川南地區(qū)煤礦采空區(qū)的瞬變電磁法異常特征

張旭林, 周 昊, 劉 磊, 劉 洋

(1.四川中成煤田物探工程院有限公司，成都 610072；2.四川長寧天然氣開發(fā)有限責任公司，成都 610056)

0 引言

川南地區(qū)頁巖氣資源豐富，也是目前國內(nèi)頁巖氣開發(fā)的主戰(zhàn)場，2012年4月國家發(fā)改委、國家能源局設(shè)立“長寧—威遠國家級頁巖氣示范區(qū)”，正式開始了大規(guī)模開發(fā)頁巖氣[2]。但該地區(qū)發(fā)育有須家河組、龍?zhí)督M含煤地層，由于煤礦的開采形成有情況不明的煤礦采空區(qū)，因此，選擇合適的鉆井平臺位置具有十分重要的意義。

這里以工作區(qū)中部署的鉆井平臺為例，通過在預(yù)選鉆井平臺位置開展煤礦采空區(qū)電法勘探工作，采用瞬變電磁法對煤礦采空區(qū)進行探測，對物探異常特征進行分析和總結(jié)，判斷出預(yù)選平臺位置下方煤礦采空區(qū)的分布情況，以達到選擇合適的鉆井平臺位置的目的。

1 地質(zhì)背景

1.1 地層

工作區(qū)內(nèi)出露地層由新到老依次為上沙溪廟組、下沙溪廟組、涼高山組、自流井組、珍珠沖組、須家河組、雷口坡組、嘉陵江組、飛仙關(guān)組、長興組、龍?zhí)督M，主要為各類沉積巖，其中以各類碎屑巖為主，碳酸鹽巖類及泥巖類次之[3]。

1.2 煤層

三疊系上統(tǒng)須家河組(T3xj)是本工作區(qū)的含煤巖系之一，含煤地層共有三個段，即須家河組一段、三段、五段。可采煤層主要為五段的雙連，三段的小白炭，一段的上元炭，由上而下為：

1)雙連煤層，俗稱“雙梁子”，位于五段中上部，煤層層位穩(wěn)定。煤層總厚為0.66 m～1.56 m，平均為 1.12 m；煤層有益厚度為0.31 m～1.15 m，平均為0.72 m；上分層煤厚為0.08 m～0.81 m，平均為0.36 m 。結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，一般含夾矸1層～2層，局部含夾矸3層～5層，夾矸總厚為0.17 m～0.72 m，平均為0.41 m，巖性多為泥巖，局部為炭質(zhì)泥巖。該煤層在區(qū)內(nèi)基本大部分開采，煤層厚度變化不大，屬較穩(wěn)定煤層。

2)小白炭煤層，俗稱“二棒炭”，一般含煤2層，上分煤層厚為0.05 m～0.15 m,下分煤層厚為 0.30 m～0.35 m,煤層總厚為0.62 m～0.82 m,夾研厚度一般在0.20 m～0.50 m之間,巖性為細砂巖及泥巖。

3)上元炭煤層，上距二巖炭為6 m左右，下距中元炭為4 m左右，煤層分布比較廣泛，厚度變化相對較穩(wěn)定，為單一煤層，一般在0.20 m～0.43 m左右。上元炭頂板為深灰色砂質(zhì)頁巖，底板為深灰色頁巖。

二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P2l)為本工作區(qū)的另一含煤巖系，含煤地層共有三個段，即龍?zhí)督M一、龍?zhí)督M二、龍?zhí)督M三段，可采煤層主要為B4、B3、A2、A1煤層。本工作區(qū)主采B4、B3煤層，由上而下為：

1)B4煤層，俗稱“矮炭”，產(chǎn)于P2l2+3組地層頂部，上距K7標志層為0.90 m～4.54 m，平均為 2.66 m，下距B3煤層為1.72 m～13.24 m，平均為4.14 m。煤層總厚為0.41 m～1.50 m，平均為 0.86 m；煤層傾角為5°～33°，平均為20°；以雙層結(jié)構(gòu)為主，單一結(jié)構(gòu)次之，一般夾矸厚為0.02 m～0.25 m，平均厚為0.08 m，夾矸巖性為粘土巖、炭質(zhì)泥巖；頂板以泥巖為主，含炭泥巖次之，偶見生物碎屑灰?guī)r，泥巖中富含瓣鰓、腕足類動物化石，底板多為泥巖，直接底板為粘土巖，富含深灰色腎狀菱鐵礦結(jié)核，穩(wěn)定性為較穩(wěn)定。

2)B3煤層，俗稱“高炭”，產(chǎn)于P2l2+3組地層上部，上距B4煤層為1.72 m～13.24 m，平均為4.14 m，下距B2煤層為1.30 m～8.22 m，平均為3.65 m。煤層總厚為0.20～2.88 m，平均為1.25 m；煤層傾角為5°～33°，平均為20°；以單一結(jié)構(gòu)為主，雙層結(jié)構(gòu)次之，一般夾矸厚為0.03 m～0.14 m，平均厚為0.07 m，夾矸巖性為粘土巖、炭質(zhì)泥巖；頂板以粉砂巖為主，泥巖次之，底板多為泥巖，直接底板為粘土巖，富含草黃色球粒狀菱鐵礦。穩(wěn)定性為較穩(wěn)定。

1.3 構(gòu)造

工作區(qū)內(nèi)預(yù)選平臺位置地層呈單斜構(gòu)造，構(gòu)造較為簡單。受區(qū)域構(gòu)造以及區(qū)域應(yīng)力作用的影響，須家河組及龍?zhí)督M巖石節(jié)理裂隙較為發(fā)育。

1.4 水文

工作區(qū)內(nèi)各類碎屑巖具性脆、抗壓強度高、抗剪、抗拉強度卻低的力學(xué)特性，裂隙的發(fā)育，是本工作區(qū)內(nèi)碎屑巖具有含水性的主導(dǎo)因素；碳酸鹽巖這些可溶性巖石，在裂隙發(fā)育的基礎(chǔ)上，濕潤多雨的氣候條件下，溶蝕作用強烈，巖溶發(fā)育，使得本工作區(qū)內(nèi)賦存有豐富的碳酸鹽巖巖溶管道水；各類泥巖特別是侏羅系的泥巖具塑性，往往只形成細小而密集的微裂隙，在構(gòu)造應(yīng)力集中的部位，裂隙相對發(fā)育，并經(jīng)風化作用而得到擴大，給淺層地下水的儲集創(chuàng)造了條件，幾乎都賦存有基巖裂隙水，一般水量貧乏[4]。

2 地球物理特征

物性差異是開展地球物理勘探的前提[5]，在收集工作區(qū)周邊及以往工作的測井、電性資料基礎(chǔ)上，在工作區(qū)內(nèi)采集巖樣進行室內(nèi)物性測試[6]，綜合統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 巖石視電阻率值統(tǒng)計表

通過物性測試統(tǒng)計結(jié)果可以得出如下結(jié)論：

1)不同巖性之間存在較明顯的電性差異。泥巖視電阻率值最低，一般在10 Ω·m～300 Ω·m之間，在工作區(qū)屬低視電阻率；砂巖視電阻率值次之，一般在90 Ω·m～710 Ω·m之間，在工作區(qū)屬中視電阻率；灰?guī)r視電阻率值最高，一般在800 Ω·m～3 520 Ω·m之間，在工作區(qū)屬高視電阻率。

2)空洞不含水、無充填狀態(tài)下，一般呈高視電阻率；空洞充水或泥質(zhì)充填狀態(tài)下，一般呈低視電阻率。

3)相鄰地層自流井組和須家河組，雷口坡組和嘉陵江組沒有較明顯的電性差異，而須家河組與雷口坡組有較明顯的電性差異。

4)采空區(qū)、構(gòu)造發(fā)育區(qū)與完整地層相比，由于地應(yīng)力對完整巖層的破壞，導(dǎo)致巖體的裂隙發(fā)育，同時使得傳播于勘查范圍內(nèi)的導(dǎo)電性發(fā)生變化，導(dǎo)致巖石的視電阻率大小發(fā)生變化，與完整巖體產(chǎn)生一定的電性差異。

綜上所述，工作區(qū)具備開展瞬變電磁法煤礦采空區(qū)勘查工作的地球物理前提條件。

3 瞬變電磁法工作原理

瞬變電磁法是利用不接地回線向地下發(fā)送一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場的間歇期間，利用另一回線或探頭接收由地下地質(zhì)體受激勵引起的渦流產(chǎn)生的隨時間變化的感應(yīng)二次場(按指數(shù)規(guī)律衰減)[7]。根據(jù)這個原理，可把地表測得的隨時間變化的瞬變響應(yīng)轉(zhuǎn)化為電阻率隨深度變化的函數(shù)曲線(式(1)、式(2))[8]，從而實現(xiàn)瞬變電磁測深。

(1)

M=IL2

(2)

式中：ρ(t)為延時t時刻視電阻率，Ω·m；μ0為真空磁導(dǎo)率，μ0=4π×10-7H/m；M為發(fā)射磁距， A·m2；q為接收線圈有效面積， m2；t為衰減時間， ms；dB(t)/dt為磁場感應(yīng)強度B關(guān)于時間的導(dǎo)數(shù)；I為發(fā)射電流， A；L為發(fā)射回線邊長， m。

通過二次場衰減曲線的特征，就可以判斷出地下地質(zhì)體的電性、性質(zhì)、規(guī)模和產(chǎn)狀等，從而解決如斷層、地下暗河、采空區(qū)等地質(zhì)問題[9]。瞬變電磁法工作原理如圖1所示。

圖1 瞬變電磁法工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of working principle of tem

4 物性標定

根據(jù)收集的煤礦資料及本次煤礦調(diào)查情況，某平臺下方須家河組地層分布有小白炭、上元炭、中元炭、下元炭煤層。該平臺下方主采煤層為上元炭，目前，采空區(qū)為充水狀態(tài)，小白炭煤層未開采。圖2為該平臺煤礦采空區(qū)勘查瞬變電磁法測線視電阻率反演斷面圖。從圖2中可以看出：①雷口坡組和嘉陵江組地層沒有較明顯的電性差異；②而須家河組與雷口坡組地層有較明顯的電性差異，須家河組地層整體呈現(xiàn)出中低視電阻率特征，測線下方未開采小白炭煤層埋深位置，視電阻率等值線分布較為均勻，與圍巖沒有明顯的電性差異；③測線下方已開采上元炭煤層埋深位置，視電阻率等值線分布不均勻，整體呈現(xiàn)出低視電阻率特征，與圍巖有明顯的電性差異。因此，我們可以通過視電阻等值線的分布特征以及電性值對采空區(qū)進行判定。

圖2 某平臺瞬變電磁法測線綜合解譯斷面圖Fig.2 Section map of comprehensive interpretation of survey line by transient electromagnetic method of a platform

5 案列分析

5.1 案列1-A平臺

5.1.1 基本情況

根據(jù)收集的煤礦資料及本次煤礦調(diào)查情況，A平臺下方龍?zhí)督M地層分布有B4、B3、A2、A1煤層。煤礦主采煤層為B4、B3煤層(圖3、圖4)，本次物探測線布置覆蓋已知采空區(qū)，控制采空區(qū)外延情況，S5線里程0 m～640 m為已知采空區(qū)，目前，已知采空區(qū)處于空洞狀態(tài)。

圖3 A平臺煤礦采空區(qū)電法勘探測線布置圖(局部)Fig.3 Layout of electric exploration and survey line in goaf of coal mine of platform A (local)

圖4 A平臺煤礦采空區(qū)電法勘探S5線地質(zhì)剖面圖Fig.4 Geological section of S5 line of electric exploration in goaf area of coal mine of platform A

5.1.2 異常特征

1)整體規(guī)律。反演剖面由淺至深主要為嘉陵江組、飛仙關(guān)組中低阻電性特征，長興組、龍?zhí)督M、茅口組的中高阻電性特征。

2)局部分析。通過瞬變電磁法S5線視電阻率反演斷面圖可以看出，剖面在里程0 m～580 m，高程約660 m～790 m，出現(xiàn)等值線不均勻分布的高視電阻率的現(xiàn)象，結(jié)合S5線地質(zhì)剖面在對應(yīng)位置的投影，推測為B4、B3煤層采空區(qū)的電性反應(yīng)。說明瞬變電磁法對煤礦采空區(qū)勘探是有效的，采空區(qū)為空洞狀態(tài)時呈現(xiàn)出等值線不均勻分布的高視電阻率的特征。

5.2 案列2-B平臺

5.2.1 基本情況

根據(jù)收集的煤礦資料及本次煤礦調(diào)查情況，B平臺下方須家河組地層分布有小白炭、上元炭、中元炭、下元炭煤層。煤礦主采煤層為小白炭、上元炭，如圖6、圖7所示，本次物探測線布置覆蓋已知采空區(qū)，控制采空區(qū)外延情況，L1線里程0 m～750 m為已知采空區(qū)，目前已知采空區(qū)處于充水狀態(tài)。

圖6 B平臺鉆前電法勘探測線布置圖(局部)Fig.6 B. Arrangement of exploration and survey line before platform drilling by electric method (local)

圖7 B平臺鉆前電法勘探L1線地質(zhì)剖面圖Fig.7 Geological section of L1 line by pre-drilling electric method for platform B

5.2.2 異常特征

1)整體規(guī)律。反演剖面電性特征明顯，由淺至深主要為須家河組砂泥巖的中低阻電性反映、雷口坡組灰?guī)r的中高阻電性反映。

2)局部分析。通過瞬變電磁法S1線視電阻率反演斷面圖可以看出，剖面在里程400 m～800 m，高程約460 m～520 m，出現(xiàn)等值線不均勻分布的低視電阻率的現(xiàn)象，結(jié)合L1線地質(zhì)剖面在對應(yīng)位置的投影，推測為小白炭采空區(qū)的電性反應(yīng)。在里程400 m～800m，高程約330 m～370m，出現(xiàn)等值線不均勻分布的低視電阻率的現(xiàn)象，結(jié)合L1線地質(zhì)剖面在對應(yīng)位置的投影，推測為上元炭采空區(qū)的電性反應(yīng)。說明瞬變電磁法對煤礦采空區(qū)勘探是有效的，采空區(qū)為充水狀態(tài)時呈現(xiàn)出等值線不均勻分布的低視電阻率的特征。

5.3 案列3-C平臺

5.3.1 基本情況

圖8 B平臺瞬變電磁法S1線綜合解譯斷面圖Fig.8 Section map of comprehensive mterpretation of line S1 by transicnt eletromagnetic metod of platform B

根據(jù)收集的煤礦資料及本次煤礦調(diào)查情況，C平臺下方須家河組地層分布有雙連、鐵炭、龍骨炭煤層。煤礦主采煤層為雙連，本次物探測線布置覆蓋已知采空區(qū)，控制采空區(qū)外延情況，L14線里程1 060 m～1 480 m為已知采空區(qū)，該礦山采空區(qū)為全部垮落法管理頂板，大部分采空區(qū)已用砂泥巖回填，部分區(qū)域充水的狀態(tài)(圖9、圖10 )。

圖9 C平臺鉆前電法勘探測線布置圖(局部)Fig.9 C. Arrangement of exploration and survey line by pre-drilling electric method for platform drilling (local)

圖10 C平臺鉆前電法勘探L14線地質(zhì)剖面圖Fig.10 Geological section of L14 line by pre-drilling electric method of platform C

5.3.2 異常特征

1)整體規(guī)律。反演剖面由淺至深主要為下沙溪廟組、新田溝組、自流井組、珍珠沖組、須家河組砂泥巖的電性反映，中深部呈現(xiàn)中高阻電性特征主要為須家河組厚層狀砂巖的電性反映。

2)局部分析。從圖11可以看出，剖面在里程約750 m～1 200m，埋深約-90 m～90 m，出現(xiàn)視電阻率整體值偏低，高低阻相間，視電阻率等值線分布凌亂的現(xiàn)象，反映地層介質(zhì)極不均勻，與該層位地層電性背景值差異明顯，異常區(qū)域與已知采空區(qū)在相應(yīng)里程和高程上大致對應(yīng)。說明瞬變電磁法對煤礦采空區(qū)勘探是有效的，在這種大部分采空區(qū)用砂泥巖已回填，部分區(qū)域充水的區(qū)域，瞬變電磁法視電阻率反演剖面呈現(xiàn)出視電阻率整體值偏低、高低阻相間、視電阻率等值線分布凌亂的特征。

圖11 C平臺煤礦采空區(qū)電法勘探瞬變電磁法S14線視電阻率反演斷面圖Fig.11 Inversion section of apparent resistivity of S14 line by transient electromagnetic method for goaf exploration in coal mine of platform C

6 結(jié)論

通過在預(yù)選鉆井平臺位置開展煤礦采空區(qū)電法勘探工作，采用瞬變電磁法對煤礦采空區(qū)進行探測，總結(jié)出川南地區(qū)煤礦采空區(qū)具有以下特征：

1)煤層未開采狀態(tài)，呈現(xiàn)出視電阻率等值線分布均勻，與圍巖沒有明顯的電性差異的特征。

2)采空區(qū)為空洞狀態(tài)，呈現(xiàn)出等值線不均勻分布的高視電阻率的特征。

3)采空區(qū)為充水狀態(tài)，呈現(xiàn)出等值線不均勻分布的低視電阻率的特征。

4)采空區(qū)為有物質(zhì)充填、部分區(qū)域充水狀態(tài)，呈現(xiàn)出視電阻率整體值偏低，高低阻相間，視電阻率等值線分布凌亂的特征。