TEM一维反演技术在老窑水勘查中的应用_马炳镇.pdf

第 46 卷 第 1 期 煤田地质与勘探 Vol. 46 No.1 2018 年 2 月 COAL GEOLOGY roadway mining; OCCAM inversion; gob water 瞬变电磁法作为时间域感应电磁方法，具有对 地电断面分辨灵敏度高、受“体积效应”及侧向影 响小、工作效率高等优势，因此在煤田采空区勘查 领域应用较多[1-4]，但由于历史原因，以前大多数小 煤矿采用巷采方式，回采率较低，异常体几何尺寸 相对较小，在中度埋深地区，要实现对该条件下积 水采空区范围的详尽勘查，难度较大，但通过巷道 沟通的潜伏水害体却不容小觑[5-7]，因此，尝试选用 一维反演技术对上述条件下的积水采空区进行探测 解释。通过后期钻探验证表明，效果较好。 1 瞬变电磁法简介 瞬变电磁法又称时间域电磁法Transient Elec- tromagnetic ，简称 TEM。其发射装置，既 可以是两端接地的电偶极源，也可以是不接地的回 线源垂直磁偶源，该探测装置目前被广泛采用； 采用电偶源时， 极距ABn km， 供电电流幅值为10n 100 A；采用磁偶源时，发射回线的边长 20 1 000 m，供电电流幅值为 n 10n A；具体偶极距大小的 选择由所探测目的层的深度而定。测量参数即可用 ChaoXing 第 1 期 马炳镇 TEM 一维反演技术在老窑水勘查中的应用 149 一对电极测量水平电场分量，也可用线圈测量磁场 分量的值。发、收线框之间的排列，可采用接收线 框置于发射线框中心的装置，发、收线框相分离的 偶极装置。通过分析由地下介质产生的信号变化特 征称为“二次场”， 即可探测地下不均匀体位置、 推知其规模和导电性，二次场的本质特征由探测目 标体的物理性质和赋存状态决定[8-10]。 野外采集的数据大多为中心回线二次场感应电 动势，通常须将感应电动势转换为视电阻率，转换 公式如下 2/3 00TR s 2 4π5 / μμ S S ρ tt V tI ■■ ■■ ■■ 式中 7 0 4π 10μ - H/m，ST为发送回线面积，SR为接 收线圈面积， t 为测道时间， Vt/I 为归一化感应电动势 是瞬变值，以上单位均采用国际标准计量单位。 通过数据预处理技术即对采集数据处理，首先 检查验收原始记录数据、野外测点状况的编录，以 及仪器工作状况的记录，剔除不合格数据，对原始 记录数据进行整理、编录、汇总、转换成专用数据 处理软件所需要的格式，再对数据进行滤波、圆滑 去噪校正处理，使数据符合应有的变化规律，突出 地电信息，在此基础上，以视电阻率ρt和测道时间 t为参数， 绘制沿测线方向的视电阻率–时间测道拟 断面图。在各测线视电阻率拟断面图上可以看到沿 测线断面方向上随时间变化的电性分布规律，对采 集数据资料反映的地质情况做初步定性分析。在解 释阶段尽可能进行定量的反演解释一维反演处 理，以便提高资料的可靠性，并结合已知地质、水 文、钻孔及采掘资料进行综合解释与推断。 2 OCCAM 一维反演技术 2.1 基本原理 瞬变电磁法实测数据中观测到的 N 个时间序列 的感应电动势｛｝,1,2,3,, i dd iN， 由地下介质响 应和噪声组成，即 （）,,1,2,3,, iii df t nδ iN 1 式中 （）, i f t n为地下介质响应，可用正演计算求得 可理解为正演理论值， i δ为观测误差，n 为模型各 分层电阻率分布序列当模型分层数确定时，正演计 算时各分层厚度不变，只改变电阻率值。当目标函 数最小时， 认为理论模型为地下介质的分布情况， 即 2 est 2est 1 , N ii ii df n χnd σ ■■ - ■■ ■■ ■■ Σ 2 i σ为第 i 个数据的标准差。从给定的初始设定 值开始，通过迭代计算来实现极小化问题。假设初 始模型 n0接近真解，在该设定值一个小的邻域内， 将模型响应展开，有 0 1 ,,1,, N iiijj j df t nn iN Δ Σ J 3 0 i ij n f n ∂ ∂ J称为灵敏度矩阵。可假设数据方差为 1。 将上式代入式1并对模型参数修正量极小化，有 nbΔ J 4 因以上为非适定性问题，通常需要对模型修正 量予以约束， 得到稳定的解， 即要求式4满足式5。 min nΔΦW 5 式中 W 为模型约束矩阵。式5的求解可以通过广 义逆矩阵计算完成。第 k1 次模型可通过修正第 k 次模型得到，即 estest 1kk nnb * J 6 其中， * J为矩阵J的广义逆矩阵。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 k 次，相应的模型为 nk， 基于该模型，式3可以写成如下的矢量形式 1 kkkkkkkk df nJnf nJ nJ n Δ- 7 其中 nk1 为第 k1 次模型参数。可以用第 k 次模型 参数表示，即 1 kkkkk J ndf nJn -Δ 8 以式8为基础，直接对模型参数本身进行约 束，优化问题可表示为 1 min k n ΦW 9 要求式9满足式8， 式8的改进使得在实际工 作中反演不再依赖于初始模型参数，该式亦是 OCCAM 反演的基础[11-12]。OCCAM 一维反演基本 流程如图 1 所示。 2.2 模型约束反演 模型约束主要采用能量最小、模型最光滑等方 法。模型能量最小要求反演的模型与指定的先验模型 之间的误差要较小。先验模型对反演结果起到较大的 控制作用，如果不合适，导致反演不能收敛。因此， 在 OCCAM 反演技术中，一般不采用能量最小约束。 而更多采用最平坦模型和最光滑模型约束[12]。图 2a 是反演拟合曲线，从图中可见，通过构建模型初始分 层及初始化模型约束矩， 调整步长进行迭代循环计算， 以达到最小偏差拟合的效果；图 2b 为反演模型结果， 即各分层的厚度、电阻率相应函数值，由浅至深总体 电性呈“高低高低”的变化特征。图 2c 测井电 阻率曲线，该勘探井离本次反演所用实测数据采集点 ChaoXing 150 煤田地质与勘探 第 46 卷 图 1 OCCAM 反演基本流程 Fig.1 Basic flowchart of OCCAM inversion 图 2 井旁测深反演结果 Fig.2 Inversion result of near-well sounding 约 50 m， 该处地层纵向电性变化趋势与反演模型结果 反映特征一致，仅是对应深度略有偏差。 因此，从单 点结果来看反演效果较好。 3 应用实例 3.1 探测区概况及勘探条件 勘探区位于宁夏盐池地区，属半沙漠低丘陵地 形，地表较为平坦，含煤地层为侏罗系中统延安组， 主采煤层有 8、12、18 号煤。该勘探区内有小煤窑 分布，始建于 1970 年，于 1999 年关闭，主采煤层 为 8 号煤，埋深约 250～365 m，采煤方式主要为巷 采，采后形成的老窑水直接威胁该矿未来相邻区的 采掘工作。矿方先前已根据实地调查、走访资料， 对原一号井 8 号煤老空区的分布范围初步作了大致 圈定，但采空区具体分布范围、边界均存在较大偏 差，采空积水情况更是不清；再者，主采煤层附近 含水层对煤矿的生产也构成一定的威胁。因此，需 详尽探查老窑水的位置、积水情况及各主要含水层 的富水区分布情况，为矿井安全开采防治水工作提 供有效参考资料[13-15]。 3.2 勘探区地球物理特征 一般情况下， 含煤地层具有层状分布的特点， 电 性分布在横向上相对均一，纵向上有固定的变化规 律。 根据勘探区钻孔电测井资料， 本次电法勘探区内 地层由浅至深电性变化规律应为 浅部以黄土及沙土 层为主， 其下部为富水性强的砂砾石层及局部富水性 强的风氧化带整体呈低阻电性特征； 安定组缺失， 向 下为侏罗系直罗组上段， 岩性以细粒砂岩为主， 电性 略高， 再向下为侏罗系直罗组粗砂岩段， 电性比上段 略高；延安组含煤地层以泥岩、中粒砂岩、粗粒砂岩 及煤等互层， 电性总体上较直罗组略低， 但是局部层 段煤层密集或粗、中粒砂岩成分略多时电性也较高， 延安组下段高阻煤层较多，再加上砂岩以粗、中、细 粒砂岩成分居多， 电性较延安组上段略高； 延安组底 部和三叠系上田组岩性以细粒砂岩成分居多， 电性相 比侏罗系中上部地层明显降低。 当地层中存在采空积水区积水或不积水及含 水裂隙、含水断层破碎带等含水构造即地质异常体 时，原有的在横向上均一、稳定的地层电性变化规 律被打破，视电阻率等值线发生扭曲变形、圈闭， 呈明显的低阻特征。这种明显的电性差异，为电磁 法勘探提供了良好的地球物理基础。 3.3 工作装置及技术参数选择 通过对瞬变电磁法施工技术方法的研究，首 先对测区内多个钻孔资料进行统计，建立相应的 一维地电模型图 3。进行正演模拟计算，发射回 线为 500 m 500 m，电流为 10 A，得到的相应结 果如图 4 所示将衰减曲线用晚期视电阻率公式 计算，转换后的视电阻率综合电性整体呈“高 低”的变化特征。采用经验公式进行时–深转化， 得到的结果见表 1。 本次勘探主要目标层为 8 号煤 采空区及含煤地层间主要含水层， 最大勘探深度 为 450 m，参考正演计算结果，信号采样观测延迟 时间至少为 42 ms。 ChaoXing 第 1 期 马炳镇 TEM 一维反演技术在老窑水勘查中的应用 151 图 3 一维地电模型 Fig.3 Geoelectric model 图 4 正演数值模拟结果 Fig.4 Numerical simulation results 表 1 时深转化 Table 1 Time-depth conversion t/ms ρs/Ωm H/m t/ms ρs/Ωm H/m t/ms ρs/Ωm H/m 0.041 2 174.825 37.713 0.492 4 26.866 57.852 5.878 0 21.904 180.486 0.049 2 134.732 37.969 0.587 8 25.939 62.109 7.017 0 21.824 196.839 0.058 8 105.874 37.680 0.701 7 25.183 66.864 8.376 7 21.755 214.726 0.070 2 85.071 38.262 0.837 7 24.563 72.151 10 21.692 234.271 0.083 8 69.978 38.511 1 24.052 78.008 11.937 7 21.626 255.574 0.1 58.917 38.608 1.193 8 23.631 84.483 14.251 0 21.584 278.969 0.119 4 50.711 39.136 1.425 1 23.28 91.618 17.012 5 21.535 304.456 0.142 5 44.545 40.077 1.701 2 22.989 99.474 20.309 1 21.488 332.286 0.170 1 39.85 41.416 2.030 9 22.746 108.110 24.244 6 21.442 362.667 0.203 1 36.201 43.129 2.424 5 22.542 117.590 28.942 6 21.396 395.825 0.242 4 33.409 45.269 2.894 3 22.37 127.988 34.551 1 21.352 432.034 0.289 4 31.188 47.789 3.455 1 22.225 139.386 41.246 2 21.305 471.521 0.345 5 29.422 50.715 4.124 6 22.101 151.867 49.238 8 21.258 514.615 0.412 5 28.007 54.062 4.923 8 21.995 165.532 选取已知区进行技术试验工作， 以检验理论计算 的可靠性，同时结合理论确定最佳施工参数。图 5 为发射回线边长 500 m，工作频率 5 Hz 采集的数据 结果，实测曲线与理论曲线感应电动势衰减及视电 阻率特征一致，随采样时间的增加视电阻率值总体 变化趋势为“高低” ，表明实测资料与理论认识相 吻合。 因老窑水探测属精细电磁勘探法工作， 因此对 测网密度予以加密。 最后确定施工参数 发射回线为 500 m 500 m，工作频率 5 Hz，发射电流大于 13 A， 测网密度 20 m 20 m，即线距 20 m，点距 20 m。 图 5 实测数据结果 Fig.5 Results of measured data 3.4 探测效果分析 按照 OCCAM 一维反演方法，对瞬变电磁法探 测数据进行了反演计算，反演结果如图 6 所示限于 篇幅，以 16、19 及 24 线为例，利用低阻异常空间 提取技术，确定电阻率断面图中低阻异常阈值，并 采用粗虚线圈定、加以文字标示。可以看出如下特 点纵向上电性分布与测区地层的电性规律一致， 总体上呈“高阻低阻高阻低阻”的变化趋势； 横向上 8 号煤层附近低阻异常特征明显，以圈闭状 形态分布，各异常区空间位置独立，具有明显的间 隔性，符合巷采特征，其与原一号井 8 号煤调查推 测采空区大部范围相吻合，且勘探积水具体边界更 明显，另外，调查推测采空区外部亦有新增积水异 常区。可见，反演后的断面较易推断确定老空区积 水的边界位置。 对所有测线进行反演计算和低阻异常的提取 后，绘制平面成果图，如图 7 所示，图中共发现一 处低阻异常区，命名为 8M 低阻异常区，积水异常 区的总体形态与原一号井 8 号煤调查推测采空区较 一致，其下边界较原推测结果有明显的外延趋势； ChaoXing 152 煤田地质与勘探 第 46 卷 图 6 不同测线反演后综合电阻率断面图 Fig.6 Integrated resistivity section after inversion of different survey lines 异常区内大部位置相对高阻分布明显，推断因残留 煤柱所致，强异常的分布和展布形态较符合巷采方 式为主的老空区形态。根据异常区的分布特征及对 数据质量与施工环境的综合评述，在本次勘探区范 围内推荐了两处钻探目标区域，即图中钻孔符号标 示位置。根据本次瞬变电磁法探测成果，矿方在目 标区内实施了钻探验证工程，即布置 2 个水文地质 钻孔，布置位置如图 7 中验证钻孔 1 和验证钻孔 2 所示。试验孔结果显示两个验证钻孔位置 8 号煤 已采空，且均已积水。 图 7 探测平面成果图 Fig.7 Planar results ChaoXing 第 1 期 马炳镇 TEM 一维反演技术在老窑水勘查中的应用 153 4 结 论 a. 以宁夏盐池某煤矿为例，通过对瞬变电磁法 特点和 OCCAM 一维反演解释技术的研究，实现了 浅、中埋深区巷采老窑积水的有效探测。 b. OCCAM 一维反演技术应用于瞬变电磁法资 料解释工作效果明显，能够对老窑水的分布范围和 边界较好解释，提高探测精度。 c. 通过本次瞬变电磁法探测及钻探结果，表 明在浅、中埋深地区，采用瞬变电磁法对巷采为 主的采空积水区进行探测，是一种值得推广应用的 技术手段。 参考文献 [1] 李娟娟，潘冬明，胡明顺，等. 煤矿采空区探测的几种工程物 探方法的应用[J]. 工程地球物理学报，2009，66728–732. LI Juanjuan， PAN Dongming， HU Mingshun， et al. Application of geophysical s in detecting coal mined-out areas[J]. Chinese Journal of Engineering Geophysics，2009，66 728–732. [2] 刘菁华， 王祝文. 煤矿采空区及塌陷区的地球物理探查[J]. 煤 炭学报，2005，306715–719. LIU Jinghua，WANG Zhuwen. The geophysical exploration about exhausted area and sinking area in coal mine[J]. Journal of China Coal Society，2005，306715–719. [3] 韩德品， 李丹， 石学锋. 瞬变电磁法探查煤矿突水构造的应用 效果[C]//煤矿安全高效开采地质保障技术国际研讨会论文集. 2011311–316. [4] 解海军， 王永胜， 钟清. 瞬变电磁法在刘桥一矿水文地质调查 中的应用[J]. 地质与勘探，2004，40增刊 1104–106. XIE Haijun，WANG Yongsheng，ZHONG Qing. Application of transient electromagnetic in hydrogeological investiga- tion of Liuqiao mine[J]. Geology and Exploration， 2004， 40S1 104–106. [5] 康显强. 旧采残煤区积水形成机制及处置技术研究[D]. 太 原太原理工大学，2012. [6] 王战军. 回线源瞬变电磁法探测能力研究[D]. 长沙中南大 学，2012. [7] 张辉. 地井高精度电磁法探测煤田积水采空区研究[D]. 荆 州长江大学，2015. [8] 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，2002102–105. [9] 朴化荣. 电磁测深法原理[M]. 北京地质出版社，1990. [10] 牛之琏. 时间域电磁法原理[M]. 长沙中南大学出版社， 1992. [11] 俞黎明. 国外瞬变电磁法中正反演问题研究现状[J]. 地质科 技情报，1987，64115–119. YU Liming. Research status of forward and inverse problems in transient electromagnetic [J]. Geological Science and Technology Ination，1987，64115–119. [12] 张继令，翁爱华. 中心回线瞬变电磁测深一维 Occam 反演[J]. 铁道勘查，2007240–43. ZHANG Jiling，WENG Aihua. One dimensional Occam inver- sion of central loop transient electromagnetic sounding[J]. Rail- way Survey，2007240–43. [13] 张振勇. TEM 技术在岩层富水性探测中的应用[J]. 煤田地质 与勘探，2015，436109–113. ZHANG Zhenyong. Application of TEM technique in detecting the water enrichment of strata[J]. Coal Geology Exploration， 2015，436109–113. [14] 程建远，聂爱兰，张鹏. 煤炭物探技术的主要进展及发展 趋势[J]. 煤田地质与勘探，2016，446136–141. CHENG Jianyuan，NIE Ailan，ZHANG Peng. Outstanding progress and development trend of coal geophysics[J]. Coal Ge- ology Exploration，2016，446136–141. [15] 薛国强， 闫述， 陈卫营. 电磁测深数据地形影响的快速校正[J]. 地球物理学报，2016，59124408–4413. XUE Guoqiang，YAN Shu，CHEN Weiying. A fast topographic correction for electromagnetic data[J]. Earth Physics Journal，2016，59124408–4413. 责任编辑 聂爱兰 ChaoXing