煤礦深部奧灰水地球物理探測(cè)方法淺析

張 潔

（華陽新材料科技集團(tuán)有限公司智能礦山事業(yè)部地質(zhì)測(cè)量部，山西 陽泉 045000）

1 礦井及勘探區(qū)概況

五礦位于山西省平定縣城西南，現(xiàn)開采15 號(hào)煤，采用走向長壁后退式綜合機(jī)械化放頂煤采煤方法，全部垮落法管理頂板。礦井水文地質(zhì)類型為中等，部分采掘區(qū)域受奧灰水帶壓開采影響，試驗(yàn)區(qū)位于五礦井田西部，5-2906、5-1805、5-1906 地質(zhì)鉆孔附近，為帶壓開采區(qū)域。

2 施工方法及影響因素分析

2.1 瞬變電磁法（TEM）[1-3]

工作裝置：根據(jù)勘探區(qū)目的層的埋藏深度情況，結(jié)合瞬變電磁特點(diǎn)，選擇大定源框內(nèi)回線裝置（如圖1）進(jìn)行瞬變電磁(垂直分量HZ)測(cè)量工作。

圖1 大定源框內(nèi)回線裝置圖

參數(shù)設(shè)置：根據(jù)研究目的與任務(wù)，結(jié)合工區(qū)地形和地質(zhì)特征，選擇在已知鉆孔（5-1805）點(diǎn)上進(jìn)行參數(shù)選擇試驗(yàn)。經(jīng)過試驗(yàn)，瞬變電磁參數(shù)選擇為發(fā)射線框800 m×800 m，發(fā)射頻率為5 Hz。

測(cè)線布設(shè)：測(cè)線沿鉆孔5-2906、5-1805、5-1906布設(shè)，點(diǎn)距20 m。

影響因素：區(qū)內(nèi)高壓線對(duì)野外數(shù)據(jù)采集質(zhì)量影響較大，造成資料解釋多解性。采取的保證措施為：（1）開通儀器內(nèi)部濾波器，最大程度上減少工業(yè)電流干擾；（2）采取多次讀數(shù)，選取質(zhì)量較好的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；（3）標(biāo)記清高壓線平面位置，在解釋過程中予以考慮。

2.2 可控源音頻大地電磁測(cè)深法（CSAMT）

工作裝置：采用了TM 模式標(biāo)量測(cè)量方法。根據(jù)工作的任務(wù)，探測(cè)深度H 達(dá)到1000 m 以上，一般情況下收發(fā)距r ≥6H 即可滿足平面波區(qū)的測(cè)量，同時(shí)應(yīng)考慮到保持較高的信噪比以保證觀測(cè)精度。最終確定施工收發(fā)距r=7 km，測(cè)量點(diǎn)距40 m，發(fā)射方向平行于測(cè)線。

參數(shù)設(shè)置：工作中使用的最低頻率1 Hz，最高頻率7680 Hz，共40 個(gè)頻點(diǎn)。為了提高觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，供電電流達(dá)到了15 A。另外，在數(shù)據(jù)采集過程中，采用了多次疊加和重復(fù)觀測(cè)等技術(shù)，有效地抑制了工業(yè)電流及人為設(shè)施干擾，確保了采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

測(cè)線布設(shè)：測(cè)線沿鉆孔5-2906、5-1805、5-1906布設(shè)，點(diǎn)距40 m。

噪聲調(diào)查：根據(jù)實(shí)地踏勘情況，區(qū)內(nèi)存在兩條高壓線，產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾，因此在正式施工前進(jìn)行全區(qū)噪聲水平調(diào)查和高壓線噪聲調(diào)查，以了解測(cè)區(qū)干擾與背景場(chǎng)噪聲大小。遠(yuǎn)離干擾源進(jìn)行了背景場(chǎng)調(diào)查（避開高壓線）30 個(gè)點(diǎn)，高壓線噪聲調(diào)查35 個(gè)點(diǎn)，總計(jì)65 個(gè)點(diǎn)。通過調(diào)查，工區(qū)內(nèi)電磁背景場(chǎng)均值為9.78E-11(v/A·m2)，屬于低電磁背景噪聲區(qū)域，本區(qū)低于1.0E-10(v/A·m2)的信號(hào)將參考使用。

勘探區(qū)內(nèi)存在兩條高壓線，因此在高壓線下方布設(shè)一條長約為680 m、點(diǎn)距為20 m 的剖面線，要查明瞬變電磁野外數(shù)據(jù)采集受高壓線影響范圍，為后期數(shù)據(jù)解釋提供依據(jù)。高壓線電磁干擾區(qū)6 號(hào)～22 號(hào)點(diǎn)平均為5.34E-09(nv/A·m2)左右，是無干擾物背景噪聲54.6 倍左右。從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來看，高壓線電磁噪聲對(duì)野外原始數(shù)據(jù)采集干擾較嚴(yán)重，如圖2。

圖2 高壓線影響范圍圖

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 瞬變電磁法數(shù)據(jù)處理

（1）濾波：由于勘探區(qū)內(nèi)人文活動(dòng)頻繁，存在較大的人文噪聲，故在資料處理前首先要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，消除噪聲，對(duì)資料進(jìn)行去偽存真。

（2）關(guān)斷時(shí)間校正：理論發(fā)射波形為階躍波，實(shí)際工作中由于發(fā)射框與大地間存在電容和電感，致使發(fā)射電流關(guān)斷時(shí)，不為階躍波，而為一個(gè)有一定后延時(shí)間的關(guān)斷波形，故必須將其校正到理想波形狀態(tài)。

（3）圓滑：由于野外采集的數(shù)據(jù)很可能上下跳動(dòng)，甚至有些測(cè)點(diǎn)不符合電磁場(chǎng)衰減的規(guī)律，必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)膱A滑處理。

（4）視電阻率的計(jì)算：根據(jù)數(shù)據(jù)處理大定源回線的計(jì)算公式計(jì)算視電阻率。

（5）時(shí)深轉(zhuǎn)換：瞬變電磁儀器野外觀測(cè)到的是二次場(chǎng)電位隨時(shí)間變化，為便于對(duì)資料的認(rèn)識(shí)，需要將這些數(shù)據(jù)變換成電阻率隨深度的變化。

（6）反演：對(duì)野外數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，得到地電斷面的電性特征，結(jié)合實(shí)際地質(zhì)資料和測(cè)井資料進(jìn)行綜合解釋。

3.2 可控源音頻大地電磁測(cè)深法數(shù)據(jù)處理[4-6]

（1）選擇有效的干擾波去除辦法

本區(qū)電磁噪聲主要為工業(yè)電流干擾，區(qū)內(nèi)人文干擾強(qiáng)烈。為了避免過多數(shù)據(jù)進(jìn)入近場(chǎng)區(qū)，本次勘查工作收發(fā)距選擇為r=7 km，相對(duì)而言較大的收發(fā)距下接收到的信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)較小，容易受到干擾。故本區(qū)根據(jù)干擾噪聲的各自不同特點(diǎn)，充分利用CMTpro 與MTsoft2D 兩套系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)其進(jìn)行壓制與剔除。

（2）靜校正方法的選擇

地震勘探解釋的理論都假定激發(fā)點(diǎn)與接收點(diǎn)是在一個(gè)水平面上，并且地層速度是均勻的。但實(shí)際上地面常常不平坦，各個(gè)激發(fā)點(diǎn)深度也可能不同，低速帶中的波速與地層中的波速又相差懸殊，所以必將影響實(shí)測(cè)的時(shí)距曲線形狀。

靜效正有許多方法來做，比如：曲線平移法、數(shù)值分析法、聯(lián)合反演法、直接二維反演法等，本次工作中采用了曲線平移法和帶地形二維反演法進(jìn)行。

曲線平移法：在一個(gè)局部小的范圍內(nèi)，深部地層可以看成連續(xù)性較好，那么相鄰測(cè)點(diǎn)在沒有地質(zhì)異常的情況下一定是連續(xù)的。因此，可以結(jié)合已有的地質(zhì)剖面資料判別各曲線不連續(xù)是由地下異常體還是靜態(tài)效應(yīng)引起的，對(duì)于受靜態(tài)效應(yīng)影響的曲線可以通過曲線平移的方法來校正。曲線平移法可以通過求取視電阻率曲線和背景值曲線的相關(guān)性、與周圍測(cè)點(diǎn)曲線的相關(guān)性、相位曲線的連貫性來綜合判別。如圖3、圖4。

圖3 校正前單點(diǎn)視電阻率曲線

圖4 校正后單點(diǎn)視電阻率曲線

（3）反演解釋方法

資料的反演解釋過程中，采用了曲線平滑、插值以及曲線分析、靜校正對(duì)原始資料進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)部分測(cè)點(diǎn)的高頻畸變和飛點(diǎn)借助相位資料進(jìn)行恢復(fù)，并對(duì)原始資料進(jìn)行靜態(tài)校正，以保證視電阻率曲線不受靜態(tài)畸變的影響。CSAMT 資料的定性解釋主要通過對(duì)曲線類型、視電阻率-頻率擬斷面的分析可以把握基底隆凹變化，并為進(jìn)一步資料解釋打下良好的基礎(chǔ)。

4 成果對(duì)比分析

兩種方法，如圖5 在縱向上電性分層能力相當(dāng)，瞬變電磁早期道效應(yīng)明顯影響了其對(duì)淺層地層的電性層劃分。在選擇合理的采集參數(shù)情況下兩種方法均能達(dá)到勘探深度。在橫向上兩種方法對(duì)異常分辨能 力 相 當(dāng)，對(duì)180～204 及216～250（CSAMT）、234～250（TEM）兩處低阻異常均有良好的反映。在抗干擾能力方面，CSAMT 抗干擾能力更突出一些。在剖面116 和136 點(diǎn)存在兩條高壓線，通過試驗(yàn)線CSAMT 與TEM 視電阻率斷面等值線對(duì)比圖可發(fā)現(xiàn)，在100～144 段瞬變電磁受干擾程度較大，CSAMT受干擾程度較小。這也是由方法本身決定的，TEM接收的是供電場(chǎng)結(jié)束后的感應(yīng)場(chǎng)，屬于寬頻接收，這樣感應(yīng)信號(hào)及干擾信號(hào)同時(shí)接收，無法徹底將兩種信號(hào)分離出來。而CSAMT 屬于單頻接收，只接收固定頻率信號(hào)，因此有效地去除了由于工業(yè)電引起的干擾信號(hào)，所以其抗干擾能力會(huì)好一些。

圖5 TEM 和CSAMT 對(duì)比圖

5 結(jié)論

通過本次對(duì)比試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，可控源音頻大地電磁法（CSAMT）比瞬變電磁法（TEM）工作效率高，抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)低阻異常體反應(yīng)靈敏，可以更準(zhǔn)確地圈定富水異常體，更好地為煤礦防治水帶壓開采奧灰富水異常區(qū)探查提供技術(shù)支撐，為煤礦安全生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。