可控源音頻大地電磁法在采空區(qū)勘探中的應(yīng)用

李江華 劉超林，2 柳 杰 張小波

（1.中國礦業(yè)大學(xué) （北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.保利能源控股有限公司高家莊煤礦，山西省中陽縣，033400）

可控源音頻大地電磁法在采空區(qū)勘探中的應(yīng)用

李江華1劉超林1，2柳 杰1張小波1

（1.中國礦業(yè)大學(xué) （北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.保利能源控股有限公司高家莊煤礦，山西省中陽縣，033400）

通過采用可控源音頻大地電磁法對國興煤礦4-1號煤層進(jìn)行采空區(qū)勘探，介紹了可控源音頻大地電磁法的工作原理及其野外數(shù)據(jù)收集過程，并結(jié)合地質(zhì)條件綜合分析了采空區(qū)及積水區(qū)范圍，說明了可控源音頻大地電磁法在采空區(qū)勘探中的有效性，進(jìn)而為評價老空水對工作面的開采影響以及制定出合理的探放水方案和探放水技術(shù)措施提供可靠依據(jù)。

可控源音頻大地電磁法 視電阻率 采空區(qū)勘探 積水異常區(qū)

1 地質(zhì)概況

國興煤礦位于朔州市平魯區(qū)下面高鄉(xiāng)境內(nèi)，由山西朔州興泰源煤業(yè)有限公司、山西萬成煤業(yè)有限公司和山西朔州三家窯煤業(yè)有限公司兼并重組而成，重組后礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為1.2 Mt／a。

1.1 地層分布特征

國興煤礦井田范圍內(nèi)在溝谷中有少量基巖出露，其余均為黃土覆蓋，根據(jù)井田范圍內(nèi)地層及鉆孔揭露情況并結(jié)合精查資料，井田地層由老到新為：奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組 （O2s）、石炭系中統(tǒng)本溪組 （C2b）、石炭系上統(tǒng)太原組 （C3t）、二疊系下統(tǒng)山西組 （P1s）、二疊系下統(tǒng)下石盒子組 （P1x）、第四系中上更新統(tǒng) （Q2＋3）。

井田內(nèi)4-1煤層已有大面積采空區(qū)，4-1煤層上覆砂巖裂隙含水層通過砂巖裂隙、采空裂隙、導(dǎo)水裂隙進(jìn)入采空區(qū)，形成采空區(qū)積水。在開采9＃煤層前必須對4-1煤層采空區(qū)積水面積及水量進(jìn)行落實(shí)，并進(jìn)行探放。為查明國興煤礦的4-1煤層老空區(qū)分布范圍及采空區(qū)的賦水狀況，利用可控源音頻大地電磁法對采空區(qū)進(jìn)行地面勘探。

1.2 地層電性特征

地球物理勘探方法是以各巖層的物性差異為勘查對象及解釋依據(jù)，所以勘查的目的層與圍巖的物性、電性差異的大小及明顯與否直接影響物探成果的精度，決定物探方法的可行性。

煤層采出后，采空區(qū)周圍原巖應(yīng)力受到破壞，引起應(yīng)力重新分布，使得上覆巖層發(fā)生變形、破壞和移動，由下向上形成 “三帶”，即垮落帶、裂縫帶和彎曲帶，使殘留巷道或采空區(qū)產(chǎn)生大量孔洞、裂縫及離層，從而導(dǎo)致覆巖電阻率值發(fā)生明顯的變化。

在覆巖破壞區(qū)，當(dāng)殘留巷道或覆巖破壞冒落帶和裂縫帶中未充水或少量充水，采空區(qū)將表現(xiàn)為高電阻率異常特征，一般要比正常巖層的電阻率高3～5倍，可達(dá)幾百甚至上千歐姆·米；而當(dāng)采空區(qū)完全充水后，水體不僅充填了老采空區(qū)，而且也充填了冒落帶和裂縫帶，因而在巖體破壞區(qū)電阻率有明顯降低，呈現(xiàn)低電阻率異常特征。

在斷層發(fā)育區(qū)，斷層破碎帶與正常連續(xù)地層在電性上具有明顯差異，當(dāng)斷層破碎帶不含水時，將呈現(xiàn)出高電阻率特征，而當(dāng)斷層破碎帶含水時，將呈現(xiàn)出低電阻率特征。

據(jù)此，通過探測地下巖層的電阻率及其變化，可以判定巖層的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和含水狀況，這也是本次采用可控源音頻大地電磁法探測采空區(qū)的物理前提和依據(jù)。

2 可控源音頻大地電磁法基本原理

可控源音頻大地電磁法 （CSAMT）是一種人工源頻率域電磁法，CSAMT工作示意圖見圖1，其原理與常規(guī)大地電磁測深 （MT）類似，是針對天然電磁場信號弱的特點(diǎn)，采用可控制人工發(fā)射源方式，利用發(fā)射電偶極A、B （一般1～2 km）向地下發(fā)送不同頻率的交變電流，形成交變電磁場，在距離場源足夠遠(yuǎn)的地方通過測量相互垂直的電場信號Ex和磁場信號Hy，根據(jù)Cagniard公式求得地下介質(zhì)的視電阻率和阻抗相位：

式中：f——發(fā)射頻率，Hz；

ρs——視電阻率，Ω·m；

Ex——X方向的電場強(qiáng)度，V／m；

Hy——Y方向的磁場強(qiáng)度，A／m；

φ——阻抗相位，rad；

φE——電場信號相位，rad；

φH——磁場信號相位，rad。

由于CSAMT采用主動源的地球物理方法，其具有很多優(yōu)點(diǎn)，因而在采空區(qū)調(diào)查等地球物理勘探方面得到了廣泛應(yīng)用。

CSAMT法探測的深度D與頻率f、卡尼亞電阻率ρ之間有以下關(guān)系：

式 （2）說明，當(dāng)大地電阻率結(jié)構(gòu)一定時，通過改變接收與發(fā)送電磁信號的頻率，可得到不同深度的地電信息，從而達(dá)到電阻率垂向測深的目的。

CSAMT工作頻率一般在0.25～8192 Hz范圍內(nèi)，探測深度可自地表到地下幾公里，測量電極距決定了橫向分辨率，通常電極距約為最小探測目標(biāo)體的一半。

圖1 CSAMT法工作示意圖

3 野外數(shù)據(jù)采集、處理及解釋

3.1 野外工作布置

施工采取標(biāo)量CSAMT方式。標(biāo)量CSAMT測量為布置一個供電場源，在距其5倍勘探深度以外測點(diǎn)上同時測量互相垂直的水平磁場分量和電場分量，并以式 （1）、（2）計(jì)算卡尼亞視電阻率及阻抗相位。標(biāo)量CSAMT法用于一維或已知構(gòu)造主軸方向的二維地區(qū)，一般采用垂直構(gòu)造走向觀測。

3.2 使用參數(shù)設(shè)置

（1）發(fā)射極距的選擇：發(fā)射極距 （A、B極距）選擇為1.0 km，保證測線方向基本平行A、B極連線方向，測線方向與A、B極方向偏差角度小于3°，測線處于A、B極連線的垂線張角60°的扇形區(qū)域內(nèi)。

（2）收發(fā)距的選擇：供電電極A、B主要是向地下供入某一頻率f的諧變電流，在一側(cè)60°張角的扇形區(qū)域內(nèi)觀測。收發(fā)距選擇大于5倍的探測深度。在了解該區(qū)電阻率和干擾源的情況下，選擇收發(fā)距最小4.5 km、最大7.0 km來布設(shè)發(fā)射源。該距離通過試驗(yàn)分析，沒有發(fā)現(xiàn)觀測曲線有近場效應(yīng)且電場信號強(qiáng)度達(dá)到幾十微伏，信號強(qiáng)度滿足觀測要求。

（3）本次野外施工供電偶極距1.0 km，最小收發(fā)距均大于4.5 km，接收MN極距40 m，測量點(diǎn)距為40 m，滿足 《可控源聲頻大地電磁法勘探技術(shù)規(guī)程》要求。A、B兩極各由兩個電極坑組成，各坑長約3 m，寬約0.5 m，下面鋪設(shè)鋁箔紙，野外數(shù)據(jù)采集過程中A、B極接地視電阻始終控制在30～40Ω。本次物探野外發(fā)射最高電流14 A，發(fā)射頻率范圍30～9600 Hz，布設(shè)22個頻點(diǎn)。每站測量循環(huán)為26 min，接收系統(tǒng)通過GPS與發(fā)射系統(tǒng)保持同步。

3.3 數(shù)據(jù)處理

對采集原始合格資料進(jìn)行資料預(yù)處理，包括曲線的圓滑、校正 （靜校正、地形校正、場源校正）以及突出某些有用信息等處理。視電阻率與相位資料編輯時以排列為單位，根據(jù)同一排列中視電阻率曲線形態(tài)變化的連續(xù)性和相似性的特點(diǎn)進(jìn)行編輯，保證了資料的編輯質(zhì)量。

本次CSAMT法資料處理采用美國ZONGE公司的二維圓滑模型SCS2D軟件進(jìn)行一維反演，最終繪制出反演電阻率斷面圖。

3.4 代表性探測剖面解釋

采用可控源音頻大地電磁法物探手段對國興煤礦4-1煤層進(jìn)行采空區(qū)勘探，共布置測線近18條，測點(diǎn)638個。通過探測數(shù)據(jù)處理后，可在每條測線上得到一份可控源音頻大地電磁視電阻率等值線擬斷面圖。根據(jù)二維反演電阻率斷面所呈現(xiàn)的地質(zhì)電性異常特征解釋，各測線清楚地反映了4-1煤層電阻率分布特征。當(dāng)采空區(qū)巖體裂隙發(fā)育并且充水時表現(xiàn)為低阻異常，但巖體裂隙發(fā)育而沒有充水時則表現(xiàn)為高阻異常。

（1）C9測線：該測線4-1煤底板深度在150～200 m左右，CSAMT法反演的卡尼亞C9線可控源音頻大地電磁視電阻率等值線擬斷面圖見圖2，從圖2可看出，在測線1650～1980 m范圍內(nèi)，深度約160 m左右，有一低阻異常反映，推斷4-1煤采出后，采空區(qū)頂板破壞垮落，部分區(qū)域含水，部分區(qū)域不含水，含水區(qū)域低阻特征明顯。

（2）C10測線：該測線4-1煤底板平均深度在80～180 m左右，其中南部深，北部淺。CSAMT法反演的C10線可控源音頻大地電磁視電阻率擬斷面圖見圖3，從圖3可看出，在測線的1060～1180 m范圍，深度約180 m左右，有一處低阻異常反映，推斷該區(qū)域?yàn)?-1煤采空后充水引起的低電阻異常反映。在測線的1250～1480 m范圍，深度約80 m左右，有一處高阻異常反映，推斷該區(qū)域?yàn)?-1煤采空后，引起上覆巖層破壞冒落充填采空區(qū)，有較大的裂隙，但未充水，因此高阻異常明顯。

由上可知，通過采用可控源音頻大地電磁法對國興煤礦4-1煤層進(jìn)行采空區(qū)勘探后，將得出的視電阻率等值線擬斷面圖 （圖2、圖3）所圈定的采空區(qū)及積水區(qū)范圍刻畫在采掘工程平面圖上，見圖4，可得出采空區(qū)及積水區(qū)的范圍。通過比較所圈定的采空區(qū)及積水區(qū)范圍與原采掘工程平面圖中已采工作面所布置的范圍，可看出可控源音頻大地電磁法在國興煤礦4-1煤層采空區(qū)勘探中的應(yīng)用可靠、有效。

4 探測成果

（1）通過采用可控源音頻大地電磁法（CSAMT）對國興煤礦4-1煤層進(jìn)行采空區(qū)勘探后，根據(jù)采空區(qū)地質(zhì)電性異常特征并結(jié)合地質(zhì)資料進(jìn)行綜合分析，刻畫出了4-1煤層采空區(qū)在平面上的大體形態(tài)。經(jīng)過與采掘平面圖對比分析后，表明可控源音頻大地電磁法在國興煤礦4-1煤層采空區(qū)勘探中的應(yīng)用可靠、有效。

（2）通過綜合分析各測線的多測道曲線及視電阻率擬斷面圖并由采空區(qū)所表現(xiàn)的強(qiáng)高電阻率異常特征，得出國興煤礦4-1煤層采空區(qū)未充水范圍；根據(jù)含水異常區(qū)在電阻率擬斷面圖上表現(xiàn)為電阻率低的特點(diǎn)，即低阻異常區(qū)，最終圈定了采空區(qū)積水分布范圍。

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Application of CSAMT in exploration of goaf

Li Jianghua1，Liu Chaolin1，2，Liu Jie1，Zhang Xiaobo1
（1.Faculty of Resources and Safety Engineering，China University of Mining＆Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China；2.Gaojiazhuang Coal Mine，Poly Energies Holding Co.，Ltd.，Zhongyang，Shanxi 033400，China）

By using the CSAMT to explore the goaf in 4-1coal seam of Guoxing Mine，the paper introduces the working principle and process of field data collection of the CSAMT，and makes a comprehensive analysis on the goaf and accumulated-water area combining with the geological conditions，and elaborates the effectiveness of the CSAMT in goaf exploration，which thereby will provide reliable basis for evaluating the impact of the goaf water on the mining face and making the reasonable scheme and technology on the water detection and drainage.

CSAMT，apparent resistivity，goaf exploration，accumulated-water anomaly area

P631

A

李江華 （1987-），男，山西聞喜人，碩士研究生，主要從事近水體采煤方向研究。

（責(zé)任編輯 張毅玲）