選頻法在南陽宏發(fā)煤礦老窯水勘探中的應用

趙亞杰，葛洪亮，楊天春，王士黨，任立建

(湖南科技大學 土木工程學院，湖南 湘潭411201)

選頻法是以大地電磁場為工作場源，以地下巖礦石之間電性差異為基礎，通過測量大地電磁場在地表產生的電場分量，來研究地下地電斷面的電性變化，解決水文地質工程地質問題的一種交流電勘探方法。自20世紀80年代以來，該方法在地下水資源勘探、礦山水害調查、溶洞勘查等方面取得了較好的地質效果。對該方法的研究主要集中于儀器研制和實踐應用，缺乏系統(tǒng)的理論研究，目前反演解釋主要憑借實踐經驗做定性解釋，缺少合理有效的定量計算和解釋方法。申請者擬從大地電磁場波動方程出發(fā)，對選頻法探測地下水的機理開展正演研究。首先從規(guī)則地質模型入手，求解天然電磁場作用下地表電場的分布規(guī)律;其次，采用有限單元法對復雜地質模型開展正演模擬，探討選頻法異常曲線的形成機理，研究場源、目標體形態(tài)、埋深等參數與異常曲線間的關系，為今后反演研究工作提供科學依據。同時，開展現(xiàn)場試驗和室內模擬試驗工作，驗證理論研究成果的正確性。

1 選頻法原理

選頻法主要是由電子導體的天然電化學作用和地下水離子導體的過濾或擴散作用，以及大地電流和雷雨放電等因素所形成的電磁場。符合地下磁流體的一般方程［1］。音頻大地電磁法測量的是音頻段中大地電磁場產生的電分量。它的場源為交變電磁場，在距離場源較遠的地方，大地電磁場可視為垂直于地面入射的平面波，其場的特性服從麥克斯韋方程組［2］:

式中:q為自由電荷體密度;t為時間;j為電流密度;E為電場強度;H為磁場強度;B為磁感應強解為諧變電磁波，在導電介質中遵循:

當電磁波在介質中傳播時，其振幅沿Z軸方向前進1/b距離時，振幅衰減為地表的1/e倍。習慣上取距離δ=1/b稱為電磁波的趨膚深度(或稱穿透深度)。在無磁介質中［3］:

由于公式(6)求出的目標體的埋深比實際深度要大，因此要對深度進行校正。通過對多種頻率的電位大小的測量，根據電位大小與視電阻率的關系，用電位大小通過一系列計算定量的分析，說明地下異常視電阻率的變化情況，定性的解釋地下異常體的發(fā)育。根據經驗在基巖地區(qū)往往要乘以校正系數1.3～1.2［4］。由上可知，電場強度E隨吸收系數 b呈負指數規(guī)律衰減，即電磁波的穿透深度隨介質的電阻率的增加而增大，隨電磁波頻率的增大而減小。在同一觀測點，地層的電阻率不變，通過選用不同工作頻率的方法，達到探測不同深度的目的。

2 地質概況與實測分析

2.1 工作區(qū)概況

場地位于湖南省耒陽市南陽鎮(zhèn)東南側宏發(fā)煤礦，宏發(fā)煤礦位于郴耒煤田白沙向斜前進井田東翼，開采范圍內出露地層由老至新有二迭系上統(tǒng)當沖階、龍?zhí)督M、大隆組、三迭系下統(tǒng)大冶組、侏羅系茅仙嶺層、第四系(Q)?，F(xiàn)將各地層及地球物理特征分述如下:(1)二迭系上統(tǒng)當沖組(P2d):位于棲霞階之上，呈假整合接觸。全階段厚約180 m。其巖性為灰黑色硅質泥巖，硅質巖，上部含鐵錳質結核。該層位視電阻率一般值在300～500Ω·m。(2)龍?zhí)督M(P2L):位于當沖階之上，呈整合接觸，全階段厚約698.57 m，其巖性由砂巖、粉砂巖、砂質泥巖及煤層組成。該層位視電阻率一般值在50～120Ω·m。(3)大隆組(P2ta):位于龍?zhí)峨A之上，呈整合接觸，全階段厚約66.21 m，巖性為硅質巖、硅質泥巖及硅質灰?guī)r組成、灰黑色、薄層狀、網狀節(jié)理發(fā)育、含菊石及腕足類等動物化石。該層位視電阻率一般值在300～400Ω·m。(4)下三疊系大冶組(T1t):分布于井田西側，位于大隆階之上，呈整合接觸，全組厚約400 m，根據巖性劃分為上、中、下三部分，下部為灰、灰黃色泥質灰?guī)r與泥灰?guī)r互層;底部與大隆階頂部常有0～10 m左右的灰白色粘土，層位穩(wěn)定，中部為灰色質純灰?guī)r，厚約30 m，上部以黃褐色泥質灰?guī)r為主，間夾灰?guī)r及鈣質砂巖，厚約300 m。該層視電阻率一般值在400～600Ω·m。(5)侏羅系茅仙嶺層(J1):分布于井田東側，不整合于龍?zhí)峨A之上，全組厚約95 m，巖性劃分為上部以粗粒砂巖為主，下部為中粒砂巖，間夾粉砂巖，具細砂巖條帶，微波狀層理發(fā)育，砂巖中夾有煙煤包裸體，在井田內不含煤層，砂巖成份以石英巖為主，次含有黑色礦物及云母片。厚層狀，較堅硬，為良好的建筑材料。該層視電阻率一般值在500～800Ω·m。(6)第四系(Q):主要分布在溝谷中，由殘積、坡積及沖積物組成，厚度0～12.68 m，一般厚3.8 m，與下伏各時代地層均呈不整合接觸。該層綜合視電阻率一般值在n×10～n×102Ω·m。(7)老窯、生產井及斷層破碎帶富水區(qū):該層位視電阻率一般值在20～50Ω·m。

綜上所述，全區(qū)探測目的層之間的電性差異均較大，具備進行物探工作的物性前提條件，給資料分析解釋工作帶來諸多的便利，同時也提高了物探資料定性、定量解釋成果的精度。

2.2 選頻法探測成果

現(xiàn)場勘測所用儀器為TR-2天然電場選頻儀。該儀器對應的頻率為15.7～1 450 Hz及混頻。現(xiàn)場采用人工記錄的方式，主要是記錄不同頻率的電位差大小，回到室內后將數據輸入計算機，再采用專用軟件進行處理成圖。其中混頻表示接收的信號中含有所有的頻率成份。頻率越低，勘探深度越大，所以，勘探結果分別對應10個不同深度的地電情況，因此勘探結果具有測深和剖面勘探的雙重效果［5］。由于混頻檔接收信號比較豐富，有時曲線波動也比較大，異常幅度也較大。不同頻率對應的深度變化大體范圍［6］:頻率與深度關系大體為300 Hz只能探測到20～40 m范圍內，150 Hz能探測100 m左右，50 Hz能探測到200 m以下。為探明地下老窯水，根據天然電場選頻法特點以及地質情況，電極距為20 m，測量點距為5 m，測線間距為100 m。

圖1 15、16、19測線天然電場選頻法探測結果

圖(a)為15測線天然電場選頻法成果圖。在圖中可以看出在110 m處有一處異常低電位，推測可能為煤礦采空區(qū)充水造成的異常低電位。在140～145 m處有比較顯著的高電位異常，推測為煤礦采空區(qū)。在162～164 m處存在異常高電位，推測為煤礦采空區(qū)。

圖(b)為16測線天然電場選頻法成果圖。16測線位于測區(qū)中部。在圖中很清楚的看到，幾乎所有的曲線都在測線35 m左右出現(xiàn)了十分明顯的低電位異常，所以推測16測線34～36 m附近低電位異?？赡転榈叵旅旱V采空區(qū)。在該測線50 m左右出現(xiàn)十分明顯的高電位異常，推測為煤礦采空區(qū)。在該測線175 m處出現(xiàn)異常高電位，推測為煤礦采空區(qū)。

圖(c)為19測線天然電場選頻法成果圖。19測線位于測區(qū)中部。在圖中很清楚的看到，幾乎所有的曲線都在測線20 m左右出現(xiàn)了十分明顯的低電位異常，所以推測19測線18～22 m附近低電位異?？赡転榈叵旅旱V采空區(qū)充水造成的。在該測線65 m左右出現(xiàn)十分明顯的低電位異常，推測為煤礦采空區(qū)充水造成的。在該測線160～190 m處出現(xiàn)異常高電位，推測為煤礦采空區(qū)。在270 m處存在低電位異常，推測為采空區(qū)充水造成的。

2.3 瞬變電磁法對比測試結果

采用瞬變電磁法驗證選頻法對老窯水的勘探效果，瞬變電磁法測點距為20 m，測線距為100 m。19測線推測65 m左右出現(xiàn)十分明顯的低電位異常，推測為煤礦采空區(qū)充水造成的，后經瞬變電磁法驗證(如圖2)，在60 m至100 m范圍電阻率明顯較低，證實結論。在270 m推測為采空區(qū)充水，經瞬變電磁法驗證(如圖2)在250 m處電阻率明顯較低，證實結論。

圖2 19測線瞬變電磁法探測結果

3 結語

選頻法在老窯勘探是有效的，對于確定老窯位置具有很好的指導意義。選頻法存在一定的局限性，如探測深度的精度不夠高，但選頻法具有抗干擾能力強、方便、快速、資料直觀易解釋等優(yōu)點，具有其他物探方法所不具有的優(yōu)勢和效果。今后應加強選頻法系統(tǒng)的、深入的研究，進一步提高該方法的的準確度和可信度。

［1］陳要志.天然電場選頻法在湘中地區(qū)工程中的應用［J］.工程勘察.1994(4):67～68，14.

［2］應成明，楊榮豐.天然電場選頻法在尋找地下水資源中的應用［J］.西部探礦工程.2011(5):175～176.

［3］底青云，王若.可控源音頻大地電磁數據正反演及方法應用［M］.北京:科學出版社.2008:26～27.

［4］李高翔，楊天春.天然電場選頻法在灰?guī)r區(qū)找水中的應用［J］.西部探礦工程.2007(9):123～125.

［5］王士黨，楊天春.天然電場選頻法在溶洞勘查中的應用［J］.勘察科學技術.2011(6):52～55.

［6］王齊仁.天然交變電場動態(tài)特征研究［J］.煤田地質與勘探.2011，29(2):52～55.