥质粉砂岩、细粒砂岩地层；三叠系上统须家河组主要为深灰色、灰色中厚层状砂岩含煤系地层。工作区内构造简单，为一单斜构造，属老龙坝背斜北西翼，断层不发育。根据现场调查，岩层产状主要为350 Z1。1.3开采煤层工作区周边煤矿开采历史悠久，老窑分布众多、开采规模和强度较小，目前已全部关闭，采空区无相关资料可查。工作区范围涉及关闭煤矿一座，该煤矿始建于1994年，主采K10煤层，设计生产规模为6万吨/年，矿井采用斜井长壁式开采，目前已关闭。K10煤层赋存于须家河组第三段第3 4层下部，煤层埋深约140 18 0 m，煤层厚度约1.2 5m，全区稳定，煤层顶底板均为灰色砂岩。2采空富水区探测2.1 物性特征根据工作区岩样标本电性测试工作及相邻区以往物探工作经验，工作区岩体及探测目标体的相对视电阻率值判识参数如下：岩体中泥岩视电阻率值相对较低，在2 0 30 0 Q.m之间，一般小于2 0 0 Q.m；砂岩视电阻率值相对较高，在7 0 50 0.m之间，一般大于30 0 2.m。探测目标体为采空富水区（包括采空区及导水裂隙带），视电阻率值在区内相对最低，一般小于10 02.m。因此，探测目标体与围岩存在明显电性差异，工作区具备开展电磁法探测的前提条件。2.2 工程布置为查明工作区内采空富水区分布范围，本次工作采用地面瞬变电磁法进行探测，并根据三维可视化分析结果对采空区富水区进行钻探验证。本次工作按40 2 0 网度布设瞬变电磁法测点，并根据探测分析结果布置钻探工程孔4个，具体工程布置见图1。2.3方法原理本次采用瞬变电磁法探测采空富水区。瞬变电磁测深法的探测原理是对地面线圈发射脉冲电流，产生一个瞬变的电磁场，该磁场垂直于发射线圈向两个方向传播，通常是在地面布设发射线圈，依据半空间的传播原理，把地面以上的忽略。磁场沿地表向深部传播，当遇到不同介质时，产生涡流场或遵照量子力学原理使活泼的碱金属产生能级跃迁或使含有大量氢原子的液体的氢原子核沿磁场方向产生定向排列。当外加的瞬变磁场撤销后，这些涡流场的释放或者活泼的碱金属要恢复原有的能级，释放跃迁产生能量。以及含有大量氢原子的液体的氢原子核恢复原有的排列时，均以磁场的形式释放所获的能量。利用接收线圈测量感应电动势V2，该电动势包含了地下介质电性特征，通过种种解释手段（一维反演，视电阻率等）得出地下岩层的结构。2.4探测解译按工程布置逐点开展瞬变电磁法探测工作，并对采集数据进行处理解译，获取工作区视电阻率数据值，初步识别目标层段数据异常区域，形成三维可视化分析数据基础。3三维可视化分析3.1三维数据体集成首先，整理瞬变电磁法探测数据，将各二维测线数据添加坐标及高程属性；然后，将二维测线数据按空间排列分布集成三维视电阻率数据体（图2），并采用三维可视化软件开展可视化分析。1092023年8 月第43卷增刊第1期四川地质学报Vol.43Suppl.No.1Aug.,2023视电阻率数据体50100图2三维视电阻率数据体3.2剖面分析基于三维视电阻率数据体，横纵方向依次按10 m步长提取二维测线剖面并开展视电阻率异常识别，重点识别视电阻率小于10 0 Q.m的测段分布（图3）。经分析，X方向（32 52 2 6 0 32 52 46 0 m）、Y方向（38 6 8 40 38 7 0 6 0 m）、Z方向（2 352 90 m）区域视电阻率总体小于10 0 Q.m，初步识别为采空富水区域。3005002.m图3三三维视电阻率剖面分析3.3切片分析基于三维视电阻率数据体，深度方向（Z轴）依次按2 m步长提取视电阻率切片并开展视电阻率异常识别，重点识别视电阻率小于10 0 Q2.m的深度分布（图4）。经分析，X方向（32 52 2 6 0 32 52 46 0 m）Y方向（38 6 8 40 38 7 0 6 0 m）Z方向（2 35 2 90 m）区域视电阻率总体小于10 0 Q.m，初步识别为采空富水区域。3.4等值面分析基于三维视电阻率数据体，提取10 0 Q.m的视电阻率值形成等值面（图5）。10 0 Q.m视电阻率等值面在三维空间内异常区域由浅部地层（标高2 90 m）延申至煤层所在深度层面（标高2 35m），初步识别为采空富水区域。经地质资料分析，工作区内煤层埋深约140 18 0 m，煤层厚度约1.2 5m，产状350 Z1，全区稳定；工作区内煤层采掘高度约2 m，经计算，形成导水裂隙带高度约55.6 m。结合地质分析，将等值面异常区域识别为采空富水区域（包括：采空区及导水裂隙带）。110图4三维视电阻率切片分析图煤矿采空富水区瞬变电磁法探测及三维可视化应用地形面一10 0 2.m视电阻率等值面采空区富水区（包括：采空区及导水裂隙带）煤层平面图5三维视电阻率等值面分析3.5采空区富水区识别综合上述分析结果，进行采空富水区综合识别。基于视电阻率等值面与探测目标层相对应的联合分析方法，能更为立体全面的显示探测目标体空间细节，有助于精细化提取探测目标体空间延展范围，如图6 所示，10 0 Q.m视电阻率等值面不仅有效识别了煤层平面采空区域,同时也刻画了采空区导水裂隙带空间范围，结合地质分析，有效识别了采空富水区空间展布。叠合视电阻率等值面与视电阻率三维数据体，提取采空富水区顶面视图进行分析，能精细展示采空富水区平面分布范围，如图7 所示，本次探测采空富水区位于X方向32 52 2 6 0 3252460m、Y方向38 6 8 40 38 7 0 6 0 m3.6钻探验证布置ZK1-ZK4号钻孔验证本次采空富水区瞬变电磁法探测及三维可视化识别成果。其中，ZK1号钻孔布置于本次探测识别的采空富水区范围，其余3孔均位于采空区富水区范围外邻近区域。钻探结果显示，ZK1号钻孔钻进至155.90 157.0 0 m时，钻进速度明显增快且有掉钻现象，取芯见少量煤屑，岩芯杂乱，判断为煤层采空区位置；其余3孔均取出完整煤芯，无采空区分布（图7）。经钻探验证，本次煤矿采空富水区瞬变电磁法探测及三维可视化识别结果与钻探成果基本一致，应用效果良好。4结论325299889983252.b52.828FZK2ZK4K采空富水区域3*52.0图6 三维可视化分析采空富水区顶面视图E285（1）本文采用瞬变电磁仪采集电磁数据并利用三维可视化软件开展视电阻率数据体三维可视化分析，经钻探验证，本次有效识别了川南某煤矿采空富水区空间分布。采空区煤层岩芯ZK1图7 ZK1及ZK4号钻孔取芯图ZK41112023年8 月第43卷增刊第1期（2）采用加密测网采集、三维数据体显示、大数据量解译分析的探测过程能从采集的物性数据体中提取更为直观全面的地质信息，提升采空富水区解译识别精度。（3）数据体三维可视化分析能更为立体全面的显示探测目标体空间细节，有助于精细化提取探测目标体空间延展范围。结合地质资料，基于视电阻率三维数据体开展解译分析工作能更为有效地识别煤矿采空富水区空间分布。参考文献：吴成平，胡祥云.2 0 0 7.采空区的物探勘查方法J.地质找矿论丛，（0 1)：19-2 3.薛国强，李海，陈卫营，等.2 0 2 1煤矿含水体瞬变电磁探测技术研究进展J.煤炭学报，（0 1)：7 7-8 5。刘康和，王清玉，庞学懋1992.高密度电阻率法的初步试验J.勘察科学技术，（0 2):54-56.徐佩芬，李传金，凌群，等2 0 0 9.利用微动勘察方法探测煤矿陷落柱J.地球物理学报，（0 7):19 2 3-19 30。韩许恒，郁春霞.19 9 6.氮射气探测在采空区勘察中的应用J工程勘察(0 5).程久龙，胡克峰，王玉和，等2 0 0 4探地雷达探测地下采空区的研究J.岩土力学，（S1)79-82.卿晓锋，杜蛟.2 0 2 2.综合电法在煤矿采空区探测中的效果分析J四川地质学报，42(0 2）32 5-330.范敏，王波，刘兆鑫，等2 0 2 3。成都市龙泉山褶断带三维地质模型构建研究J四川地质学报，43(0 1):17 6-18 2+19 2.王丽坤，简兴祥，罗海金，等.2 0 2 2.基于图切剖面的降扎温泉三维地质建模研究及应用J四川地质学报，42(0 2):30 2-30 4+32 4.四川地质学报Vol.43Suppl.No.1Aug.,2023112