论文部分内容阅读
摘要：文章针对甘肃省某矿区内的煤矿采空区积水分布情况，利用瞬变电磁法（TEM）对区内的采空区进行了探测，对于低阻特征的采空区，采用不同深度顺层切片进行综合分析，利用voxler软件对处理之后的数据进行三维成图解释。结果表明，瞬变电磁法对采空区富水性分析有着较好的辨别能力，将三维解释技术应用于采空区探测及积水性分析中，可直观清晰的识别采空区的空间位置，这为今后采空区积水分布情况的探测提供了新的解释手段。
关键词：瞬变电磁法;三维解释技术;采空区富水性分析
The Application of 3D Interpretation Technology in Water-rich
Analysis of Goaf
WEI Haimin1 YAN Wencheng22
1. Yunnan Metallurgical Resources co.， LTD. Kunming Yunnan 650216
2. The 149th team of Gansu coalfield geological bureau Lanzhou Gansu 730020
Abstract：Based on the distribution of water in coal mine goaf in a mining area in Gansu province， this paper probes the goaf using transient electromagnetic method（TEM）. For the goaf with low resistivity， it conducts compre- hensive analysis with bedding sections of different depths. Voxler software is used to interpret 3d mapping of the pro- cessed data. The results show that TEM has a good ability to distinguish the water-rich analysis of goaf. The 3D inter- pretation technology can be applied to goaf detection and hydrological analysis， and the spatial position of goaf can be identified clearly and intuitively. This provides a new interpretation method for the detection of water accumulation in goaf in the future.
Keywords： Transient Electromagnetic Method; 3D interpretation technology; Water-rich analysis of goaf
1.引言
因长期以来小煤矿的随意开采，又无资料可查，导致采空区的分布无规律可循，浅部采空区受后期地面水渗入，形成采空区积水，这给井下及地表工程的开展带来了不可忽视的阻碍[1，2]。因此探明采空区富水情况，给下一步工程的开展提供指导依据，有着非常重要的意义。文章采用TEM对矿区内低阻采空区进行了探测，从多角度展开分析解释，确定了充水采空区的空间位置，为后期工程提供了指导作用，同时也为工程勘察提供了新的分析解释方法。
2.方法原理
瞬变电磁法是利用磁源和电偶源向地下发送一次场，在一次场的间歇期间利用回线或偶极观测二次涡流场，由于二次场包含有地下地质体丰富的地电信息，通过信息提取和分析，从而达到探测地下地质体的目的。
3.使用仪器及施工参数
本调查区使用V8多功能电法仪进行TEM数据采集。
结合调查区情况和勘探目标深度（400m以内），经过多次试验后确定了瞬变电磁法的施工参数：采用大定源回线装置，发射源回线边长240m×240m，在框内三分之一范围内接收数据，线距40m，点距20m，工作基频25Hz;供电电流4A～6A;采样积分时间180s。
4.应用实例
4.1工区地质概况
工区地层由老到新主要沉积三叠系上统南营儿群、侏罗系（大西沟群、窑街组、新河组、苦水峡组）、白垩系（统河口群）和第四系（更新统、全新统）地层。其中，中侏罗统窑街组为区内主要含煤层系，是本次探测的目标层位，深度均在200m以内。
4.2煤矿充水采空区电性特征
一般在煤层未被采动时，地层呈完整的层状分布，同一地层的电性差异不会太大。而在煤层被采空后，煤层上下岩层间形成一定的裂隙，破坏了岩石的完整性、连续性，故该处电阻率表现出局部高阻特性;当采空区的空隙被水充填，其电阻率则呈低阻反映[4]。
4.3采空区富水性分析
如图1所示为TEM处理之后的数据体用voxler软件在三维空间内的效果图。图中紫色圈定部分为埋深小于120m（z≥-120m）、视电阻率值小于15Ω·m的低阻异常体分布范围。其中西北边呈东西走向条带状分布的低阻异常，在深度上与煤一层的位置吻合，钻孔资料显示在该异常100m上下有泥水和矿渣物质存在，表明该异常区内受地表水渗入，所以该低阻异常区富水性相对较好。
测区西南边沿地层走向呈条带状分布的低阻异常，在深度上与煤一层位置吻合，该异常区内无钻孔资料，但是该异常区位于党家水砂河河谷上，地表水补給条件相对较好，所以该低阻异常区富水性相对较好。 測区东部位于测线中部位置的低阻异常，呈西北-东南走向条带状分布，该区内无钻孔资料，但从地表能看见裂隙存在，认为该异常区也应受地表水渗入，但富水性较弱，导致该异常区内视电阻率略高于其他两个低阻异常区的。
如图2所示为不同深度的等视电阻率三维立体切片图，图中粉红色区域为低阻异常分布区，从图中可以看出，在垂深z=-180m等视电阻率平面图上，明显可见视电阻率ρs≤15Ω·m的低阻异常分布形态。然而在垂深z=-220m等视电阻率平面图上，视电阻率ρs≤15Ω·m的低阻异常区基本没有反映，这就说明测区内相对含水的低阻采空异常区在垂深上未能影响到该深度。同样垂深z=-260m等视电阻率平面图上也无视电阻率ρs≤15Ω·m的低阻异常区特征反映。
综上所述，认为勘查区解释的低阻采空异常区，不论是相对含水的低阻采空区还是低阻层异常区，已基本影响不到垂深260m以深的矿井工程。
5.结论
经过TEM资料处理，结合钻孔、地质及地表踏勘资料，从不同角度进行综合分析解释，得出以下结论：
（1）对于深度不超过300m的采空区探测，TEM有着较好的空间分辨能力，并能够识别出相对围岩呈低阻特征的异常，结合钻孔、水文地质资料可判断低阻采空区富水性强弱特性。
（2）将voxler应用于TEM数据成图，可在三维空间内直观的识别高低阻异常区的空间位置，通过不同方式的成图模式，可单独凸显出高阻采空区或低阻采空区，还可区分低阻采空区富水性强弱。
（3）通过三维成图和不同深度等视电阻率立体切片综合分析，可判断富水性采空区影响的深度范围，为下一步井巷工程提供施工指导作用。
参考文献：
[1]王凯.瞬变电磁法探测煤矿充水采空区响应特征分析[D].太原理工大学，2012.
[2]李合章.煤矿采空区对地面建筑物的影响及预防对策[J].煤炭技术，2013（09）：33-34.
[3]李貅.瞬变电磁测深的原理与应用[M].陕西科技出版社，2002.
[4] 高建平.双频激电法探测煤矿采空区的试验研究[D].太原理工大学，2007.
[5] 王路法，张杰，张日鹏.基于瞬变电磁法的采空区含水性勘探研究[J].能源与环保，2018，40（09）：117-121.
[6] 刘勇洪.瞬变电磁技术在底板采空区富水性探测中应用[J].中国煤炭，2017，43（01）：41-44.
[7] 江球.瞬变电磁法在煤矿采空区富水性探测中的应用[J].西藏科技，2012（10）：24-26.
[8] 郭胜军.瞬变电磁法（TEM）在工程地质勘查中的应用[J].西部资源，2013（05）：85-86.
[9] 刘强，胡核，李卓群.瞬变电磁法在内蒙古自治区阿巴嘎旗那仁宝力格煤田地质勘查中的应用[J].西部资源，2013（03）：145-146+154.
[10]王成.水文地质钻探与瞬变电磁法在解译新疆榆树泉煤矿烧变岩含水层富水性的联合应用[J].西部资源，2015（05）：101-103.
关键词：瞬变电磁法;三维解释技术;采空区富水性分析
The Application of 3D Interpretation Technology in Water-rich
Analysis of Goaf
WEI Haimin1 YAN Wencheng22
1. Yunnan Metallurgical Resources co.， LTD. Kunming Yunnan 650216
2. The 149th team of Gansu coalfield geological bureau Lanzhou Gansu 730020
Abstract：Based on the distribution of water in coal mine goaf in a mining area in Gansu province， this paper probes the goaf using transient electromagnetic method（TEM）. For the goaf with low resistivity， it conducts compre- hensive analysis with bedding sections of different depths. Voxler software is used to interpret 3d mapping of the pro- cessed data. The results show that TEM has a good ability to distinguish the water-rich analysis of goaf. The 3D inter- pretation technology can be applied to goaf detection and hydrological analysis， and the spatial position of goaf can be identified clearly and intuitively. This provides a new interpretation method for the detection of water accumulation in goaf in the future.
Keywords： Transient Electromagnetic Method; 3D interpretation technology; Water-rich analysis of goaf
1.引言
因长期以来小煤矿的随意开采，又无资料可查，导致采空区的分布无规律可循，浅部采空区受后期地面水渗入，形成采空区积水，这给井下及地表工程的开展带来了不可忽视的阻碍[1，2]。因此探明采空区富水情况，给下一步工程的开展提供指导依据，有着非常重要的意义。文章采用TEM对矿区内低阻采空区进行了探测，从多角度展开分析解释，确定了充水采空区的空间位置，为后期工程提供了指导作用，同时也为工程勘察提供了新的分析解释方法。
2.方法原理
瞬变电磁法是利用磁源和电偶源向地下发送一次场，在一次场的间歇期间利用回线或偶极观测二次涡流场，由于二次场包含有地下地质体丰富的地电信息，通过信息提取和分析，从而达到探测地下地质体的目的。
3.使用仪器及施工参数
本调查区使用V8多功能电法仪进行TEM数据采集。
结合调查区情况和勘探目标深度（400m以内），经过多次试验后确定了瞬变电磁法的施工参数：采用大定源回线装置，发射源回线边长240m×240m，在框内三分之一范围内接收数据，线距40m，点距20m，工作基频25Hz;供电电流4A～6A;采样积分时间180s。
4.应用实例
4.1工区地质概况
工区地层由老到新主要沉积三叠系上统南营儿群、侏罗系（大西沟群、窑街组、新河组、苦水峡组）、白垩系（统河口群）和第四系（更新统、全新统）地层。其中，中侏罗统窑街组为区内主要含煤层系，是本次探测的目标层位，深度均在200m以内。
4.2煤矿充水采空区电性特征
一般在煤层未被采动时，地层呈完整的层状分布，同一地层的电性差异不会太大。而在煤层被采空后，煤层上下岩层间形成一定的裂隙，破坏了岩石的完整性、连续性，故该处电阻率表现出局部高阻特性;当采空区的空隙被水充填，其电阻率则呈低阻反映[4]。
4.3采空区富水性分析
如图1所示为TEM处理之后的数据体用voxler软件在三维空间内的效果图。图中紫色圈定部分为埋深小于120m（z≥-120m）、视电阻率值小于15Ω·m的低阻异常体分布范围。其中西北边呈东西走向条带状分布的低阻异常，在深度上与煤一层的位置吻合，钻孔资料显示在该异常100m上下有泥水和矿渣物质存在，表明该异常区内受地表水渗入，所以该低阻异常区富水性相对较好。
测区西南边沿地层走向呈条带状分布的低阻异常，在深度上与煤一层位置吻合，该异常区内无钻孔资料，但是该异常区位于党家水砂河河谷上，地表水补給条件相对较好，所以该低阻异常区富水性相对较好。 測区东部位于测线中部位置的低阻异常，呈西北-东南走向条带状分布，该区内无钻孔资料，但从地表能看见裂隙存在，认为该异常区也应受地表水渗入，但富水性较弱，导致该异常区内视电阻率略高于其他两个低阻异常区的。
如图2所示为不同深度的等视电阻率三维立体切片图，图中粉红色区域为低阻异常分布区，从图中可以看出，在垂深z=-180m等视电阻率平面图上，明显可见视电阻率ρs≤15Ω·m的低阻异常分布形态。然而在垂深z=-220m等视电阻率平面图上，视电阻率ρs≤15Ω·m的低阻异常区基本没有反映，这就说明测区内相对含水的低阻采空异常区在垂深上未能影响到该深度。同样垂深z=-260m等视电阻率平面图上也无视电阻率ρs≤15Ω·m的低阻异常区特征反映。
综上所述，认为勘查区解释的低阻采空异常区，不论是相对含水的低阻采空区还是低阻层异常区，已基本影响不到垂深260m以深的矿井工程。
5.结论
经过TEM资料处理，结合钻孔、地质及地表踏勘资料，从不同角度进行综合分析解释，得出以下结论：
（1）对于深度不超过300m的采空区探测，TEM有着较好的空间分辨能力，并能够识别出相对围岩呈低阻特征的异常，结合钻孔、水文地质资料可判断低阻采空区富水性强弱特性。
（2）将voxler应用于TEM数据成图，可在三维空间内直观的识别高低阻异常区的空间位置，通过不同方式的成图模式，可单独凸显出高阻采空区或低阻采空区，还可区分低阻采空区富水性强弱。
（3）通过三维成图和不同深度等视电阻率立体切片综合分析，可判断富水性采空区影响的深度范围，为下一步井巷工程提供施工指导作用。
参考文献：
[1]王凯.瞬变电磁法探测煤矿充水采空区响应特征分析[D].太原理工大学，2012.
[2]李合章.煤矿采空区对地面建筑物的影响及预防对策[J].煤炭技术，2013（09）：33-34.
[3]李貅.瞬变电磁测深的原理与应用[M].陕西科技出版社，2002.
[4] 高建平.双频激电法探测煤矿采空区的试验研究[D].太原理工大学，2007.
[5] 王路法，张杰，张日鹏.基于瞬变电磁法的采空区含水性勘探研究[J].能源与环保，2018，40（09）：117-121.
[6] 刘勇洪.瞬变电磁技术在底板采空区富水性探测中应用[J].中国煤炭，2017，43（01）：41-44.
[7] 江球.瞬变电磁法在煤矿采空区富水性探测中的应用[J].西藏科技，2012（10）：24-26.
[8] 郭胜军.瞬变电磁法（TEM）在工程地质勘查中的应用[J].西部资源，2013（05）：85-86.
[9] 刘强，胡核，李卓群.瞬变电磁法在内蒙古自治区阿巴嘎旗那仁宝力格煤田地质勘查中的应用[J].西部资源，2013（03）：145-146+154.
[10]王成.水文地质钻探与瞬变电磁法在解译新疆榆树泉煤矿烧变岩含水层富水性的联合应用[J].西部资源，2015（05）：101-103.