瞬變電磁法和高頻大地電磁測深方法在煤下鋁采空區(qū)的應(yīng)用

任鴻飛，陳懷玉

(1.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第六地質(zhì)大隊，河南 鄭州450016;2.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第二地質(zhì)大隊，河南 鄭州450016)

煤下鋁勘查中面臨的一個主要問題就是煤礦采空區(qū)，如何確定采空區(qū)的空間位置、充填狀態(tài)、連通性等，查明采空區(qū)的空間賦存特征，為煤下鋁勘查提供保障，在地質(zhì)勘查前期對采空區(qū)進(jìn)行勘查與評價，是十分必要的。本次在關(guān)底沃礦區(qū)采用瞬變電磁法和高頻大地電磁測深綜合物探方法進(jìn)行試驗，以降低單一物探方法的多解性，提高物探異常解釋的準(zhǔn)確性。以便總結(jié)出適合陜澠煤下鋁研究區(qū)內(nèi)采空區(qū)調(diào)查評價技術(shù)方法，指導(dǎo)煤下鋁勘查工作，也為今后全省采空區(qū)的探測提供技術(shù)支持。

1 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 地質(zhì)環(huán)境條件

本研究區(qū)區(qū)域上處于華北地臺南緣，屬洛安地塊澠池—確山陷褶斷束，基底主要由太古界古老變質(zhì)巖和元古界沉積—變質(zhì)巖系組成，其上沉積有古生界、中生界、新生界地層。自上石炭世至二疊紀(jì)的沉積建造，是本研究區(qū)的主要賦礦地層。區(qū)內(nèi)一系列與區(qū)域構(gòu)造線相一致的呈北東—南西向展布的坳陷控制著煤、鋁土礦、粘土礦及鐵礦的生成與分布。

1.2 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)地勢東南高西北低，海拔495.6～250.0 m。區(qū)內(nèi)僅有一小溪自東向西貫穿礦區(qū)，流量約1 L/s，向西注入黃河。黃河流經(jīng)礦區(qū)西北部，海拔約250 m，可視為當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面。研究內(nèi)大部分礦體位于侵蝕基準(zhǔn)面以下。地下水水位標(biāo)高150.00～439.98 m，礦體多位于地下水水位以下。黃河自工作區(qū)西部流過，勢必會對礦坑充水產(chǎn)生影響，為巖溶或裂隙含水層充水為主的礦床，水文地質(zhì)條件屬復(fù)雜類型。

1.3 煤礦采空區(qū)基本特征

1.3.1 采空區(qū)地表變形特征

采空區(qū)地表變形一般分為地表連續(xù)變形和地表非連續(xù)變形兩種。地表連續(xù)變形主要為地表移動盆地:對于水平煤層的矩形采空區(qū)，最終移動盆地直接位于采空區(qū)上方呈橢圓形，并與采空區(qū)互相對稱;對于傾斜煤層的矩形采空區(qū)，則移動盆地呈不對稱的橢圓形，并向采空區(qū)下山方向偏移。地表非連續(xù)變形破壞的主要表現(xiàn)形式為地表裂縫、臺階和塌陷坑、塌陷槽。

1.3.2 采空區(qū)水文地質(zhì)特征

抽排地下水會導(dǎo)致地表淺部松散沉積物壓實而引起地面沉降，其特征是下沉速度緩慢，不易察覺，且具有不可逆性，很難使沉降的地面回復(fù)到原來的標(biāo)高。地面沉降對建筑物和農(nóng)田水利設(shè)施危害極大。

從地層結(jié)構(gòu)而言，透水性差的隔水層(亞粘土層)與透水性好的含水層(砂層、砂礫層、砂質(zhì)土層)互層結(jié)構(gòu)易于發(fā)生地面沉降，即在含水性較好的砂層、砂礫層內(nèi)抽排地下水時，隔水層中的孔隙水向含水層流動就會引起地面沉降。

1.4 地球物理特征

1.4.1 物性參數(shù)特征

前人曾在河南省內(nèi)多個鋁土礦區(qū)進(jìn)行過電參數(shù)測定工作，取得了較多的物性參數(shù)資料。本文通過收集整理河南省內(nèi)部分鋁土礦區(qū)主要地層巖性電阻率參數(shù)、河南省重要鋁土礦區(qū)巖礦石的物性參數(shù)，并結(jié)合研究區(qū)物探工作取得的成果，將本區(qū)電性特點整理見表1。區(qū)內(nèi)地層電阻率從新到老逐漸增大，下古生界奧陶系灰?guī)r為明顯的高阻層，石炭系、二疊系電阻率中等，第四系電阻率變化較大總體表現(xiàn)為低阻?？傮w上為2個明顯的電性分界面，第四系與煤系地層界面，煤系地層與奧陶系灰?guī)r界面。

1.4.2 地球物理異常特征

煤層頂、底板巖層完整時其電阻率較高，若地下煤層被采空，形成空洞或被地下水、沖積物充填，其上覆蓋層因承壓發(fā)生形變、坍塌，砂巖、灰?guī)r常發(fā)育有破碎裂隙，電阻率就會迅速變化，若采空區(qū)內(nèi)充水，則會呈低電阻率反映，若未充水，則會呈高電阻率反映。地層的層序及結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，與正常層序地層形成差異，巖層的電導(dǎo)率和介電常數(shù)隨之改變，其電阻率差異明顯，變化范圍較大，分析對比電性參數(shù)、區(qū)分電性差異，尋找異常區(qū)來劃分采空及積水范圍，是瞬變電磁法和EH4大地電磁法應(yīng)用的理論依據(jù)。

表1 工區(qū)地層巖性及巖礦石電性參數(shù)統(tǒng)計表

2 方法有效性研究

為了解瞬變電磁法和高頻大地電磁測深兩種技術(shù)方法的有效性以及兩種方法在采空區(qū)不同位置的的異常響應(yīng)特征，同時對工作精度要求、測網(wǎng)密度、工作裝置等參數(shù)選擇是否合理作出評價，為下一步的生產(chǎn)工作及深入研究提供技術(shù)支撐，在已知采空區(qū)即典型工區(qū)開展方法有效性研究。

2.1 已知采空區(qū)分布

通過收集以往地質(zhì)資料、煤礦開采資料、鉆孔資料及進(jìn)行的現(xiàn)場訪問和調(diào)查，在工作區(qū)內(nèi)總共圈定了4個已知采空區(qū)，編號分別為Ⅰ#、Ⅱ#、Ⅲ#、Ⅳ#。其中Ⅳ#號采空區(qū)拐點坐標(biāo)顯示的是一個規(guī)則的矩形，而實際的采空區(qū)很難如此規(guī)則，Ⅱ#、Ⅲ#號采空區(qū)范圍則是根據(jù)已知鉆孔資料及對煤礦施工方的訪問調(diào)查大致圈定的，因此Ⅱ#、Ⅲ#、Ⅳ#號已知采空區(qū)的范圍存在很大的不確定性，本次選定Ⅰ#采空區(qū)為典型工區(qū)進(jìn)行方法試驗。

2.2 試驗剖面選擇

根據(jù)Ⅰ#已知采空區(qū)的分布，結(jié)合實地踏勘結(jié)果，跨越Ⅰ#采空區(qū)布設(shè)3條試驗剖面，其中瞬變電磁剖面1條，EH4剖面2條。該已知試驗區(qū)位于黃河岸邊塌陷區(qū)，采空區(qū)充水情況比較普遍。瞬變電磁法采用100 m×100 m中心回線裝置，剖面長700 m，點距100 m。EH4的1號剖面長760 m，100號點至760號點為兩種方法剖面的基本重合段，試驗剖面測點距40 m，電極距與點距相等。采用一通道采集低頻信號、四通道采集中頻信號、七通道采集高頻信號;每個測點增益以滿足放大信號而不過飽和的原則調(diào)整，范圍在1～80倍;低頻疊加4～8次，高頻疊加10～14次。

在斷面圖上，淺部電性呈現(xiàn)橫向比較均勻、縱向漸增的規(guī)律性變化，電阻率等值線的疏密變化明顯，總體上為兩個明顯的電性分界面，第一個電性界面主要在200～800 m之間、標(biāo)高300 m處，反映了第四系與二疊地層的分界面。第一與第二電性界面之間為一相對水平的高阻異常，并有異常間互現(xiàn)象，反映了二疊系下石盒子組地層的巖性變化特征，在第二個明顯分界面以下出現(xiàn)大片低阻，為已知采空區(qū)的異常反應(yīng)，影響深度范圍在標(biāo)高150～220 m，水平方向上在300～400 m之間異常比較弱。低阻異常有下延趨勢，這與瞬變電磁測深的反演算法及區(qū)內(nèi)地質(zhì)地球物理條件不完全一致密切相關(guān):瞬變電磁測深的反演算法是按照水平地層模型計算的，而實際采空區(qū)都是局部的，并不是無限大的水平層，因此反演計算結(jié)果不可能完全符合實際情況。推測采空區(qū)的低阻顯示與其所處黃河堤岸塌陷區(qū)有關(guān)，沿裂隙滲水比較嚴(yán)重，電阻率較低。

在斷面上，從電阻率變化規(guī)律看出其兩個較為明顯的電性分界面。由于高頻段信號更易受人文干擾，且受靜態(tài)效應(yīng)影響，淺部電性橫向和縱向均呈不均勻變化，因此第四系與二疊地層分界面并不很明顯(第一個電性界面)，第二個電性界面為明顯的煤系地層與奧陶灰?guī)r界面。在已知充水采空區(qū)上顯示低阻異常，影響深度范圍在標(biāo)高150～220 m，水平方向上在200～320 m之間異常比較弱。推測采空區(qū)的低阻顯示與其所處黃河堤岸塌陷區(qū)有關(guān)，沿裂隙滲水比較嚴(yán)重，電阻率較低，與瞬變低阻異常區(qū)域基本吻合，深部低阻異常下延趨勢不明顯，基本上是封閉的，呈層狀電性特征，這比瞬變電磁測深資料更接近實際地層情況?？梢钥闯?，EH4對充水采空區(qū)反應(yīng)出明顯的低阻異常，且深部分層較明顯，由于它能同時接受X、Y兩個方向的電場與磁場，反演X－Y電導(dǎo)率張量成像剖面，對判斷二維構(gòu)造較為有利。

通過上述試驗，總體上看，在充水采空區(qū)上，瞬變電磁測深和EH4兩種方法均反應(yīng)為低阻異常，與已知采空區(qū)基本吻合，低阻異常對應(yīng)高程差別不大，但異常較弱的橫向位置稍有位移。由此可見，兩種方法在探測充水采空區(qū)均是有效的，且各具特點:瞬變電磁法對富水采空區(qū)橫向分辨較好，更有利于采空區(qū)范圍的圈定;EH4大地電磁測深所反映的低阻異常向下基本上是封閉的，其深部電性變化較規(guī)律較接近實際地層起伏。

3 數(shù)據(jù)處理及綜合解釋

3.1 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理分為預(yù)處理和處理兩個階段。預(yù)處理是指在主要的處理之前對數(shù)據(jù)進(jìn)行的一些處理，主要是檢驗野外原始數(shù)據(jù)，從大量的數(shù)據(jù)中分析、查找有效信號或有用數(shù)據(jù)，根據(jù)信號和干擾頻率的不同，有時要進(jìn)行濾波、圓滑處理，對大部分地球物理面積性觀測數(shù)據(jù)在進(jìn)行轉(zhuǎn)換或增強(qiáng)之前將不規(guī)則分布的測網(wǎng)經(jīng)過插值轉(zhuǎn)換成規(guī)則網(wǎng)的處理;處理階段是把預(yù)處理后的數(shù)據(jù)繪制成各種曲線圖和電剖面圖，然后根據(jù)方法原理和解釋要求進(jìn)行各種定量計算。

3.1.1 瞬變電磁測深數(shù)據(jù)處理及結(jié)果

瞬變電磁測深數(shù)據(jù)采用V8儀器數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。首先載入原始數(shù)據(jù)，經(jīng)挑選剔除之后，根據(jù)已知鉆孔資料揭示的各電性層厚度和各電性層的電阻率參數(shù)，建立地質(zhì)模型，反演程序自動地逐步修改層參數(shù)直到理論曲線與實測曲線擬合最好。根據(jù)已知鉆孔資料，全區(qū)綜合選取了一個反演參數(shù)，電性層數(shù)15層，起始電阻率均為50Ω·m，最小擬合深度10 m，最大擬合深度500 m，進(jìn)行反演，這與在已知鉆孔上進(jìn)行的正演擬合是不同的。反演結(jié)果，地層電阻率變化規(guī)律與在已知鉆孔上進(jìn)行的正演擬合結(jié)果相同，但是反演的地層深度偏深。根據(jù)各已知鉆孔正演擬合與反演深度差異，計算了反演深度的校正系數(shù)，反演結(jié)果顯示，淺部電性均呈層狀變化，斷面整體上反應(yīng)了區(qū)內(nèi)地層電阻率從新到老逐漸增大趨勢，深部局部出現(xiàn)低阻異常區(qū)，推斷為采空積水影響區(qū)。

3.1.2 EH4電磁測深數(shù)據(jù)處理及結(jié)果

1)數(shù)據(jù)預(yù)處理

采用EH4自帶IMAGEM處理系統(tǒng)，載入原始數(shù)據(jù)，對原始時間序列進(jìn)行挑選，剔除有明顯干擾的時間序列段，經(jīng)過FFT變換得到互功率譜再計算阻抗，然后根據(jù)數(shù)據(jù)的相干度、偏離度、極化圖以及視電阻率和阻抗相位的連續(xù)性來刪除質(zhì)量較差的頻點，隨后便可轉(zhuǎn)入反演階段。

2)剖面反演

利用IMAGEM軟件進(jìn)行二維反演時，需要選擇圓滑系數(shù)，系統(tǒng)提供的圓滑系數(shù)范圍比較大(0～999)，但一般情況下，在0.05～10之間選擇足夠了。多數(shù)情況下只選擇一個圓滑系數(shù)是不能獲得較理想的二維成圖結(jié)果的，需要選擇幾個不同的圓滑系數(shù)，形成不同的.dat文件，比較它們的二維成圖結(jié)果，找出其中較理想的一個作為最終結(jié)果，本次圓滑系數(shù)最終選定0.5。

表2 鉆孔實際深度和反演結(jié)果深度對照表

3.2 資料綜合解釋

資料解釋遵循從已知到未知、由點到面的原則，在大量收集掌握已知資料的前提下，對每條剖面進(jìn)行逐一定性分析，并綜合各線、點的定性分析結(jié)果，推斷下伏地層的變化規(guī)律，將剖面逐點一維反演得到的相應(yīng)巖層連接起來，后得到二維地電斷面，并結(jié)合已知鉆孔資料，對整個工區(qū)進(jìn)行統(tǒng)一的半定量及定量解釋。

首先對工區(qū)內(nèi)瞬變電磁資料與已知鉆孔ZK1608、ZK2400、ZK2404、ZK3000、ZK3208、ZK3212、ZK3216、ZK4016進(jìn)行正演擬合，為其最終反演提供最適合的參數(shù)，后將反演結(jié)果斷面解釋與鉆孔正演擬合及鉆孔的實際信息進(jìn)行對比分析如表5－1，從而計算出解釋深度的平均校正系數(shù) λ=0.66，利用該校正系數(shù)對該區(qū)瞬變電磁測深資料反演解釋結(jié)果進(jìn)行校正，然后結(jié)合EH4電磁測深反演的X－Y電導(dǎo)率張量成像剖面，對整個工區(qū)進(jìn)行綜合解釋評價。

3.2.1 地層劃分

通過上述數(shù)據(jù)處理，根據(jù)各測線反演電阻率斷面的等值線疏密變化情況，可明顯分出四個電性層，即表層電性不均勻?qū)?，中低阻層、中阻層和高阻層，這一特點與工作區(qū)內(nèi)地層結(jié)構(gòu)比較吻合，結(jié)合瞬變電磁資料與鉆孔擬合的結(jié)果，對地層進(jìn)行劃分。

3.2.2 采空區(qū)地球物理模式及劃分標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)水文地質(zhì)調(diào)查提供的地下水位起伏信息，以及在已知采空區(qū)的試驗結(jié)果和已知鉆孔上瞬變電磁剖面顯示，確定了區(qū)內(nèi)采空區(qū)的電性特點，主要分為充水采空區(qū)和未充水采空的兩種地球物理模式。

(1)充水采空區(qū)主要表現(xiàn)為低阻，一般影響范圍較大，據(jù)上述的地層劃分可見，其在剖面圖上往往表現(xiàn)為連續(xù)多個測點在接近奧陶系灰?guī)r的深度上的低阻異常，形成較大規(guī)模的低阻團(tuán)塊狀，與已知采空區(qū)試驗剖面所反映采空區(qū)的異常特征相符，結(jié)合對剖面異常的分析及鉆孔資料的揭露得出，采空影響區(qū)電阻率對數(shù)值變化范圍為0.6～2.6，其中瞬變電磁異常向下不封閉，結(jié)合地層情況可對其進(jìn)行識別;在平面上，低阻異常形成邊界較規(guī)則的區(qū)域。

(2)未充水采空區(qū)應(yīng)該表現(xiàn)為高阻，但是從數(shù)值上來看與背景差別并不明顯，等值線形態(tài)上也沒有明顯反應(yīng)。

3.2.3 剖面綜合推斷解釋

1)剖面解釋

對瞬變電磁法和EH4電磁測深法的每條剖面進(jìn)行逐一定性分析，依據(jù)典型工區(qū)試驗剖面對采空區(qū)所反應(yīng)的異常特征及采空區(qū)地球物理模式和劃分標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合鉆孔資料，對剖面各異常情況做出合理的推斷。

除對典型剖面分析解釋外，還對研究區(qū)內(nèi)所有相關(guān)的剖面進(jìn)行了匯總分析。從對典型剖面及匯總的剖面解釋情況可看出，兩種方法對充水采空區(qū)的反應(yīng)主要表現(xiàn)為低阻，影響范圍較大，據(jù)上述的地層劃分可見，其在剖面圖上往往表現(xiàn)為連續(xù)多個測點在接近奧陶系灰?guī)r的深度上的低阻異常，形成較大規(guī)模的低阻團(tuán)塊狀，其中瞬變電磁異常向下不封閉，結(jié)合地層情況可對其進(jìn)行識別，EH4由于信號更易受人文干擾，且受地形、靜態(tài)效應(yīng)影響，淺部電性呈不均勻變化，從剖面反演結(jié)果看，其等值線比較凌亂，異常的空間形態(tài)更不規(guī)則，但低阻異常向下基本上是封閉的，呈層狀電性特征，其深部電性變化較規(guī)律更接近實際地層起伏?？傮w而言，瞬變電磁數(shù)據(jù)質(zhì)量要優(yōu)于EH4大地電磁數(shù)據(jù)質(zhì)量，能更好地反應(yīng)采空區(qū)異常，更有利于采空區(qū)范圍的圈定。

2)采空區(qū)的平面分布特征

為進(jìn)一步確定采空區(qū)的空間特征，從平面上了解工區(qū)內(nèi)采空區(qū)的分布情況，結(jié)合采空區(qū)地球物理模式及劃分標(biāo)準(zhǔn)，及對瞬變電磁和EH4電磁測深的各剖面反演結(jié)果進(jìn)行分析解釋，將剖面上確定的采空范圍與煤系地層結(jié)合起來，在平面上最終圈定了2個采空影響區(qū)，其編號分別為T－1、T－2。

采空區(qū)的分布規(guī)律比較明顯，所有采空區(qū)都被斷層穿越，且T－1異常區(qū)受多個斷層控制。這一現(xiàn)象說明，采空區(qū)雖然與采煤活動有關(guān)，但其后期的發(fā)展與空間分布受斷層影響比較大，斷層的存在容易導(dǎo)致巖層破碎，從而使原本規(guī)模較小的采空區(qū)崩塌形成較大規(guī)模的塌陷區(qū)。

通過對兩種資料的分析解釋，圈定的采空影響區(qū)均已得到了鉆孔資料的驗證，圈定的異常區(qū)內(nèi)外均與實際的鉆孔資料吻合，除對未充水采空區(qū)異常反應(yīng)不明顯外。

4 結(jié)語

本次研究工作，通過系統(tǒng)收集和綜合分析研究以往地質(zhì)資料、煤礦開采資料、鉆孔資料、水文地質(zhì)資料及野外實地調(diào)查，投入瞬變電磁與高頻大地電磁法對采空區(qū)展開綜合探測，并對地質(zhì)、水文、物探調(diào)查資料進(jìn)行綜合研究、評價，最終證明了該方法組合在查明煤礦采空區(qū)的分布范圍及空間特征的有效可行性，同時為今后全省煤下鋁采空區(qū)的探測提供一些經(jīng)驗借鑒。

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