Application de TEM et HDRM dans les levés hydrogéophysiques de la mine de charbon de Meisibulake

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 21368 (2022) Citer cet article

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La catastrophe de l'eau est l'une des catastrophes majeures menaçant la sécurité de la production de la mine de charbon, qui n'est classée qu'en deuxième position après la catastrophe du gaz. Et la mine de charbon de Meisbluke est gravement touchée par les catastrophes liées à l'eau. Afin de connaître l'étendue et l'emplacement des zones aquifères dans la mine de charbon de Meisbluke. La méthode d'exploration géophysique globale combinant la méthode électromagnétique transitoire (TEM) et la méthode de résistivité à haute densité (HDRM) est utilisée pour mener à bien cette recherche. Tout d'abord, la zone de mesure est déterminée et les points de mesure pertinents sont disposés, et 73 lignes de levé TEM et 10 lignes de levé HDRM ont été disposées selon les exigences. Ensuite, le principe, la méthode de traitement des données et les principaux paramètres de TEM et HDRM sont introduits. Les résultats de détection TEM montrent que l'épaisseur du Quaternaire déduite par TEM est cohérente avec les conditions géologiques révélées par les forages, et l'épaisseur est d'environ 50 à 80 m. Et l'enrichissement en eau du socle rocheux est évidemment rechargé par l'aquifère du Quaternaire. En outre, les zones enrichies en eau à chaque élévation sont marquées et le canal de ruissellement des apports d'eau est déduit sur la base du scénario 3D inversé par TEM. Et les résultats de détection des zones aquifères par les deux méthodes sont en bon accord, ce qui peut se confirmer et se compléter, et l'interprétation des données est scientifique et raisonnable avec une grande fiabilité. De plus, la profondeur de détection du HDRM est supérieure à celle du TEM.

Du point de vue des accidents de production dans les mines de charbon, les risques liés à l'eau sont la deuxième menace la plus grave après les accidents liés au gaz1,2,3. La détermination de la situation hydrologique et de l'emplacement exact de la source d'eau est le travail fondamental de l'exploration avancée de l'eau dans les mines de charbon. La méthode d'enquête conventionnelle consiste à détecter la carotte en aménageant plusieurs forages4. Cette méthode est essentielle pour déterminer l'emplacement et l'étendue des gouffres et des zones aquifères dans les mines de charbon. Cependant, la mise en place de forage coûte souvent beaucoup de temps et d'argent, surtout pour certains projets en cours de construction. Par rapport à la méthode de détection par forage, la méthode géophysique est largement utilisée dans la détection en raison de sa grande efficacité et de ses caractéristiques non destructives5,6,7.

La méthode électromagnétique transitoire (TEM) se caractérise par une sensibilité élevée aux corps de faible résistivité, une résolution transversale plus élevée (elle peut résoudre des structures conductrices d'eau de plus de 400 m de profondeur et des dizaines de m de largeur transversale) et un fonctionnement rapide. Il peut accomplir rapidement et avec précision la détection pour localiser les structures d'arrivée d'eau8,9,10. Chen et al.11 proposent une nouvelle configuration de méthode électromagnétique transitoire, la méthode électromagnétique transitoire à décalage court (SOTEM), qui non seulement améliore la précision, mais élargit également la profondeur d'exploration pour détecter les zones enrichies en eau dans les mines de charbon allant de 1000 à 1200 m de profondeur. Le système électromagnétique transitoire aéroporté à source électrique mise à la terre (GREATEM) peut fournir une profondeur de prospection considérable, une résolution latérale et une efficacité de détection élevée. Pour vérifier sa faisabilité dans l'eau de goaf, un levé électromagnétique sur le terrain au-dessus de la mine de charbon de Qinshui (province du Shanxi, Chine) a été réalisé par Li et al.12, et le profil de résistivité de la zone de levé est clairement présenté, ce qui est cohérent avec les informations fournies par Shanxi Coal Geology Geophysical Surveying Exploration Institute, Chine. Le résultat montre que l'application du système GREATEM est une technique efficace pour la détection de la résistivité de l'eau de chèvre. Chang et al.13 ont établi un modèle géoélectrique de l'espace entier basé sur les données réelles des strates de mesure du charbon et ont modélisé la réponse TEM de l'espace entier du goaf rempli d'eau en utilisant la méthode du domaine temporel des différences finies. Les résultats ont montré que les zones de faible résistance des contours de résistivité peuvent refléter avec précision l'abondance en eau du goaf minier. Le TEM souterrain a été utilisé pour détecter l'abondance d'eau de la goaf minière dans un environnement minier et ses résultats de détection étaient cohérents avec les résultats réels. Zhou et al.14 ont développé un système de test de perturbation électromagnétique transitoire (TED) avec une direction de polarisation réglable pour compenser les performances à basse fréquence, ce qui est d'une valeur significative dans le développement d'un système de test TED à grande échelle au niveau du système à l'avenir. . Yu et al.15 ont utilisé une méthode électromagnétique transitoire à grande boucle pour détecter la zone minée remplie d'eau. Et l'instrument GDP-32 et la sonde magnétique ANT-6 ont été utilisés pour l'exploration géologique pratique. L'appareil fonctionnait à une fréquence fondamentale de 16 Hz avec une tension d'émetteur de 120 V et un courant d'émission de 15 A. Les résultats d'inversion suggèrent que les zones exploitées enrichies en eau présentent toujours une très faible résistivité, le contour de résistivité présente un cercle fermé pointu. Fan et al.16 ont d'abord utilisé la technologie de transformation inverse du champ d'onde à balayage temporel multi-fenêtres pour convertir les données TEM en pseudo-onde multirésolution, puis ont utilisé la méthode d'interprétation conjointe pour obtenir les caractéristiques de distribution électrique souterraine, l'emplacement de l'onde remplie d'eau. zones et ondulations continues de la strate.

En outre, une autre méthode d'exploration géophysique - la méthode de résistivité à haute densité (HDRM) est également fréquemment utilisée dans la détection avancée de l'eau, la localisation des goafs, etc. dans les mines de charbon. Pour étudier la faisabilité du HDRM dans la détection des structures aquifères découvertes dans la dérive, trois appareils, dont Wenner, Dipole-Dipôle et Schlumberger, ont été mis en œuvre par Ma et al.17 pour détecter les structures aquifères en dessous de la ligne de mesure de 635 m dans la dérive sélectionnée. Les résultats de détection montrent un bon accord avec les conclusions des études hydrogéologiques de terrain. En raison de la structure géologique complexe et de l'abondance d'eau incertaine dans le creusement des fronts de taille traversant les failles de la mine de charbon de Yuncheng, Zhai et al. inversion avec méthode des moindres carrés basée sur des contraintes d'inégalité, établissement d'un modèle mathématique à l'aide de données de détection adoptées itération de boucle et facteur de filtration lisse, prédire la position spatiale de l'eau souterraine. Shi et al.19 ont proposé de libérer efficacement l'eau du toit avec le forage de la chaussée selon les résultats de détection de la méthode HDR tridimensionnelle pendant le processus d'exploitation des chantiers, car les strates du toit peuvent être détruites sous l'action de la pression au sol, ce qui rend la relation hydraulique entre les aquifères du toit mieux. Les résultats montrent que le HDRM tridimensionnel est fiable pour la détection avancée de l'eau du toit pendant l'exploitation des chantiers, ce qui peut guider efficacement l'eau du toit dans le grès pour qu'elle soit libérée par le forage de la chaussée. Li et al.20 ont proposé une méthode de polarisation induite tridimensionnelle (3D) caractérisée par un réseau multi-électrodes et l'ont introduite dans des tunnels et des mines en la combinant avec une surveillance en temps réel avec une inversion temporelle et une méthode de résistivité à trous croisés.

Le 26 mars 2017, l'arrivée d'eau sur le toit s'est produite à l'est du front de taille A7 de + 1818 m dans la mine de charbon de Mesbulak. Étant donné que la capacité de drainage de l'eau de la mine de charbon est insuffisante, le fond du puits a été inondé et le volume maximal d'entrée d'eau a été estimé à 320 m3/h, ce qui dure 7 jours. Afin de mener un traitement scientifique des catastrophes hydriques, les méthodes géophysiques sont utilisées pour déterminer rapidement et efficacement la cause de l'afflux d'eau en toiture et du canal d'alimentation en eau de + 1818 mA7 face de travail est.

La mine de charbon Meisibulake du comté de Baicheng est située dans le village de Meisibulake (à 70 km au nord-est du comté de Baicheng) de la région de la rivière Meisibulake, dont la division administrative relève de la juridiction du comté de Baicheng de la préfecture d'Akesu, comme illustré à la Fig. 1. Le filon de charbon dans la zone minière est fortement incliné avec un angle de pendage de 61 à 72°. La présence de veines de charbon est stable, avec un total de 6 veines de charbon exploitables, dont 3 veines de charbon fines et moyennement épaisses et 3 veines de charbon épaisses (l'épaisseur moyenne maximale de la veine de charbon est de 7,6 m). Les principaux filons de charbon minier sont A3, A5, A6, A7, A8 et A9. La production prévue est de 600 000 t/a.

Site d'étude.

Il y avait 2 mines de charbon abandonnées dans le champ minier de Meisibulake. Pendant la période de conduite de la voie aérienne de retour 1910A3-1 du front de travail 1 W (A3-1) 01, elle a traversé la mine de charbon abandonnée ouest en 2011. Après cela, l'endroit connecté a été immédiatement scellé de manière permanente et l'eau a été évacuée. de tous les forages. Jusqu'au 21 février 2011, un total de 258,09 m3 d'eau a été rejeté.

Le périmètre de travail de l'exploration géophysique est de 1,17 km2. Sur la figure 2, le polygone rouge est la zone d'exploration géophysique et la zone d'ombre noire est la mine de charbon abandonnée. Le plan et la coupe du front de taille de l'accident d'irruption d'eau sont illustrés à la Fig. 3.

Zone de mesure. (a) Emplacement de la zone de mesure (b) Disposition des lignes et des points de mesure.

Le plan et la vue en coupe du front de taille dans la zone de mesure. (a) Plan du front de taille dans la zone de mesure, (b) Vue en coupe du front de taille dans la zone de mesure.

La plupart des veines de charbon de cette mine sont enfouies sous le niveau de référence d'érosion local. Selon les informations de forage, l'aquifère fissuré du substrat rocheux du toit et du sol est principalement composé de grès moyen dur et cassant, de grès grossier, de grès grossier de gravier et de conglomérat, qui ont certains pores et fissures. L'aquifère est rechargé par les eaux de surface et les eaux phréatiques du Quaternaire et stocke une certaine quantité d'eau souterraine. Les principales sources d'eau du champ minier sont décrites comme suit :

Eau de veine de charbon et eau de fissure du substratum rocheux du toit et du plancher

Au moyen d'un forage, d'une simple observation hydrologique et d'un test de pompage, il a été constaté qu'il existe des aquifères dans le toit et le sol. La liaison hydraulique entre les aquifères est extrêmement faible en raison de l'influence d'un quiclude. À en juger par la situation d'exploration actuelle, l'eau du filon de charbon et l'eau de la fissure du substrat rocheux du toit et du sol constituent la principale source de cette mine de charbon.

Couche de cailloutis diluviaux précipités du Quaternaire

Les couches de sable et de gravier du Quaternaire (Q2gl et Q3pl) d'une épaisseur de 0 à 60 m sont inégalement réparties à la surface du champ minier, généralement minces à l'ouest et épaisses à l'est. Le gisement minier est alimenté par les eaux de surface et l'aquifère H1 (aquifère alluvial sable-gravier de l'Holocène quaternaire (Q4al + PL)). Lors de l'extraction de la couche de charbon peu profonde, les eaux souterraines de la couche de gravier quaternaire s'écouleraient dans la mine de charbon à travers des fissures conduites par l'eau dans les strates sus-jacentes.

Les eaux de surface

La rivière Meisibulake traverse le champ minier, du nord au sud, qui est la seule source d'eau. Étant donné que les strates sus-jacentes sont principalement composées de mudstone faible, de mudstone carboné et de siltstone argileux, lorsque le front de taille traverse le champ minier, l'eau de surface s'écoulerait dans la mine de charbon à travers la zone de spéléologie et les fissures conduites par l'eau.

Eau accumulée dans les mines abandonnées

Il y a une certaine quantité d'eau accumulée dans les mines abandonnées, mais le volume d'eau n'est pas clair. Et lorsque le front de taille pénètre dans la zone autour de la mine abandonnée, il peut devenir la source d'eau de l'accident d'arrivée d'eau.

Le TEM utilise la boucle non mise à la terre disposée en surface pour transmettre un champ magnétique pulsé à l'espace souterrain avec un courant pulsé pour stimuler le courant secondaire induit par le milieu conducteur souterrain, et pour collecter la réponse du champ magnétique pulsé secondaire pendant l'impulsion intervalle. Lorsque le courant stable dans la boucle est soudainement coupé, le courant dans la boucle de transmission change brusquement et un champ électromagnétique alternatif vortex est généré dans les conducteurs qui l'entourent. Le champ secondaire est un champ magnétique instable provoqué par les courants de Foucault de différents milieux conducteurs souterrains excités par le champ primaire. Dans certaines conditions géologiques, en analysant les caractéristiques d'atténuation du champ secondaire, l'emplacement de distribution, l'échelle de développement et l'occurrence de l'électricité du corps géologique souterrain peuvent être déduits21.

Le concept directeur de la sélection de l'instrument TEM est d'améliorer le rapport signal sur bruit et la résolution des données collectées. Le poste de travail électrique V8 produit par Canadian Phoenix Company est utilisé comme instrument 22. Et les principaux paramètres de performance sont indiqués dans le tableau 1.

Les logiciels de traitement électromagnétique transitoire TEMPRO et IX1D sont utilisés pour le traitement des données collectées via TEM. La figure 4 montre le processus principal de traitement des données. Les données de TEM sont interprétées sur la base de la section multicanal de tension induite, de la quasi-section de résistivité et de la tranche de litage de résistivité après traitement des données.

L'organigramme du traitement des données TEM.

HDRM est une méthode d'exploration électrique pour étudier la distribution du courant conduit dans le sol sous l'action d'un champ de courant artificiel stable sur la base de la différence de conductivité électrique entre la roche et le sol. Dans le cas d'une mesure sur le terrain à l'aide de HDRM, les chercheurs placent simplement toutes les électrodes (des dizaines à des centaines) sur chaque point de mesure de la section d'observation, puis utilisent un dispositif de conversion d'électrodes contrôlé par programme et un instrument de mesure électrique d'ingénierie de micro-ordinateur pour obtenir une acquisition de données rapide et automatique. . Le design de distribution est souvent utilisé dans la nouvelle génération d'appareils de prospection HDRM. L'électrode intelligente distribuée est connectée en série sur le câble multiconducteur avec des adresses attribuées de manière aléatoire, ce qui lui permet de mesurer les signaux à n'importe quelle position et de réaliser une mesure continue et continue du profil multicanal et long, comme illustré à la Fig. 5.

Schéma de structure du système de mesure HDRM16.

Ce projet adopte le "système d'exploration électrique ultra-haute densité E60DN" développé par l'Institut d'ingénierie et de technologie de l'Université de Jilin, avec 3 stations de relais de puissance lithium-ion, 15 commutateurs d'électrodes (8 commutateurs/chaînes d'électrodes) et 120 électrodes en acier inoxydable.

Le système est l'instrument de sondage le plus avancé en Chine, et les principaux paramètres de performance sont les suivants : la partie réception dispose de 10 canaux qui prennent en charge la résistivité et la mesure en mode double IP, et les chiffres convertis A/D sont de 24 bits ; l'impédance d'entrée est supérieure à 150 MΩ ; la résolution de mesure est inférieure à 30 nV ; la plage dynamique n'est pas inférieure à 120 dB. La valeur maximale de crête de sortie est de 400 Vpp/1App et le type d'impulsion est une onde carrée ; Pour la durée d'impulsion, les options de contrôle du programme allant de 1 à 32 s sont disponibles.

L'organigramme du traitement des données HDRM est illustré à la Fig. 6. L'interprétation du HDRM est effectuée de manière synchrone avec le traitement des données. Grâce à l'étude analytique des résultats géophysiques des sections connues, les caractéristiques géophysiques des zones enrichies en eau sont résumées, selon lesquelles le principe d'interprétation de l'anomalie géophysique est déterminé. Sur cette base, d'autres profils géophysiques et zones d'anomalies sont interprétés.

L'organigramme du traitement des données HDRM.

Premièrement, selon la position de développement de l'aquifère de la mine de charbon, les anomalies géophysiques sont interprétées dans le profil. Ensuite, ces anomalies sont combinées par la carte des tranches horizontales, et enfin la forme, la plage de distribution et l'emplacement spatial du canal de dérivation de l'eau et de la source d'eau de recharge peuvent être déduits.

La figure 7 montre la variation de résistivité de la section L1. D'après le profil, on peut voir que la résistivité du Quaternaire est généralement faible et que l'interface du socle rocheux est évidente. Cette ligne d'exploration coïncide avec la ligne 3 de la section de prospection géologique antérieure. Et la colonne de forage des forages de prospection géologique 3–1 et 3–2 est illustrée à la Fig. 8. L'épaisseur du Quaternaire déduite par l'exploration géophysique est cohérente avec les conditions géologiques révélées par les forages, et l'épaisseur est d'environ 50–80 m. Dans la plage de 25 à 150 m de la station d'exploration, la résistivité des strates quaternaires est inférieure à 60 Ω•m, qui est enrichie en eau et tend à se connecter au substratum rocheux. Ainsi, c'est la source directe de recharge de l'eau contenue dans le socle rocheux. La résistivité de la direction du grand kilométrage est supérieure à celle de la direction du petit kilométrage, on peut donc en déduire que la petite plage de kilométrage de la ligne d'exploration est enrichie en eau.

Le profil de résistivité du TEM de L1.

Colonne de forage de forages de prospection géologique. (a) 3–1 forage, (b) 3–2 forage.

Les figures 9 et 10 montrent la variation de résistivité des sections L23 et L13, respectivement. La résistivité du socle rocheux dans la zone délimitée par la ligne magenta de la station 300–450 m est faible, ce qui indique que l'enrichissement en eau du socle rocheux est évidemment rechargé par l'aquifère quaternaire. Le Quaternaire dans cette zone est directement rechargé par les eaux de surface, les eaux pluviales et les eaux de fonte des neiges. En comparant les sections L23 et L13, l'épaisseur quaternaire de L23 est plus épaisse que celle de L13. L'élévation de L23 et L24 est de 1750 m, et la profondeur de l'anomalie de faible résistance dans la zone 0–150 m est plus grande.

Le profil de résistivité du TEM de L23.

Le profil de résistivité du TEM de L13.

La figure 11 montre la variation de résistivité de la section L34. Dans l'ensemble, la résistivité du Quaternaire est généralement faible, essentiellement inférieure à 100 Ω•m, et inférieure à 60 Ω•m à certains endroits, indiquant que les strates quaternaires sont enrichies en eau mais inégalement réparties. La résistivité du Quaternaire au-dessus de la veine de charbon est inférieure à celle d'autres endroits, ce qui montre que l'enrichissement en eau est fort. Ainsi, lors du passage du front de taille à cet endroit, le goaf serait directement rechargé par l'aquifère du Quaternaire, entraînant facilement une venue d'eau accidentelle. La résistivité du socle rocheux dans la ligne magenta de la section 300–500 m de la station est faible, indiquant que l'enrichissement en eau du socle rocheux est manifestement rechargé par l'aquifère du Quaternaire.

Le profil de résistivité du TEM de L34.

Au total, 73 lignes de section sont dessinées. En prenant la section L44 comme exemple (Fig. 12), l'abscisse est le numéro de la station géophysique et l'ordonnée est l'élévation. La ligne virtuelle rouge le long de la direction de la ligne d'exploration est l'interface du socle rocheux déduite par la prospection géophysique, et ce qui précède est la strate quaternaire ; la ligne virtuelle noire est la position des veines de charbon A3, A5, A7, A8, A9 sur le profil déduit par la prospection géophysique.

Le profil de résistivité du TEM de L44.

La résistivité globale de la section est plus élevée, mais les strates quaternaires délimitées dans la section 0–500 m de la station sont évidemment plus faibles, ce qui indique que les strates sont enrichies en eau, d'où l'on peut présumer qu'il existe une relation d'approvisionnement en eau avec les strates de mesure du charbon. Il existe une zone de faible résistivité évidente entre la surface et la surface du socle rocheux de la section 500–750 m, montrant une forme de canal. L'anomalie de faible résistivité quaternaire entre la station 750-1050 m est évidente, et il existe une relation évidente d'approvisionnement en eau avec les strates sous-jacentes. L'accident d'appel d'eau en toiture s'est produit dans le front de taille A7 est de + 1818 m, ce qui est cohérent avec la zone de faible résistance de l'anomalie délimitée par la ligne ovale rouge sur le profil, et il est déduit que la source d'appel d'eau est l'aquifère du Quaternaire. Le Quaternaire est donc évidemment enrichi en eau et alimenté par les eaux de surface.

La figure 13 montre la variation de résistivité de la section L66. D'après le profil, on peut voir que dans la gamme 0-280 m de la station d'exploration, la résistivité des strates quaternaires est inférieure à 60 Ω•m, qui est enrichie en eau. L'épaisseur quaternaire de la ligne d'exploration s'épaissit progressivement d'un grand kilométrage à un petit kilométrage, et l'élévation de l'interface du substrat rocheux devient plus petite, ce qui crée des conditions pour la formation d'un aquifère fort local au Quaternaire. La formation d'un aquifère solide menace la sécurité de l'exploitation minière. L'aquifère est également représenté sur les coupes L63-L73 et a un large champ d'influence.

Le profil de résistivité du TEM de L66.

12 coupes sont tracées en fonction des données de surveillance. En prenant comme exemple la section kilométrique de 140 m (Fig. 14), l'abscisse est le numéro de la station géophysique et l'ordonnée est l'élévation. La ligne virtuelle rouge le long de la direction de la ligne d'exploration horizontale est l'interface du socle rocheux déduite par l'exploration géophysique, et ce qui précède est la strate quaternaire ; la ligne virtuelle noire représente les positions des filons de charbon A9, A8, A7 sur la section transversale déduite par l'exploration géophysique. 3–3, 4–3 et 5–2 sont les positions des forages de prospection géologique sur la figure.

Le profil de résistivité du TEM de 140 m de section kilométrique.

On peut constater que l'épaisseur quaternaire de la zone d'exploration est fondamentalement cohérente avec les données de forage précédentes. Il existe une zone d'anomalie évidente de faible résistivité à la station 700–1000 m, dont la partie supérieure est reliée au Quaternaire et s'étend jusqu'au kilométrage de 1150 m. Il existe une anomalie aquifère évidente dans le Quaternaire à la station 1200–1440 m, qui est proche de la veine de charbon et n'a pas d'aquiclude, ce qui pose un risque potentiel majeur pour la sécurité minière à l'avenir. La profondeur de la zone de faible résistivité de l'anomalie dans la section est de 1750 m et le kilométrage est de 0 à 550 m.

La figure 15 montre la variation de résistivité d'une section kilométrique de 220 m, et III-1, 4–5 et 5–1 sont les positions des forages d'exploration géologique. La section transversale kilométrique de 220 m est située à 80 m au nord de la section transversale kilométrique de 140 m. D'après la carte de résistivité, on peut voir que les caractéristiques du Quaternaire sont stables et que les positions des anomalies entourées par les deux coupes sont également cohérentes.

Le profil de résistivité du TEM de 220 m de section kilométrique.

Les figures 16 et 17 montrent la variation de résistivité des sections transversales de 300 et 420 kilomètres, respectivement. D'après la Fig. 16, il existe une zone de faible résistivité évidente autour de la station 700–1100 m, qui est étroitement liée aux strates de la série houillère. D'après la Fig. 17, la résistivité globale dans cette zone est faible et le Quaternaire est enrichi en eau.

Le profil de résistivité du TEM de 300 m de section kilométrique.

Le profil de résistivité du TEM de 420 m de section kilométrique.

Pour comprendre facilement la position des zones riches en eau et identifier les voies conductrices d'eau potentielles, un scénario 3D contenant les résultats de détection des tranches horizontales de + 1960 m, + 1940 m, + 1890 m, + 1840 m, + 1790 m et + 1745 m par TEM est illustré à la Fig. 18. La zone encerclée en rouge est supposée être enrichie en eau selon l'exploration géophysique.

Le profil de résistivité du TEM des tranches horizontales (a) + 1960 m, (b) + 1940 m, (c) + 1890 m, (d) + 1840 m, (e) + 1790 m, (f) + 1745 m .

La zone enrichie en eau est divisée en zone fortement enrichie en eau et en zone faiblement enrichie en eau en fonction de la valeur de résistivité. La valeur de résistivité de la zone fortement enrichie en eau est inférieure à 100, tandis que la valeur de résistivité de la zone faiblement enrichie en eau est comprise entre 100 et 180. Dans la figure, le préfixe "S-" représente "la zone fortement enrichie en eau", et le préfixe "W-" représente "zone faiblement enrichie en eau".

10 zones d'anomalies sont interprétées au niveau + 1960 m, qui sont toutes des zones enrichies en eau du Quaternaire, dont 6 zones fortement enrichies en eau et 4 zones faiblement enrichies en eau. Parce qu'il s'agit d'une strate proche de la surface, elle est fortement affectée par l'eau de surface et l'enrichissement en eau est extrêmement instable.

Le niveau des eaux souterraines est de + 1944,62 m, qui appartient à l'aquifère faiblement enrichi en eau. Et c'est en bon accord avec les données géologiques ci-dessus. Au niveau + 1940 m, il y a différents degrés d'enrichissement en eau dans toute la zone proche de l'élévation, ce qui interprète 2 zones d'enrichissement en eau forte de grande portée et 1 zone d'enrichissement en eau faible.

A + 1890 m d'altitude, on distingue 3 zones fortement enrichies en eau et 2 zones faiblement enrichies en eau. Étant donné que S1 et W4 sont proches du filon de charbon, ils doivent être sérieusement pris en considération. Puisqu'il y avait des activités minières passées par S2 et S3 auparavant, on en déduit qu'il s'agit de zones gorgées d'eau avec une grande quantité d'eau accumulée. Par ailleurs, la couverture quaternaire dans cette zone est extrêmement épaisse, l'épaisseur de la couverture quaternaire s'épaissit progressivement du nord au sud dans la zone d'ombre magenta. L'aquifère quaternaire recouvre directement les strates de mesure du charbon du Jurassique, et l'interface du socle rocheux est également élevée au nord et basse au sud. Cela crée des conditions géologiques pour l'écoulement des eaux souterraines vers le sud. On en déduit qu'il existe un canal d'écoulement d'eau stable à cette position et que la limite inférieure du canal s'approche de l'interface du substratum rocheux. À partir du développement des anomalies et des changements enrichis en eau des strates ci-dessus, l'eau du chenal est rechargée par l'eau de l'aquifère quaternaire, tandis que l'aquifère quaternaire est directement rechargée par l'eau de surface, l'eau de rivière et l'eau de fonte des neiges. Cela conduit également à la stabilité à long terme de la quantité d'eau dans le canal de ruissellement.

L'élévation de + 1840 m, + 1790 m et + 1745 m reflète le changement d'enrichissement en eau caractéristique du socle rocheux, et les emplacements et le développement de plusieurs anomalies sont très similaires. Avec la diminution de l'élévation, la résistivité de l'affichage des anomalies devient progressivement plus petite. On suppose qu'en raison de la répartition inégale de l'enrichissement en eau, plus l'enrichissement en eau est vers le bas, plus l'enrichissement en eau est fort et la plage aquifère est plus concentrée. La valeur de résistivité sur la figure n'est qu'un paramètre pour juger de l'enrichissement en eau de la formation, et cela ne signifie pas que plus la valeur de résistivité est petite, plus la teneur en eau est élevée, c'est-à-dire qu'elle ne reflète que le changement de l'eau enrichissement dans une certaine mesure. L'ensemble des zones d'anomalies encerclées doit être pris en compte. Selon l'analyse globale, la couche de mort-terrain quaternaire dans cette zone est extrêmement épaisse, fortement affectée par les eaux de surface, et possède de fortes propriétés d'enrichissement en eau et de conduction de l'eau.

Un total de 10 lignes d'exploration sont disposées avec une densité élevée pour vérifier et fournir davantage la teneur en eau des strates peu profondes sur la base du TEM. L'emplacement de développement de l'aquifère est déterminé en fonction des données géologiques et les anomalies géophysiques peuvent être interprétées dans le profil. Enfin, la forme, l'aire de distribution et l'emplacement spatial du canal de dérivation de l'eau et de la source d'eau de recharge peuvent être déduits.

La figure 19 montre la comparaison des lignes d'exploration HDRM de G1, G2 et G3 le long de la chaussée. La zone rectangulaire magenta dans le profil de la ligne d'exploration G1 est la section de jaillissement de l'eau de la mine, qui est également ce foyer d'exploration. On peut voir qu'il n'y a pas d'anomalie évidente dans G3 dans cette zone, et l'anomalie de la ligne G2 commence à apparaître, et l'anomalie de la ligne G1 est évidente et a tendance à être connectée aux côtés gauche et droit. Il y a une anomalie évidente de faible résistance sur le côté droit de la section de jaillissement de l'eau à la station 1250–1550 m, et il y a aussi une anomalie évidente de faible résistance sur le côté gauche de la section de jaillissement de l'eau à la station 800–900 m. Les deux sont tous enrichis en eau. Les deux anomalies ont des réponses évidentes sur les trois lignes, et les positions des anomalies encerclées sont cohérentes, c'est-à-dire que les résultats de mesure sont cohérents et fiables.

Le profil de résistivité du HDRM de (a) G1, (b) G2, (c) G3.

La figure 20 montre quatre lignes d'exploration HDRM disposées dans la chaussée verticale, numérotées respectivement G4, G5, G6 et G7. Comme on peut le voir sur le profil G4, le Quaternaire de la ligne d'exploration G4 est relativement enrichi en eau, et le Quaternaire est relié au socle rocheux, et cinq zones d'anomalies sont encerclées. Une zone d'anomalies étendue est encerclée sur la ligne d'exploration G5, et les anomalies dans d'autres positions ne sont pas évidentes. Aucune zone d'anomalie évidente n'a été trouvée dans les lignes d'exploration G6 et G7.

Le profil de résistivité du HDRM de (a) G4, (b) G5, (c) G6, (d) G7.

La figure 21 montre la comparaison de l'isoligne de résistivité des lignes d'exploration G8, G9 et G10 au nord de la zone d'exploration. G10 est la ligne d'exploration la plus au nord, et G9 est située au sud de G10, et la distance verticale est de 154 m ; G8 est au sud de G9, et la distance verticale est de 155 m. G9 et G10 traversent la rivière Meisibulake et G8 est situé du côté ouest de la rivière Meisibulake.

Le profil de résistivité du HDRM de (a) G8, (b) G9, (c) G10.

Sur le profil de l'isoligne de résistivité, la ligne d'exploration G8 délimite trois zones d'anomalies, qui sont toutes proches les unes des autres et s'influencent mutuellement.

Une zone d'anomalie est encerclée sur G9. 4 zones d'anomalies sont encerclées sur G10. Les zones d'anomalies sont distribuées sporadiquement et la résistivité est moyenne à faible, ce qui indique une faible richesse en eau.

Comme le montre la comparaison, le Quaternaire devient de plus en plus mince vers le nord, et son enrichissement en eau devient de plus en plus faible.

La section transversale de 140 m du TEM coïncide avec la ligne d'exploration G1 du HDRM. En raison du mode de travail spécial, HDRM a une gamme de ligne d'exploration plus longue que celle de TEM. Selon la conception et les conditions de travail réelles, la position de kilométrage 0 de la section de 140 m de kilométrage électromagnétique transitoire correspond à la position de 250 m de la section de ligne HDRM G1, comme illustré à la Fig. 22. La longue ligne pointillée rouge horizontale dans la figure est la limite inférieure inférée du Quaternaire, la longue ligne pointillée noire est la ligne de lit de charbon inférée et la double ligne verticale pointillée rouge est la position de forage d'exploration précédente.

Comparaison du profil de résistivité du TEM de section kilométrique de 140 m et du HDRM de G1.

Sur la ligne G1, 3 zones d'anomalies sont interprétées par HDRM et 4 zones d'anomalies sont interprétées par TEM. Les relations correspondantes sont les suivantes : les zones d'anomalies 1, 2 interprétées par HDRM correspondent respectivement aux zones d'anomalies 1, 2 interprétées par TEM, et leur localisation et leur échelle de développement sont les mêmes. Les zones d'anomalies 3 et 4 interprétées par HDRM ont une grande échelle d'anomalie et un fort enrichissement en eau, correspondant à la position des zones d'anomalies 3 et 4 de TEM. L'image entière de la zone d'anomalie transitoire 4 ne peut pas être détectée en raison de la profondeur de détection limitée du HDRM. Et les résultats de détection des zones aquifères par les deux méthodes sont en bon accord, ce qui peut se confirmer et se compléter, et l'interprétation des données est scientifique et raisonnable avec une grande fiabilité. De plus, la profondeur de détection du HDRM est supérieure à celle du TEM.

Pour effectuer un traitement scientifique des catastrophes liées à l'eau dans la mine de charbon de Mesbulake, les méthodes géophysiques, y compris TEM et HDR, sont utilisées pour déterminer rapidement et efficacement la cause de l'afflux d'eau du toit et du canal d'approvisionnement en eau. Le principe, la méthode de traitement des données et les principaux paramètres de la méthode TEM et HDR sont introduits. Dans cette exploration géologique, 73 lignes de levé TEM et 10 lignes de levé HDR ont été disposées, et la zone d'exploration était de 1,17 km2. Sur la base des résultats d'exploration, la résistivité de la zone aquifère est évidemment faible, généralement inférieure à 60 Ω•m. Les résultats de détection des zones aquifères par les deux méthodes sont en bon accord en termes de région et de localisation. De plus, la profondeur de détection du HDRM est supérieure à celle du TEM. On trouve les situations de strates aquifères suivantes : 6 zones fortement enrichies en eau et 3 zones faiblement enrichies en eau dans les strates d'altitude + 1960 m ; 2 zones fortement enrichies en eau et 1 zone faiblement enrichie en eau dans les strates d'altitude + 1940 m ; 3 zones fortement enrichies en eau et 2 zones faiblement enrichies en eau dans les strates d'altitude + 1890 m ; 2 zones fortement enrichies en eau, 4 zones faiblement enrichies en eau et 2 goaf d'accumulation d'eau dans les strates d'altitude + 1840 m ; 3 zones fortement enrichies en eau dans les strates d'altitude + 1790 m et 3 zones fortement enrichies en eau dans les strates d'altitude + 1745 m. De plus, selon les résultats de l'interprétation géophysique et les données géologiques, la plage d'influence du canal de ruissellement de l'arrivée d'eau de la mine de charbon est déduite et interprétée, et son emplacement est déduit de manière préliminaire.

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Ce travail est soutenu financièrement par le National Key R&D Program of China : Radio wave perspective on-line dynamic detection technology and equipment for coal mining face (Grant No. 2018YFC0807805). Les auteurs remercient également chaleureusement l'éditeur et les relecteurs anonymes pour leurs précieux conseils.

École d'ingénierie des ressources et de la sécurité, Université de Chongqing, Chongqing, 400044, Chine

Yanlong Zhang, Yanqing Wu et Yangcheng Xu

Chongqing Construction Engineering Quality Supervision and Testing Center, Chongqing, 401147, Chine

Yanlong Zhang et Haize Zheng

Institut de recherche CCTEG Chongqing, Chongqing, 400037, Chine

Xiaoyang Cheng

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YZ et YW ont conçu et rédigé l'article. HZ a fourni les idées et conçu le test sur le terrain ; YX et XC ont effectué les tests sur le terrain et collecté les données.

Correspondance à Yanlong Zhang ou Yanqing Wu.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Zhang, Y., Wu, Y., Zheng, H. et al. Application de TEM et HDRM dans les levés hydrogéophysiques de la mine de charbon de Meisibulake. Sci Rep 12, 21368 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-25526-2

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Reçu : 05 décembre 2021

Accepté : 30 novembre 2022

Publié: 09 décembre 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-25526-2

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