TerraTEM仪器在煤矿含水采空区探查中的应用

TerraTEM仪器在煤矿含水采空区探查中的应用 * Terra TEM 1 21 1 1 薛晓峰薛国强牛仰杰范晓飞张晓兵 (1. 山西省煤炭地质 144 勘查院 山西 洪洞)(2. 中国科学院地质与地球物理研究所 北京) 摘要:煤矿开采导致大量的采空区存在，给煤矿安全及周边环境造成一定的破坏。为了对山西省中部某煤矿采空区进行探测，以便对煤矿安全生产设计提供重要的参考依据，使用澳大利亚产 Terra-TEM 瞬变电磁仪器，采用大回线源瞬变电 磁法进行探测，圈定低电阻率区域，给出含水区域。解释结果得到钻孔验证，取得较好的地质效果，勘探成果给煤矿管理 部门提供了极为有用的地质信息。同时证明了瞬变电磁法探测含水采空区的有效性。 关 键 词:瞬变电磁法;采空区;探查 +() 中图法分类号:P631.34 文献标识码:B 文章编号:1004-9134201203-0032-04 了极为有用的地质信息。0 引 言 1 地球物理特性 大量的煤层被部分或全部开采，在区内地下的不 同层位留下了大量的采空区。采空区的变形破坏可在 煤层被开采后形成采空区，破坏了原有的应力平 衡，当开采面积较小、煤层顶板为塑性岩层并保存完 地表造成比较严重的地面塌陷、地裂缝及滑坡等灾 整且预残留煤柱较多时，应力转移到煤柱上，未引起 害，对人民群众的生命财产安全构成了较大的威胁， 地层变形破坏，采空区以充水或不充水的空洞形式保 故用先进的技术查明小窑采空区的分布情况，对区内 存下来;采空区多在重力和地层应力作用下，顶板塌 城镇和新农村的规划和经济发展十分必要。 陷、垮落，形成垮落带、断裂带和弯曲带。煤层采空 多年来，国内在煤炭、冶金、铁路、公路 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 等 区因正常顶板岩层、岩体垮落破碎，导致地表下陷同 领域也在采空区探测方面积累了一些经验。采空区的 时发育若干张性裂隙。 工程地质勘察主要手段有三类:工程地质测绘、工程 瞬变电磁法是以岩石导电性差异(即电阻率大 物探及工程钻探。物探方法种类繁多，包括电法、磁 小)为应用前提的地球物理勘探方法。根据本测区的 法、地震法、放射法等等，因此如何从中选取信息量 最大的、最可靠的方法和确定其应用顺序，如何分配 地质情况特点和以往的工作经验可知:一般情况下，各种方法的经费以获取最大的效果就成为首要的问 如果采空区充填空气，所观测的二次感应电压信号题。由于各种方法都有其特点、一定的适用条件和应 弱，衰减数据变化较快;如果采空区充填水，则所观 用范围，而对于采空区的探测，电磁法是较好的方 测的二次感应电压信号较强，衰减相对较慢。如果测 法。其中的瞬变电磁法，又因其观测纯二次场，可采 区水系不发育，且煤层顶底板隔水性好，则由采空区 所引起的电性异常主要表现为高电阻特性;如果测区 用重叠回线或中心回线装置在近区进行观测(能减少 水系发育且顶底板透水性强，则由采空区所引起的电 旁侧影响)，比频率域方法有更高的施工效率、对场 性异常主要表现为低电阻特性。在一定情况下可能会 地更强的适应性，且具有对低阻含水体特别灵敏、受 导致地面变形或者蹋陷。上述不同条件下的电性变化 1-4 体积效应影响小、纵横向分辨率高等优点 ，近年 为以导电性差异为应用前提的瞬变电磁法的应用提供 来得到越来越广泛的应用，被认为是煤矿采空区探测 了良好的地球物理应用前提。充水采空区会表现为低 最有前景的地球物理勘探方法之一。 电阻特性，二次电压衰减较缓慢，保存完好的煤层会 为了对山西省中部某煤矿采空区进行探测，以便 表现为高电阻特性，二次电压衰减较快。如图 1 所 对煤矿安全生产设计提供重要的参考依据，使用澳大 示，实线表示高阻体衰减电压曲线，虚线表示低阻体 利亚产 Terra-TEM 瞬变电磁仪器，采用大回线源瞬变 衰减电压曲线。 电磁法进行探测，探测结果显示出采空区范围，探测 结果得到钻孔的验证，勘探成果给煤矿管理部门提供 基金项目:国家自然科学基金 41174090 资助 第一作者简介:薛晓峰，男，1968 年生，助理工程师，1993 年毕业于长春地质学院应用地球物理系、勘查地球物理专业本科，现在山西省煤炭 地质 144 勘查院工作，曾多次担任地面物探项目的技术负责。邮编:041600 分别代表 A，B，C 和 式中，，，和 D 边引起的场。 瞬变电磁衰减曲线示意图 1 图 3 大定源回线响应计算示意图 对于均匀半空间，由一个偶极子引起的磁场垂直 2 方法与仪器 分量为 2.1 大回线源装置与响应 2 3 3 (2) ,1, ( )， 2 2 )如图 2 所示，实际应用中，中心回线装置发射线 ( 4 2 框边长一般 200 m , 800 m，对于几百米长的发射线 2 22 ，，，式中 , /4, (( ))，() 0 框，只观测发射线框中心一个点就移动位置势必会大 是误差函数， 是偶极长度， 是收发距离。由四个边 大降低 TEM 法的工作效率。这样，在后来的实际生 引起的垂直磁场分别为: 产中，回线内瞬变电磁测量装置(俗称大回线源瞬变 22电磁法(图 2(a))逐步代替了回线中心点测量装置。 ,( ，)， , ( )，( ，)1 1 即只在回线中间三分之一到三分之二范围内进行观 (3) 测，并逐框移动(图 2(b))形成一种改进型的瞬变 电磁中心方式。大定源瞬变电磁法，在回线内、外都 22 , ( ， ,( ,) )，()2 2 可以观测，勘探深度大，划分异常细，工作效率高， (4) 几台接收机可以同时工作。目前，实际应用中的视电 阻率计算等数据处理和解释仍然以中心回线公式作为 22 , ( ， ),( ,)，() 3 3 依据。因此把大定源回线的计算方法引入大回线中心 方式资料处理解释中，是实现深度地质目标体的精细 (5) 5 探测的一种有效途径之一 。 22 ， , (,( ，)， )，() 4 4 (6) 2 3 3 1,(7) 式中， ,( ) ， 2 2 )(42 ， ， 和 分别是偶极子到发射边 A，B，C 和 1234 D 的距离。 对于层状地层，式(7)可 以写成: cos 2 (8) )Im ( , 1 0 0 2 + / 11 式中，Im 表示积分核虚部， 是积分变量， () 1 图 2 大回线源瞬变电磁示意 是贝塞尔函数， 角频率. , ， ， 11 12 2 (大定源回线响应计算如图 3 所示。回线中心点坐 1 标为(0，0)，边长分别为 2 和 2 和，接收点的坐标 是层厚度。 ， ，，其中， 11 2 ) 为( ， ). 任意偶极子的坐标为( ， )，四个边 可由下式求得:2 分别用 A，B，C 和 D 表示. 由四个边引起的场的迭 22 ， ,1，2， ,,,，， ， 6, 7 加可以得到总场 。 (9) (1) ,，，， 如果已知地层参数，可以通过(3 , 8)式求得 发送电压 48V;发送电流 7A;发送基频 8.3 Hz; 磁场响应，反之，如果已知磁场响应，则可以反算求2 。发送边长 200 m × 200 m;接收线圈面积 10 000 m得地层视电阻率等参数。 2.2 装置与仪器 TerraTEM 是一款先进的瞬变电磁仪如图 4(a) 所示。大型触摸屏和直觉菜单使 TerraTEM 成为市场 上最有用户良好界面的瞬变电磁系统之一。可选择的 附件更进一步增强了系统的性能，能够对及时采集的 数据进行缩减、处理和可视化。系统为工作人员和细 微的时空差异提供及时的质量控制反馈。terraTEM 可 以选择 1 号、2 号或者 3 号频道。可设定频道的地址， 并同时在 500 kHz 采样，不需要考虑操作者已选定的 数据选项。使用内置发射机时，确保连接的回线或装 置以及连接电缆保持连通，发射回线的电阻率为 2 m , 100 m，这样是电流保持在 0.2 A , 10 A 范围 之内。发射波形窗口可以获得完整采样率的波形周 期，采集窗口可对数据实时监控(图 4b)。 图 5 4 线探查成果图 图 5 所示为典型剖面(4 线)的探查成果，图 5(a) 是瞬变电磁视电阻率等值线剖面图，图 5(b) 为推 断解释地质图。根据实际地质资料，本区内采空区富 含水，所以，在视电阻率断面图(图 5(a))上把相 对低阻部位定性划分为富水区，并把这一解释结果绘 制在推断解释地质剖面图上(图 5(b))。图中给出 了煤和富水采空区的埋藏深度、埋藏位置等信息。共 图 4 测量窗口存在三处采空区。在第 4 测线，800 m 位置打钻，在 深度为 41.6 m 处遇到采空区，验证情况很好。 3 实例研究 图 6 是整个测区二次电压等值线平面图。抽取各 个测点第 10 道二次电压衰减数据，形成衰减电压等 测区位于晋西黄土高原南端，属典型的黄土地值线平面图，在该图上，二次感应电压值横向变化较 貌，山峦叠嶂，丘陵起伏，沟壑纵横，沟谷切割强 大，浅色区域表示感应电压低值，深色表示感应电压 烈，多呈“V”字形，属强烈侵蚀的中山地貌，梁、 高值，根据瞬变电磁法电磁感应原理，高电压值由良 垣、峁发育测区大部分地段，地形较差，区内地层由 导体引起，低电压值由高阻体引起。根据实际地质资 老至新依次为太原组上段，山西组，下石盒子组上 料，按照一定的数值，把高电压等值线形成的圈闭定 段、下段，上石盒子组下段，第四系中更新统、上更 性解释为富水区，把低电压值形成的圈闭定性解释为 新统、全新统。本区主要含煤地层为石炭系上统太原 组、二叠系下统山西组，总体上为一系列走向近北西 不含水区域，并绘制成解释成果图如图 7 所示。 的背向斜构造，倾角一般 5?, 12?左右，构造简单。 煤矿采空区含水较为普遍，周边矿区多发生透水事 件。在工作区南部一些地段，地面出现裂缝。使用 TerraTEM 仪器完成煤矿采区富水区探测工作，以便 指导煤矿安全生产。工作装置参数为:发送回线边长 300 m，发送频率 25 Hz，时间窗范围 0.087 ms , 8 ms，时间窗口为 40 道。(1)查明采空区分布;(2)对 采空区含水性进行评价。 共布置 12 条测线，测线方向为东西方向，测线 间距为 40 m，测点间距为 20 m。9 线, 12 线位于测 区南部，且测线长度较小，1 线, 8 线位于测区北部， 且测线长度较大。测区南部有采煤巷道。地面出现裂 图 6 二次电压等值线平面图缝。根据试验结果，最终选定的工作参数如下: 作时，套用中心回线装置计算公式，导致解释精度下 降，所以，采用大定源回线公式解决了这一问题。 实际工作成果表明，采用穿透能力强分辨率高的 瞬变电磁测深法作为主要手段，对含水采空区进行评 价是切实可行的。工作中采用适当的观测参数系统， 所得成果表明，选择方法正确，处理手段得当，地质 成果能够相互验证。 参 考 文 献 [] []图 7 解释成果平面图 1.M.2007牛之琏时间域电磁法原理长沙:中南大学出版社， [] []2方文藻. 瞬变电磁法测深原理 M. 西安，西北工业大学出 对异常区进行编号，富水区 5、6、7、8、属于测 1993 版社， 区北部异常，富水区 1、2、3、4、9 属于测区南部异 [] []3蒋邦远主编. 实用近区磁源瞬变电磁法勘探 M. 北京:地 1998 质出版社，常，推测在测区北部和南部分别存在采空区积水的可 [] []4李 貅，瞬变电磁测深的理论与应用 M. 西安:陕西科 能。在测区东部存在两组高压线干扰，把干扰区域用 2002 学技术出版社，蓝色圈闭画出来。采空富水区用黄色圈闭画出来。采 [] 5石显新，闫 述，傅君眉等. 瞬变电磁法中心回线装置资 []料解释方法的改进 J. 地球物理学报，2009，52 (7) 空富水区共有 9 处，分别在图上标出来。另外，四个 [] [] 6AA 考夫曼，GV 凯勒. 频率域和时间域电磁测深 M. 北异常区，由于受矿上动力电线等干扰程度较大，特定 京:地质出版社，1987 为干扰异常区。 [] 7米萨克 N ?纳比吉安. 赵经祥，王艳君，译. 勘察地球物 []理电磁法 M. 北京:地质出版社，1992 4 结 论 由于经济快速发展，煤矿采空区积水性情况比较 普遍，对居民安全存在很大的隐患，所以快速探测采 编辑:刘雅铭)(收稿日期:2012-02-03空区分布及积水范围具有重要意义。瞬变电磁法虽然 对含水结构体比较敏感，但是在使用大回线法进行工 (上接第 31 页) 图 5 累计气量,时间曲线图 6 损失气量,时间曲线 2010，29 (5) 5 结束语 [] 2杨亚枫. 流量自动控制的设计与实现,J,. 石油仪器，2002， 16 (3) 本套便携式快速解吸仪携带方便、测试精度高，[] 3梁学进. 实验设备数据采集应用软件的设计,J,. 石油仪 测试范围广，已应用于西南石油大学。 器，2004，18 (4) 参 考 文 献 (收稿日期:2011-12-07 编辑:姜婷)[] 1左光远. 泡沫驱替模拟实验装置的研制,J,. 石油仪器， and regulate oil and water flow. The designed goal had been finally achieved. The flow regulating accuracy and speed were greatly increased and powerful evidence was provided for removing elevated flow tower. Key words: flow control; flow regulation; error Qin Caihui and Hou Hongwei. Design of the mechanical structure of induction logging coil array. PI, 2012,26(3): 17~19 This paper presents a kind of mechanical structure design for novel induction logging coil array, including the bear- ing pull structure of the taper locking, the casing pressure of fiber reinforced plastics, the signal conditioning circuit which is directly mounted around coil. This paper analyzes why adopts the structure, and what are the advantages of this design of adopting the structure, how to overcome the high temperature and high pressure and bearing tensile struc- ture problem. This paper gives the advantages of the structure model, which can provide an useful reference for the structure design of induction logging coil array. Key words: induction logging instrument; taper locking; bearing pull structure; beryllium copper rod; coil array Xi Fanghua, Wang Jianmin, Wang Zhiquan, Yan Qingwu, Chen Lu and Lu Hanying. Small-diameter self-developed target neutron tube used in logging service. PI, 2012,26(3): 20~23 This paper introduces a kind of self-developed target neutron tube with outer diameter of 30mm. This neutron tube overcomes the problems of ionic source splatter and low neutron yield, it has also established unique D-T ratio and bulk processing of target so as to enhance adhesive force of target membrane, indoors performance index shows that the neu- tron yield had reached the index of commodity target, the working temperature is 150? and the service life is over 300 hours. At present, this kind of neutron tube had been applied to LWD neutron porosity and oxygen activation logging tools. Key words: small-diameter self-developed target neutron tube; performance index; key technology; Applications Ge Feng, Dai Weiming and Xie Xianhui. Utilization of 428 XL seismic acquisition system in data quality control. PI, 2012,26 (3): 24~26 428XL seismic exploration instrument is rather advanced of its kind. The instrument has advantage of collecting valid signals. Noise in the field and arrangement of detectors can be well controlled through monitoring window, by which, the production quality will be improved. Key words: 428XL; quality control; detector; noise interference Sun Yuelong. Seismic exploration survey data management method base on ArcGIS. PI, 2012,26(3): 27~29 According to characteristics of seismic exploration survey data management and application, and adoption of ad- vanced GIS software and computer application technology, this paper puts forward seismic exploration survey data man- agement method base on the platform of ArcGIS, and expounds how to establish seismic exploration survey database base on the ArcGIS in details as well as data structure of seismic exploration survey data management system, function module, development method, which has good application reference value. Key words: seismic exploration survey database base on ArcGIS; data management and share; python script design Zhao Xichun, Zhu Jintang, Liu Zhendong and Yin Zhanhua. Development of a portable fast desorption device. PI, 2012,26 (3): 30~31,35 With the increasing of natural gas exploitation volume, storage of which is less and less, exploitation is more and more difficulty, the mining technology should continue to be improving. In recent years, exploitation of coal-bed gas and shale gas has been widely used in various fields, however, the measuring equipments which can measuring the coal, shale content rapidly are rare in our country. By researching of the partial desorption equipment at home and abroad, a set of relatively fast, convenient experimental equipments have been developed. The experimental flow and design features are introduced, and rapid determination of residual gas after the process of intelligent temperature con- trol, quick desorption, high-speed centrifugal crushing have been achieved. Key words: portable; fast desorption; high speed centrifugal crusher Xue Xiaofeng, Xue Guoqiang, Niu Yangjie, Fan Xiaofei and Zhang Xiaobing. Study on the detection of water-filled mine-out area by using Terra-TEM system. PI, 2012,26 (3): 32~35 Shanxi is one of important coal supplying province in China. Heavily coal mining leads to a large number of mined- out areas exist, and brings some damage to mine safety and the surrounding environment. In order to detect mine-out area of a coal company of shanxi province, so as to provide an important reference for the production design, Australian production Terra-TEM TEM instrument and large loop transient electromagnetic method were used for detecting and delineation of the low resistivity zone. Water-filled area has been located at last. Interpretation results verified by drilling recorders, and better geological achievement has been gained. Results of exploration provide a very useful geological information to coal mine company manager. At the same time, it shows clear that detecting mined-out filled-water area with transient electromagnetic method is feasible. Key words: transient electromagnetic method; mine-out area; detection