可控源音頻大地電磁法探測中深老窯采空區(qū)技術(shù)

張小波，陳清通，牟 義，張永超，杜明澤

(1.榆林市能源局，陜西 榆林 719000； 2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013)

為了更有針對性地探測采空區(qū)，李文[1]結(jié)合采空區(qū)埋深和現(xiàn)有常用物探方法的適用性，劃分了極淺采空區(qū)(埋深小于50 m)、淺層采空區(qū)(埋深50～150 m)、中深采空區(qū)(埋深150～400 m)、深層采空區(qū)(埋深大于400 m)，針對中深采空區(qū)提出了采用地震法、瞬變電磁法、可控源音頻大地電磁法或音頻大地電磁法探測進(jìn)行探測?？煽卦匆纛l大地電磁法作為探測中深采空區(qū)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，近幾年快速發(fā)展，高雅等[2]嘗試將CSAMT的接收系統(tǒng)置于巷道中，建立井—地探測裝置，對于深部盲礦或目標(biāo)體具有較強(qiáng)的識別度；張永超等[3]從理論上驗(yàn)證了CSAMT 探測大采深急傾斜煤層采空區(qū)的可行性，并采用CSAMT 在王家山煤礦大采深急傾斜煤層探測的實(shí)踐中獲得了高分辨率的視電阻率斷面圖；宋玉龍等[4]詳細(xì)分析了可控源音頻大地電磁測深法探測效果，結(jié)果表明能夠較準(zhǔn)確的探測出煤礦采空區(qū)及積水范圍，并對奧陶系高阻灰?guī)r頂面的起伏具有較好的反映；姜國慶等[5]通過數(shù)值模擬對比分析EH-4 電導(dǎo)率成像系統(tǒng)和可控源音頻大地電磁法(CSAMT) 對不同介質(zhì)充填采空區(qū)的電性響應(yīng)特征，并結(jié)合典型工程實(shí)例對應(yīng)用效果進(jìn)行分析，證明了頻率域電磁法探測采空區(qū)的可行性；李江華等[6]采用可控源音頻大地電磁法對國興煤礦4-1號煤層采空區(qū)及積水區(qū)進(jìn)行探測，為評價(jià)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)。本文在以上研究基礎(chǔ)上，選取榆林地區(qū)典型礦井中深老窯采空區(qū)為探測試驗(yàn)區(qū)，進(jìn)行了干擾試驗(yàn)、參數(shù)試驗(yàn)等，優(yōu)化了探測技術(shù)體系，應(yīng)用到現(xiàn)場，進(jìn)行成果分析與解釋，最后進(jìn)行鉆探驗(yàn)證。

1 原理與方法

可控源音頻大地電磁法(Controlled Source Audio-frequency Magnetotellurics，CSAMT)是20世紀(jì)80年代末興起的一種地球物理新技術(shù)[7-11]，是在大地電磁法(MT)和音頻大地電磁法(AMT)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的人工源頻率域測深方法(圖1)?；陔姶挪▊鞑ダ碚摵望溈怂鬼f方程組，可以導(dǎo)出水平電偶極源遠(yuǎn)場區(qū)的卡尼亞視電阻率公式：

圖1 CSAMT裝置布置示意 Fig.1 Schematic diagram of CSAMT device layout

(1)

式中，ρs為卡尼亞視電阻率；f為頻率；Ex為水平電

場強(qiáng)度；Hy水平磁感應(yīng)強(qiáng)度。

只要在地面上能觀測到2個(gè)正交的水平電磁場(Ex，Hy)就可獲得地下的視電阻率ρ。根據(jù)電磁波的趨膚效應(yīng)理論，可以導(dǎo)出探測深度的公式：

(2)

式中，δ為探測深度；ρ為視電阻率。

由式(2)可知，電磁波的探測深度與頻率呈反比，通過改變發(fā)射頻率即可改變探測深度，達(dá)到測深的目的。

2 試驗(yàn)工作

野外試驗(yàn)的根本目的是檢驗(yàn)擬定的勘查方法的有效性，并對待定的參數(shù)進(jìn)行合理選擇，確定最佳的方法和施工參數(shù)。根據(jù)前期資料整理與實(shí)地考察，施工區(qū)域內(nèi)地表出露均為第四系黃土，土質(zhì)干燥，地形地貌為黃土高原典型峁梁地形地貌，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)可視范圍內(nèi)未見干擾源。此次探測試驗(yàn)工作的目的主要是尋找3煤采空區(qū)，采空深度不穩(wěn)定，最大深度為195 m，平均深度為160 m，根據(jù)可控源理論與方法，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)探測區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)—地球物理資料擬定可控源發(fā)—收參數(shù)表。試驗(yàn)測線為廟渠煤礦、興維煤礦勘查區(qū)域北側(cè)的10號測線，試驗(yàn)共觀測4個(gè)排列，36個(gè)測深點(diǎn)。

2.1 試驗(yàn)效果

(1)干擾試驗(yàn)—背景噪聲。背景噪聲在L10線的1050號點(diǎn)進(jìn)行測試，在不供電時(shí)測量了背景噪聲，作為對比，在CSAMT供電發(fā)射后測量了信號，對比結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 背景噪聲和CSAMT發(fā)射時(shí)的Ex曲線Fig.2 Ex curve of background noise and CSAMT emission

圖3 背景噪聲和CSAMT發(fā)射時(shí)的Hy曲線 Fig.3 Hy curve of background noise and CSAMT emission

Ex背景噪聲值集中在0.009～0.069 mV/km，平均0.035 mV/km，發(fā)射時(shí)Ex值0.7 mV/km之上；Hy背景噪聲值在3.67×10-6～1.67×10-4nT，發(fā)射時(shí)Hy值均在1.67×10-4nT之上，一半的Hy值位于1×10-3nT以上。在CSAMT發(fā)射信號后，無論是Ex還是Hy，其信號量值均比噪聲高，采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量高，信噪比高。

(2)參數(shù)試驗(yàn)—發(fā)射電流。不同發(fā)射電流的卡尼亞視電阻率如圖4所示。由圖4中可以看出，隨著發(fā)射電流的增大，曲線從曲折跳躍逐漸變得平滑，電流5 A是曲線跳躍變化較大，10 A時(shí)曲線跳躍幅度變小，到15 A時(shí)曲線變得圓滑。野外試驗(yàn)時(shí)，發(fā)射電流越大，信號越強(qiáng)，接收數(shù)據(jù)信噪比越高，曲線也就越圓滑，抗干擾能力就越強(qiáng)。因此，本次試驗(yàn)選擇最小電流為15 A。

圖4 不同發(fā)射電流的卡尼亞視電阻率Fig.4 Apparent resistivity of Carnia with different emission currents

(3)參數(shù)試驗(yàn)—頻段與頻點(diǎn)。根據(jù)勘查區(qū)地質(zhì)地電情況和目標(biāo)層埋深，設(shè)計(jì)采集頻段中最高頻率9 600 Hz，最低頻率4 Hz，共30個(gè)頻點(diǎn)。根據(jù)設(shè)計(jì)頻率采集數(shù)據(jù)的反演結(jié)果(單點(diǎn))見表1，由表1可以看出，最大深度可達(dá)1 000 m，目的層深度100～200 m也有6個(gè)數(shù)據(jù)，符合深度及精度探測要求。

表1 頻率與探測深度Tab.1 Frequency and depth of detection

2.2 試驗(yàn)結(jié)論

在CSAMT方法實(shí)際工作中，收發(fā)距較小時(shí)，信號強(qiáng)度較大，信噪比較高，但在低頻段極易進(jìn)入“過渡區(qū)”和“近場區(qū)”，此時(shí)卡尼亞視電阻率被嚴(yán)重畸變，即使作了“近場校正”，也不能校正到和MT一樣，可能無法真實(shí)反映地電斷面，不能用MT方法作解釋；當(dāng)收發(fā)距過大時(shí)，盡管可以保證在較低頻率處于“波區(qū)”，但是信號強(qiáng)度較小，信噪比較低[12-18]。因此，根據(jù)探測深度以及目標(biāo)體性質(zhì)選擇合適的收發(fā)距以及頻段對提高CSAMT探測精度、消除近場效應(yīng)有巨大的作用，這樣才能得到理想的探測結(jié)果。根據(jù)理論分析及此次試驗(yàn)結(jié)果，CSAMT物探施工可以采用如下施工參數(shù)：發(fā)射電流15 A；發(fā)射電壓850 V；AB長度840 m；收發(fā)距離8.9 km；點(diǎn)距30 m；頻段9 600～4 Hz。將試驗(yàn)得出的施工參數(shù)應(yīng)用到10號試驗(yàn)測線，該測線長約1 080 m，700～1 050 m為廟渠煤礦區(qū)域，0～700 m為興維煤礦測區(qū)，經(jīng)反演處理，得到試驗(yàn)剖面如圖5所示。由圖5可以看出，在橫坐標(biāo)700～1 050 m的區(qū)域內(nèi)，該低阻體電阻率相對較高，推測為采空區(qū)；在橫坐標(biāo)0～700 m的區(qū)域內(nèi)，該低阻體電阻率相對更低，推測為采空區(qū)積水。根據(jù)礦方提供的資料，已知采空區(qū)及積水區(qū)范圍與探測結(jié)果基本吻合，說明此次試驗(yàn)結(jié)果確定的施工參數(shù)準(zhǔn)確可靠。

圖5 試驗(yàn)剖面Fig.5 Experimental cross-sectional view

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 試驗(yàn)區(qū)概況

橫山縣韓岔鄉(xiāng)廟渠煤礦為現(xiàn)場試驗(yàn)區(qū)，廟渠煤礦位于陜西省橫山縣城以東約20 km處，井田東西寬2.73～3.85 km，南北長約4.85 km，面積約7.500 2 km2。根據(jù)煤礦提供的資料，橫山縣韓岔鄉(xiāng)廟渠煤礦礦井西北部與興維煤礦毗鄰處采空區(qū)分布不清，給安全生產(chǎn)和地面人員、財(cái)產(chǎn)安全帶來較大的隱患，需進(jìn)行采空區(qū)范圍探測。在劃定的0.436 9 km2的區(qū)域內(nèi)采用可控源音頻大地電磁技術(shù)對3煤采空區(qū)進(jìn)行探測。根據(jù)試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)資料和本次物探工作的任務(wù)及技術(shù)要求，可控源音頻大地電磁法(CSAMT)測網(wǎng)設(shè)計(jì)為60 m×30 m(即線距60 m、點(diǎn)距30 m)，采集參數(shù)按照試驗(yàn)結(jié)論得出的參數(shù)設(shè)置，廟渠煤礦物探共完成CSAMT測線10條，測線方向WE向，測線總長度12 900 m，生產(chǎn)物理點(diǎn)440個(gè)，檢測點(diǎn)18個(gè)，總物理點(diǎn)458個(gè)，測線布置如圖6所示。

圖6 測線布置示意Fig.6 Schematic diagram of survey line layout

3.2 成果分析與解釋

通過對CSAMT數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析、處理，形成了各測線的反演視電阻率斷面圖，根據(jù)3煤底板等高線抽取了3煤視電阻率異常平面圖。成果分析主要從單支曲線、各測線視電阻率斷面圖和3煤視電阻率異常平面3個(gè)角度予以分析與解釋，依據(jù)不同地質(zhì)異常的視電阻率特征和已知采空區(qū)的異常特征，在視電阻率斷面圖上和視電阻率異常平面圖上圈定了3煤采空區(qū)范圍。采空區(qū)的電性反映是相對的，CSAMT反演斷面圖中的電阻率也是相對變化的趨勢，進(jìn)行資料分析與解釋時(shí)除了要根據(jù)異常變化的連續(xù)性推斷地質(zhì)異常體的賦存情況，還要結(jié)合地表地形、鉆探和地質(zhì)等資料，同時(shí)還要參考野外班報(bào)記錄和野外地質(zhì)調(diào)查，兼顧平面圖上異常變化趨勢，進(jìn)行綜合分析。

(1)單支曲線。廟渠礦區(qū)CSAMTL2線210—270號點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)曲線如圖7所示，曲線趨勢近似一致。圖7中，曲線在3 000 Hz和400 Hz左右，都存在一個(gè)極大值；整體上電阻率原始曲線是低—高—低的趨勢；說明深部地層電阻率偏低，中間有高阻響應(yīng)，上部地層電阻率偏低，曲線總體表現(xiàn)為K型地電斷面。

圖7 可控源L2線210—270號點(diǎn)原始曲線Fig.7 Original curve of point 210—270 of the controllable source L2 line

(2)視電阻率斷面圖。廟渠礦區(qū)各測線的電阻率反演剖面如圖8所示，其中L6—L10線長1 140 m，0—810號點(diǎn)屬于興維礦區(qū)，810—1140號點(diǎn)為廟渠礦區(qū)。由圖8可知，在深度方向電阻率總體表現(xiàn)為低—高—低的變化趨勢，測線L1—L5中西側(cè)電阻率集中在400～600 Ω·m，推測為煤層，整體變化趨勢較平緩，探測煤層底板標(biāo)高在+1 000～+1 025 m，與鉆孔信息基本吻合；L1—L10線在測線中部出現(xiàn)電阻率超過800 Ω·m的高阻區(qū)域，推測為采空區(qū)的位置，探測底板標(biāo)高在+990～+1 025 m，其中L1線探測采空區(qū)位于1080—1410號點(diǎn)，底界埋深標(biāo)高在+980 m左右；L2線探測采空區(qū)位于1080—1410號點(diǎn)，底界埋深標(biāo)高在+985 m左右；L3線探測采空區(qū)位于1080—1410號點(diǎn)，底界埋深標(biāo)高在+985 m左右；L4線探測采空區(qū)位于330—1410號點(diǎn)，底界埋深標(biāo)高在+980 m左右；L5線探測采空區(qū)位于390—600號點(diǎn)和690—1410號點(diǎn)，底界埋深標(biāo)高在+985 m左右；L6—L10線探測采空區(qū)基本都位于810—1140號點(diǎn)，底界埋深標(biāo)高在+980 m左右。

圖8 L1—L10線視電阻率斷面Fig.8 L1—L10 line apparent resistivity cross sectional view

(3)視電阻率平面圖。廟渠礦區(qū)高阻異常平面分布如圖9所示。由圖9可知，測區(qū)內(nèi)高阻異常電阻率在300～2 500 Ω·m，紅色區(qū)域電阻率明顯大于周圍電阻率。推測為煤層采空區(qū)，周圍電阻率在300～600 Ω·m推測是煤層層位，探測采空區(qū)平面分布如圖10所示。推斷電阻率大于800 Ω·m為采空區(qū)的位置，由圖10可知，采空區(qū)在測區(qū)的東部有明顯的大范圍高阻異常顯示。

圖9 3煤視電阻率平面分布Fig.9 Plane distribution of apparent resistivity of No.3 coal

圖10 3煤探測采空區(qū)平面分布Fig.10 No.3 coal detection goaf plane distribution map

(4)異常分析。從圖10采空區(qū)平面圖可知，采空區(qū)在測區(qū)內(nèi)分布比較集中，其異常區(qū)域主要?jiǎng)澐譃閮蓧K，東部一塊大范圍的異常區(qū)域分布在廟渠和興維礦區(qū)上，集中在廟渠礦區(qū)，在測線L1—L10上均有表現(xiàn)，面積較大，分布范圍廣。根據(jù)掌握的地質(zhì)、水文、鉆探、采掘工程以及實(shí)地調(diào)查等資料，認(rèn)真分析了探測成果圖的電阻率分布特征，以得到正確的地質(zhì)解釋。經(jīng)過對本次CSAMT勘探結(jié)果的綜合對比解釋，發(fā)現(xiàn)了1處高阻異常，在L1—L10線視電阻率斷面圖上均反映明顯，并且分布于物探區(qū)的東部，分布集中在廟渠礦區(qū)，推斷為3煤采空區(qū)，在廟渠礦區(qū)的面積約0.234 km2，具體分布范圍如下：L1為1080—1410；L2為1080—1410；L3為1080—1410；L4為330—1410；L5為390—600、690—1410；L6為810—1140；L7為810—1140；L8為810—1140；L9為810—1140；L10為810—1140。

3.3 鉆探驗(yàn)證

為驗(yàn)證探測區(qū)可控源音頻大地電磁法的探測成果的準(zhǔn)確性，在探測采空區(qū)施工4個(gè)鉆孔(施工參數(shù)見表2)。根據(jù)鉆孔揭露情況可知，HSQ-MQ-01、HSQ-MQ-02、HSQ-MQ-04鉆孔均揭露3煤采空區(qū)；HSQ-MQ-03號鉆孔未揭露采空區(qū)，主要是由于原有房柱式采空區(qū)回采率較低，煤柱留設(shè)不規(guī)范，可能打到遺留煤柱上。總體驗(yàn)證效果較好，表明可控源音頻大地電磁法可有效探測中深采空區(qū)。

表2 鉆孔施工驗(yàn)證情況Tab.2 Verification of drilling construction

4 結(jié)論

通過對測區(qū)進(jìn)行干擾試驗(yàn)、參數(shù)試驗(yàn)等，確定了背景噪聲范圍，優(yōu)化了發(fā)射電流、測量頻段等施工參數(shù)。結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)條件，確定了現(xiàn)場應(yīng)用采集參數(shù)，測量頻帶為9 600～4 Hz，AB發(fā)射極距為840 m，最小收發(fā)距為8.9 km，發(fā)射電壓為700～850 V，發(fā)射電流為15 A，點(diǎn)距為30 m。根據(jù)榆林礦區(qū)的地質(zhì)條件，采用可控源音頻大地電磁法利用優(yōu)化參數(shù)對廟渠煤礦3煤采空區(qū)的分布情況進(jìn)行探測，探測結(jié)果顯示采空區(qū)在測區(qū)內(nèi)分布比較集中，推斷有一高阻異常區(qū)域分布在廟渠和興維礦區(qū)，主要集中在廟渠礦區(qū)，在L1—L10線視電阻率斷面圖上均反映明顯，面積較大，分布范圍廣，推斷為3煤采空區(qū)，在廟渠礦區(qū)的面積約0.234 km2，并經(jīng)鉆孔驗(yàn)證，驗(yàn)證效果較好。