工程4（2018）667研究应用地球物理学-文章宽场电磁法与流场拟合法在高分辨率勘探中的联合应用--以安家岭一矿为例Jishan Hea，b，c中南大学有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室，长沙410083b中南大学有色金属资源与地质灾害探测重点实验室，长沙410083c中南大学地球科学与信息物理学院，长沙410083阿提奇莱因福奥文章历史记录：2017年7月31日收到2018年1月28日修订2018年9月7日接受在线发售2018年保留字：宽场电磁法流场拟合法采空区富水性高分辨率勘探A B S T R A C T安家岭一号中国山西省一煤矿老采空区复杂，地下水分布不明，存在严重的水灾害隐患。以往分别采用地震法、直流电阻率法、音频大地电磁法、可控源音频大地电磁法、瞬变电磁法等多种勘探方法，由于探测分辨率差，均未能确定老采空区范围及矿井内水体分布。为解决这一难题，采用宽场电磁法和流场拟合法相结合的方法，结合三维电阻率数据反演，确定了采空区的精确范围和积水位置，查明了积水层之间的水力联系，为煤矿安全生产提供了可靠的技术支持。取得了合理的结果，所有这些目标都得到了实现。因此，一个几乎4平方公里已被释放用于运营。©2018 The Corner.Elsevier LTD代表中国工程院出版，高等教育出版社有限公司。这是一篇CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍水文灾害一直是煤矿安全生产的主要威胁我国煤矿遭遇了多种类型的水害，煤矿突水、突水事故造成了众多的人员伤亡和巨大的水文地质工作是保证煤矿安全生产的基础工作，掌握煤矿地质水文情况，对解决水文地质问题、防治水害至关重要。安家岭一矿水文灾害曾造成人员伤亡和财产损失。在中煤收购安家岭一矿后进行的资源整合工作中，发现有关老采空区及其水分布的水文资料严重缺乏，这构成了严重的安全风险[1，2]。矿井潜在的水灾害包括上部含煤岩层的水、各种小邮箱：382238911@qq.com奥陶系灰岩水和渗漏水。一个特别的危险是由当地小煤矿的私人所有者或村民挖掘的地下隧道网络中存在的大量水造成的，其中许多由于非法生产而没有记录。为解决这一安全问题，在确定安家岭二矿老采空区范围和水分布等方面进行了多次尝试1煤矿各种地球物理方法已被分别应用，包括测井、地震法、直流电阻率法、音频大地电磁法、可控源音频大地电磁法（CSAMT）、瞬变电磁法和高密度电阻率法。然而，由于它们的分辨率差，所有这些方法都未能揭示采空区或可能成为水通道的结构的精确边界，例如矿井隧道，陷落柱和断层。尽管如此，这些先前的尝试确实提供了关于采空区范围的一定数量的信息。在这项工作中，宽场电磁法（WFEM）收集高分辨率的数据。由此产生的大量三维（3D）数据，然后通过流场拟合（FFF）精确反演，从而产生精确的https://doi.org/10.1016/j.eng.2018.09.0062095-8099/©2018 THE CONDITOR.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一个在CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志主页：www.elsevier.com/locate/eng4p2r4p2r1/4-z3---k- -- - Þ-小行星668他/工程 4 （2018年）667测量区域的电阻率分布这是FFF在煤矿水文灾害探测中的首次应用为了改善采空区和含水层的响应，还采用了井面激发技术在不同的钻孔激发深度下进行了高精度的电场含水带的范围及其与地下水的关系然后通过分析它们之间的差异来确定它们之间的差异，Ez¼0 3Hr¼-IdLsinu½6I1K1ikrI1K0-I0K1]4HuIdL cosuI1K15不同激发深度下的表观折射率之间的关系。基于对当地地质的详细了解，H3I dL2pk2r4 锡努河1ikr-1k2r26利用高分辨率反演得到的三维电阻率分布，准确地确定了采空区范围和矿井内的水分布。该方法为煤矿安全生产提供了可靠的技术支持，释放煤层近4km2，并在生产实践中得到了验证。2. 探索方法2.1. 宽场电磁法WFEM是He[3，4]提出的一种全新的方法，是对CSAMT方法的一个重大改进与CSAMT只能在远场工作不同，WFEM可以在远场、过渡区和部分近场工作，同时使用接地电偶极子和不接地磁环作为场源。在过渡带和远场，视电阻率迭代其中，I表示发射电流; i和e分别表示图像符号和指数运算;Er、Eu和Ez分别表示r、u和z方向上的电场分量;Hr、Hu和Hz分别表示r、u和z方向上的磁场分量; k是波数，其中，k21/4-ixl=q，x是角频率y;Iv和Kv是v阶第一和第二贝塞尔函数，参数ikr= 2。Er、Eu、Hr、Hu和Hz都包含了地下电阻率分布q的信息，因此，视电阻率可以通过测量它们中的任何一个并求解相应的在Eqs. （1）WFEM测深法在地面上使用电流偶极子源并测量水平电场Ex的x分量，称为E EkWFEM，并已广泛用于野外工作[3，4]。使用公式（1）和（2），以及坐标变换Ex 1/4Ercosu-Eusinu，导致以下结果：根据测量的电场和/或磁场计算。WFEM技术可以使用接地偶极子作为人工偶极子。qIdLEx¼2pr3fE-Ek ikr电源产生电场或磁场的变化（图1）。这种接地偶极子源可以发射不同频率的电磁波.在接收器处，可以通过测量电场和/或磁场来计算宽场视电阻率。更具体地说，在WFEM技术中只需要一个分量-电场或磁场。图1示出了具有接地偶极子源的半空间模型。在图中，dL表示电流偶极子的长度;q、l和e是电阻率、渗透率y和介电系数。而这一切，都是因为有了它，才有了它，才有了它。哪里fEE ikr1- 3sin2ue-ikr1ikr8由频率、电阻率和炮检距组成的函数f E-Ekikr反映了电磁波在地下的传播特性，称为E电磁响应函数WFEM。在的式Ikr 1ir=d（d是趋肤深度），Ex可以通过计算两点M之间的电势差来获得，N;因此，M和N之间的电位差：圆柱坐标系。相对介电系数系数E和相对磁导率L固定为1。圆柱坐标系中电磁场的所有分量表示如下[5]：DVMN 1/4Ex MN1/9mm其中MN是电极M和N之间的距离。因此，在本发明中，Er¼qIdLcosu2pr31qIdLDVMN¼2pr3fE-Ex ikrqIdLsinu使用几何系数KE-Ek，其中Eu¼2pr32-e-ikrKE-Ek 1/2pr3=.d LMN11毫米允许E的视电阻率公式EkWFEM的计算公式如下：qqKDVMN1ð12ÞaE-EkIfE-Ek 吉吉克尔Fig. 1.圆柱坐标系中具有接地偶极子的半空间模型的图示。地下介质的电阻率值也包含在方程的右侧。（12）.可以使用迭代算法来获得视电阻率的最佳值。然而，在使用迭代策略之前，对Eq.（11）必须执行。由于方程可能有多个解，因此很难获得正确的解。这个方程的解已由Wang和Xiong[6]证明并发表。在迭代法中，需要一个初始值来求解非线性电阻率方程。通过组合一个组件R2R¼·联系我们·1/4-rRRn1@nn@n@n何俊仁/工程4（2018）667与其他参数的电磁场，视电阻率的初始值可以被更新。如果这两个值之间的相对差值小于1%，则后一个值可以用作最终视电阻率。2.2. 流场拟合法FFF方法背后的原理与流场和电流场的原理相似在一定的人工流场条件下，流场的边界条件与流场的边界条件相同。关键在于如何建立人工电流场[7水的运动可以用流速u来表示。在笛卡尔坐标系中，沿轴的三个分量是ux、uy和uz。水是满足连续性方程的不可压缩流体r· u<$013哪里是Hamilton算子。考虑到u是无旋的，必须有一个流动势函数H：u¼-rH14其中当量（14）表示流动的速度等于电势的负梯度。当量（14）然后代入方程。（13）得到以下结果：r·rHrH015其中2是Laplacian。当量（14）表明无旋场流中的速度势满足拉普拉斯方程。如果磁场的某些部分是不受阻碍的，例如通过多孔介质，则应将系数K加到方程中。（十四）：u¼-KrH16其中K是渗透系数，等式（16）达西定律。如果流体和其他物体之间的边界是不规则的-水不能从边界流过去，这就是@u@n<$0分17秒其中n表示边界的法线方向。如果边界是可渗透的，根据连续性方程，（13），边界流速u的法向分量应是连续的;即，un1un2，其中指数1和2分别表示边界的两侧电流的分布由空间中一点的电流密度J描述。考虑恒流场，当空间在源外时，J满足连续性方程J0。恒流场是无旋的，与电流密度有关通过欧姆法在一微分形式：JRE其中r是介质的介电电导率。嗯。天然水的电导率从0.01到0.05不等。10 s m-1，主要取决于其离子的浓度，并且通常接受的值为1 s m-1E是电场强度，即电势的负梯度这狗-如果电介质的一侧是绝缘体，因此没有导电性，则@VJ<$0或r<$019因此，在无旋水流场和恒定流场之间存在数学和物理相似性，以及流场的流速和电流场的电流密度之间的关系（表1）。这些相似性构成了FFF原则的基础。3. 地质背景和地球物理概况3.1. 地质背景勘察区位于平朔煤矿中部，马官河以西。地表大部分被新生代地层覆盖，为典型的黄土丘陵地貌。地层几乎是水平的，倾角一般小于10度。含煤地层主要为石炭系、二叠系，地层岩性以砂岩粉砂岩为主，粘土岩次之。煤主要分布于上石炭统太原组和下二叠统山西组。该研究涉及4号、9号和11号煤层的勘探。号4煤层位于上石炭统太原矸石为泥岩，顶板为K3砂岩，煤层厚度约10.47 m。9号煤层位于上石炭统太原组，主要由亮煤组成，其次为硬煤，具弱玻璃光泽，内部裂隙破碎。废石为含黄铁矿结核的泥岩，煤层厚度约为十三米七五。11号煤层位于上石炭统太原组，主要由半亮煤组成，具条带状构造。内部裂隙较发育，煤层厚度约3.73 m。3.2. 主要含水层和含水层主要煤层赋存于上石炭统太原组。K6、K4、K3、S2、S1五个砂岩层为石炭-二叠系含水层（表2）。其中，K6、K4为4号煤层间接充水含水层，位于二叠系石盒子组顶、底; K3为4号煤层直接充水含水层，位于二叠系山西组底; S2位于4号煤层与7号煤层之间; S1为表1水流场与流场的相似性流场电流场流速u电流密度J流量连续性r·u<$0电流密度连续性r·J<$0电流密度与电位降的梯度成正比。自然水体的电导率可以被认为是常数;因此，r2V<$0。换句话说，电势V也水力潜力满足拉普拉斯方程2H0速度（u）与水力梯度u-rH电势满足拉普拉斯方程2V¼0电流密度（J）与电位梯度J/V-rrV成正比满足拉普拉斯方程。渗透系数K电导率r在两种不同类型介质的界面处，边界条件：速度延拓边界条件：正常电流密度连续电流密度的分量是连续的;因此，un1<$$> un2（可渗透边界）Jn1<$$> Jn2（导电边界）或un<$0（不可渗透边界）或Jn<$0（绝缘边界）J¼J或@V1¼@V2ð18Þ流线和等位线曲面处处正交电流线和等电位曲面处处正交n2670J. 他/工程 4 （2018年）667表2地层水文地质特征。单元标记地层厚度（m）水文地质特征其他大部分地区水资源丰富程度较弱。孔406的q为0.041-含水层为砂岩，富水，q= 0.0034-C2bK1 31-54.6939岩性主要为砂质泥岩、泥岩、粉砂岩、夹灰岩等。与─q= 0.000042L·（s·m）-1O2-360岩性为灰岩，区内富水，q= 0.023-介质q是水含量。位于不。7、不。9煤层。这五层砂岩构成了煤矿的主要含水层，对煤矿开采构成威胁。煤矿的主要隔水层为泥岩，介于石炭系和二叠系之间;主要分布在碎屑岩含水层内，主要由页岩和泥岩组成3.3. 物理特性电法勘探的物理基础是测量目标与周围物体之间的电性差异。根据有关物理性质的信息（表3），煤层、围岩和含水层之间的电阻率明显不同。因此，如果采空区含有水，其含水率将非常低。4. 勘探安排4.1. 宽场电磁法在图2中提供了示出WFEM布置的图。 发射机位于研究区域的北部，偏移量在4500米和5900米之间。发射电缆长约1000 m，发射电压为700-800 V，发射电流约120 A。频率范围为8192 ~ 0.75Hz，包含40个频率，适合于从地表到地下2km深度的勘探。4.2. 流场拟合方法井-地FFF法的布置如图所示。3.第三章。该系统分为两部分：发射机和表3地层电阻率特征地层主要岩性电阻率（X·m）C砂壤土、砂土、黄土、砾石30–180P中粗石英砂岩、砂质泥岩，50–150粉砂岩、粗砂岩C泥岩、砂质泥岩、粉砂岩，中等粒度70–165砂岩O石灰岩、灰岩、碎屑灰岩75–180图2. WFEM布置示意图接收器。井口位置在测量网格的中心，测量布置在八个方向上。测量进行两次。对于第一次测量，将电极A1放置在钻孔的表面处;在另一端，将电极B放置在无限远处（即，距离井口3000米以上），以便传输信号和测量电势差。对于第二次测量，将电极A2放置在钻孔中的含水区中，而电极B仍然放置在无限远处，以便传输信号并测量电势差。第一次测量的电位差被视为正常场。根据这两个电位差的差异，得到了含水层产生的电场分布，由此推断了含水层的范围以及它们之间的关系。图3（b）中示出了测量网格的布局。以钻孔为中心，布设5个同心圆测量同心圆之间的距离为100 m，每个同心圆上布置8个测量点同心圆MN为20 m。4.3. 井地高分辨率勘探网格调查网格如图所示。第四章调查区域东西方向约2320 m，南北方向约网格尺度为40 m× 40 m，形成床范围平均水平-3–2013Qpal，多孔潜水介质Q2l-3xN2b6–8010–252015粘土、钙质结核、隔水层粘土、钙质结核、隔水层低低P2SK6-42岩性主要为砂质泥岩、泥岩、粉砂岩、细-粗粒砂岩。K6低P1xK465–9576K4为粗粒砂岩。这些岩石出现在山谷中。含水层是砂岩，裂缝发育，渗透性好。该地区的大部分地区都没有水，除了向斜轴P1sK341–9862该区岩性为砂质泥岩、泥岩夹砂岩。含水层为砂岩。同步线轴孔803有水溢出（q= 0.34L·（s·m）-1）。低到中等C3tK268–10980岩性主要为砂质泥岩、泥岩、煤层及夹砂岩。的低何俊仁/工程4（2018）667图3.（a）地面-钻孔FFF和（b）测量网格的布置。测量点是1911年。FFF共使用了10个测量钻孔。5. 数据处理5.1. 宽场电磁数据根据地球物理资料，结合区域地质信息和地层岩性电性特征，建立了测区地电模型进行了二维连续介质反演。接下来，基于2D反演的结果，执行3D介质反演。对三维反演结果进行了地质解释，主要依据WFEM测得的视电阻率剖面。通过WFEM和FFF相结合的方法，揭示了研究区的地质和地球物理特征。在正常情况下，地下电阻率与含水量成反比。因此，如果该地区通常只有很少水或没有水，则其值相对较高，但对于有水地区，其值相对较低。根据反演得到的三维电阻率数据，获得了4号、9号和11号煤层深部的电阻率平面。 在此，仅给出了No.1的电阻率平面 4号煤层显示（图）。 5）。图5显示了WFEM显示的4号煤层的含水区。图中深蓝色代表富水区，浅蓝色代表含水带，黄色代表弱水区。有两富水区的主要区块。第一种，被称为水状异常。位于西南部，这里有许多生产竖井和许多废弃的小窑。因此，这个富水区是由于富水采空区。另一个富水异常，没有.Ⅱ，位于测区东北部，但异常较弱。图6显示了4号煤层深度处的电阻率平面图。在该图中，深蓝色代表超低电阻率，浅蓝色代表低电阻率，黄色代表中电阻率，红色代表高电阻率。根据物理和地质特征，特低电阻率区对应富水区，低电阻率区对应含水带，高电阻率区对应无水采空区同样，第二号盆地的水化异常也是如此9、不。11 可以获得煤层（图）。 7和图 8）。图图7显示了长江口第一湾的富水区。9煤层，如WFEM所揭示研究了黄河口一号水库水异常的主要分布特征。9号煤层的煤层气赋存特征与10#煤层相似。4煤层。有两个主要的富水区。Ⅰ号含水异常虽比4号煤层小，但仍位于西南部。另一个富水区，No.Ⅱ，位于测区东北部，但异常较弱。图8显示了WFEM显示的11号煤层的富水区。11号煤层含水异常的主要分布特征与9号煤层相似。有两个主要的富水区。含水异常编号我再次位于西南部，图4. 井-地高分辨率勘探网格。672J. 他/工程 4 （2018年）667图5. WFEM揭示的4号煤层深部富水区（单位：m）。图第六章井深电阻率平面图4煤层。但小于9号煤层。Ⅱ号富水异常位于测区东北部，但异常很弱。5.2. 井-地面流场拟合方法首先根据实测电位差计算视电阻率。根据A电极的位置，不同深度的电阻率平面（图3）可用于分析和解释地电特征。接下来，将电极A的每个深度处的视电阻率除以位于表面上的电极A的视电阻率。由此得到的标准化电阻率平面图可以用来消除由表面电阻率变化引起的异常6. 勘探成果及讨论在PJY 4测试钻孔中，分别在0、100、160和220 m处布置了四个不同深度的电极4号煤层位于220米深处。在这些不同深度处获得的视电阻率（图9）可用于分析地电特性，从而识别水域的分布。当A电极位于100和160m深度时，视电阻率分布而当A电极放置在220 m深度时，分布特征发生了较大的变化。接着，将电极A深度100、160和220 m处的视电阻率除以位于表面上的电极A处利用三个标准化电阻率平面图消除了因地表电阻率变化而引起的异常。归一化的电阻率平面图如图10所示。显然，当深度分别为100和160 m时，几乎没有变化;然而，在深度为220米。可以看到一个明显的西北-南-东方向的低阻带。据推测，这条带是由一个水域造成的。图11为安家岭一矿采空区及水分布情况。基于WFEM和钻孔-地面FFF的结果，对某煤矿进行了模拟计算由此可见，区内存在较大的潜在水害危险部位，最大的危险部位位于勘察区西南部，该部位有丰富的含水带。此外，疑似水灾害区域位于运输巷道4106的东北部，其中电阻率非常低。然而，这种低阻异常与其含水性之间的关系还需要进一步的研究位于测网南部的高阻异常很可能是由采空区引起在详细了解勘察区水文地质特征的基础上，开发了近4km2的矿区，并在实际生产中得到了验证。何俊仁/工程4（2018）667图7. WFEM揭示的9号煤层深部富水区（单位：m）。见图8。 WFEM揭示的11号煤层深部富水区（单位：m）。小行星674他/工程 4 （2018年）667图9. PJY 4测试井视电阻率平面图。(a)0米;（b）100米;（c）160米;（d）220米。图10. PJY 4测试井中获得的归一化视电阻率平面图。(a)（b）160米;（c）220米。图11.勘探成果显示了采空区和积水的分布情况。7. 结论利用三维WFEM与井-地FFF高分辨率勘探技术相结合的方法，在安家岭一号井田进行了高分辨率勘探1煤矿，获得详细的地质数据，使采空区和含水区准确定位。富水异常揭示的富水区主要分布在盆地的西南部何俊仁/工程4（2018）667WFEM调查区;还有第二个疑似含水区。根据WFEM和FFF的解释，建议在后续生产中避免这些富水层为安家岭一矿的安全生产提供了可靠的1煤矿因此，近4平方公里的煤层被释放用于开发。这些结果在实际生产中也得到了验证。引用[1] NanYH，Xu NX，Wu X，Bai ZK. 安家岭一矿开采沉陷数值模拟的岩石力学参数反分析。1煤矿 CoalTechnol 2015;34（1）：109-12.[2] 樊建锋，杨强，葛培峰。安家岭露天矿采空区危险性辨识及安全措施。 露天采矿技术2015;4：59-61。[3] 他是JS。宽场电磁测深法。J Cent South Univ2010;41（3）：1065-72.[4] 他是JS。宽场电磁法和伪随机信号法。北京：高等教育出版社; 2010. 中文.[5] 沃德·SH。电、电磁和大地电磁法。地球物理1980;45（11）：1659-66.[6] 王世武，熊斌.宽场视电阻率的数值计算方法。地球物理地球化学探索的计算技术2012;34（4）：380-3.[7] 他是JS。“流场”技术检测大坝涌浪渗漏。Copp Eng2000;1：5-8.[8] 他是JS。堤坝涌浪渗漏流场检测方法研究。见：周桂生，马燕，周健，李海忠，赵建芳，王燕宁，等，主编。中国科学技术协会学报; 2000年9月17-20日; Xi。北京：中国科学技术出版社; 2000.第758- 759页。中文.[9] 何建生，邹世杰，唐建东.流场法探测堤坝涌浪渗漏的分布试验。中国水旱灾害管理2008;S1：132-5. 中文.[10] 邹SJ，何JS. 堤坝管涌渗漏检测的流量拟合法理论与应用研究[学位论文]。长沙：中南大学出版社; 2009. 中文.
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