可控源音頻大地電磁測(cè)深法在大傾斜煤層采空區(qū)勘查中的應(yīng)用

摘要：采空區(qū)的塌陷、涌水等地質(zhì)災(zāi)害因素給煤礦正常采掘帶來極大的安全隱患，也嚴(yán)重威脅煤礦設(shè)備及其人員的安全。大傾斜煤層采空區(qū)的勘查解釋較傾斜、緩傾斜煤層采空區(qū)的勘查解釋復(fù)雜。通過正演模擬驗(yàn)證了可控源音頻大地電磁測(cè)深法探測(cè)大傾斜煤層采空區(qū)的可行性，結(jié)合可控源音頻大地電磁測(cè)深法在貴州六盤水某煤礦和遵義某煤礦大傾斜煤層進(jìn)行采空區(qū)勘查，從理論和實(shí)例驗(yàn)證了該方法在大傾角煤層采空區(qū)勘探中的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：CSAMT；大傾斜煤層；采空區(qū)；正演模擬

中圖分類號(hào)：P631文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.12128/j.issn.16726979.2023.05.008

引文格式：杜賢軍，李海波，韓冬.可控源音頻大地電磁測(cè)深法在大傾斜煤層采空區(qū)勘查中的應(yīng)用［J］.山東國土資源，2023，39（5）：5458.DU Xianjun， LI Haibo， HAN Dong. Application of Controllable Source Audio Magnetotelluric Sounding Method in the Exploration of Goaf in Highly Inclined Coal Strata［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（5）：5458.

0引言

煤礦采空區(qū)的塌陷、涌水是嚴(yán)重危害礦山安全的地質(zhì)災(zāi)害因素，不明采空區(qū)給煤礦正常開采帶來了極大的安全隱患，嚴(yán)重威脅煤礦設(shè)備和人員的安全［1］。隨著采掘工程的延伸，已探明的緩傾斜煤層及傾斜煤層越來越少，許多地方開始開采大傾斜煤層，因此對(duì)于大深度大傾斜煤層采空區(qū)的勘查研究尤為重要［24］。目前，用于采空區(qū)勘查的方法主要有：高密度電法、瞬變電磁法（TEM）、可控源音頻大地電磁測(cè)深法（CSAMT法）、地震勘探等。可控源音頻大地電磁測(cè)深法具有分辨率高、探測(cè)深度范圍大、抗干擾強(qiáng)、橫向及縱向分辨相對(duì)高、對(duì)低阻反映敏感以及工作效率高等優(yōu)點(diǎn)［59］。目前，廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘查和工程勘探、金屬礦產(chǎn)勘探和石油勘探、水文地質(zhì)勘探等領(lǐng)域［515］，也成為了煤礦采空區(qū)勘探的一種常用方法。

目前，有限差分法（FDM）、積分方程法（IEM）和有限單元法（FEM）是用于三維電磁正演的主要的3種數(shù)值模擬方法［16］。有限單元法因?yàn)槠淠M網(wǎng)格的多樣性，可精確模擬地形起伏、不規(guī)則異常體形態(tài)而備受關(guān)注，國內(nèi)外諸多學(xué)者采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格開展了三維電磁有限元正演模擬，相關(guān)理論已比較成熟［1620］。首先研究大傾斜煤層采空區(qū)的可控源音頻大地電磁測(cè)深法響應(yīng)，采用湯文武等［15］發(fā)展的基于電場(chǎng)方程和非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格的矢量有限元算法進(jìn)行正演模擬，該方法結(jié)合非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)和散度校正技術(shù)，具有高精度、高計(jì)算效率、可精確模擬任意復(fù)雜模型等特點(diǎn)。然后，利用大傾斜煤層采空區(qū)的可控源音頻大地電磁測(cè)深法正演模擬結(jié)果作為理論指導(dǎo)依據(jù)，分析了大傾斜煤層采空區(qū)的可控源音頻大地電磁測(cè)深法響應(yīng)特點(diǎn)，應(yīng)用到2個(gè)具有大傾斜煤層采空區(qū)的案例中，探討了可控源音頻大地電磁測(cè)深法對(duì)大傾斜煤層及其采空區(qū)的勘探效果及其可行性。

大傾斜煤層模型如圖1所示，場(chǎng)源設(shè)為沿著x方向的電偶源（置于原點(diǎn)），第一層為低阻覆蓋層，電阻率為30Ω·m，厚度為100m。下層基巖層電阻率為200Ω·m，有陡傾斜三層煤層，煤層厚度均設(shè)為5m，煤層沿x方向（垂直yz平面向內(nèi)）展布為1km。為了模擬采空區(qū)（充水）和未采空（煤層）時(shí)的可控源電磁響應(yīng)特征，通過煤層區(qū)設(shè)置不同電阻率數(shù)值來改變模型：無采空區(qū)時(shí)；某一煤層采空；三層煤層采空。

1正演模型

采用基于電場(chǎng)方程和非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格的矢量有限元算法，正演各個(gè)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，模型非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格剖分如圖2所示。將各個(gè)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)綜合形成了圖3，3種情況下正演模擬獲取的視電阻率擬斷面圖。斷面圖橫軸為y，縱軸為以覆蓋層電阻率通過換算得到的趨膚深度。分析圖3（a）可知，在無采空區(qū)的斷面中，視電阻率呈現(xiàn)層狀無明顯變化；當(dāng)煤層采空且充水時(shí)，視電阻率值明顯變小，與圍巖存在較大的電性差異，從圖3（b）可知，中間區(qū)域?qū)?yīng)的低阻區(qū)域與采空區(qū)賦存位置吻合。當(dāng)多層煤層同時(shí)開采形成采空區(qū)時(shí)，視電阻率等值線梯度變大。從視電阻率斷面上，正常情況下煤層未采動(dòng)情況下，地層的電性具有一定的規(guī)律，在視電阻率斷面圖（圖3）視電阻率等值線呈層狀分布。若存在煤層采空區(qū)時(shí)，視電阻率值會(huì)發(fā)生急劇變化，視電阻率等值線呈現(xiàn)“U”“V”字形或“串珠”形等梯度變化帶。從理論上可通過可控源電磁方法可探測(cè)大深大傾斜煤層采空區(qū)。從圖3可知采空區(qū)影響的視電阻率異常帶沿著深度方向延伸且范圍比實(shí)際要大。

2應(yīng)用案例

我國大傾斜煤層主要分布在貴州、新疆、甘肅等地，這些地方大部分地形相對(duì)復(fù)雜，研究CSAMT法在大傾斜煤層采空區(qū)勘查中的應(yīng)用有重要的意義。

2.1六盤水某煤礦

研究區(qū)地層老至新有二疊紀(jì)峨眉山玄武巖組、龍?zhí)督M、三疊紀(jì)飛仙關(guān)組及第四系。

研究區(qū)內(nèi)發(fā)育大田壩向斜，大田壩向斜位于礦區(qū)內(nèi)北東部，走向NW、傾向NE；該向斜NE翼地層傾向SSW，地表傾角30°～40°，但55～66號(hào)鉆孔一線，沿T1f1與T1f2分界線出現(xiàn)一巖層變陡帶，一般傾角60°～80°。向斜軸面傾向NE，傾角75°左右。

研究區(qū)煤層沉積系列清晰，地層相對(duì)穩(wěn)定。在正常的地層組合條件下，橫向與縱向的電性變化相對(duì)穩(wěn)定。煤礦采動(dòng)后，形成采空區(qū)，上部巖層結(jié)構(gòu)容易受采動(dòng)破壞，出現(xiàn)松動(dòng)、開裂和崩塌現(xiàn)象，造成原始地層的也必然會(huì)受到破壞，這些地區(qū)的電阻率值發(fā)生變化，顯示原有地層電性的差異。其地球物理特征如表1：

本次CSAMT法施工參數(shù)為：工作頻率1～9 600Hz，共選擇了44個(gè)避開50Hz工頻及其倍頻的頻點(diǎn)，并且頻率點(diǎn)分布均勻，每個(gè)頻點(diǎn)采集時(shí)間為60 s，收發(fā)距r為8～9km，發(fā)射偶極距AB為1600m；高頻最小發(fā)射電流為9 A，低頻最大發(fā)射電流為18A；接收端偶極距為20m，點(diǎn)距20m。

在圖4為該礦開展的采空區(qū)CSAMT法勘查斷面圖。該區(qū)地層整體傾角相對(duì)較大，在整個(gè)視電阻率斷面圖中，地層分層信息清晰，其電性分層與本區(qū)的實(shí)際地層傾向一致。但從上至下視電阻率斷面呈現(xiàn)高—低—高的變化趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)地層分別為三疊紀(jì)飛仙關(guān)組、龍?zhí)督M，二疊紀(jì)峨眉山玄武巖組地層的電性反映（粗黑線為地層界限）。根據(jù)地質(zhì)資料和煤層視電阻率變化特征，該大傾斜煤層采空區(qū)位置的視電阻率明顯低于正常煤層，結(jié)合大傾斜煤層采空正演模擬圖3（b）和圖3（c）結(jié)果分析，在樁號(hào)1440～1840m，標(biāo)高1120～1480m，視電阻率等值線梯度變化較大且呈現(xiàn)相對(duì)低阻，推斷該處煤層已采空并有積水；淺部及深部相對(duì)高阻層推斷為正常煤層的反映，深部有玄武巖組地層與龍?zhí)督M地層呈現(xiàn)明顯電性分層界面，清晰反映了探測(cè)區(qū)地層的傾向。該解釋成果比礦方實(shí)際的采空區(qū)略大，主要為大傾斜煤層采掘引起附近圍巖發(fā)生塌落、破碎，從而導(dǎo)致了其地球物理特征發(fā)生變化。另在飛仙關(guān)組存在一低阻閉合圈，推斷為裂隙發(fā)育區(qū)。

后期在L21線樁號(hào)1630m附近，布置一鉆孔，在深度10m以淺主要為第四系的黏土，10～360.5m主要為砂巖、泥巖、粉砂巖以及煤層，360.5～364m采空區(qū)，與斷面解釋基本一致。

2.2遵義某煤礦

研究區(qū)出露地層主要為：二疊紀(jì)茅口組、龍?zhí)督M、長(zhǎng)興組，三疊紀(jì)夜朗組，低洼及緩坡地帶有第四系沖積、殘積、坡積物分布。

研究區(qū)位于黔北煤田中部、金沙向斜北西翼南段，北部外圍為長(zhǎng)崗向斜南西翼，金沙向斜呈NE—SW向展布?？傮w呈一寬緩的單斜構(gòu)造，地層走向?yàn)榻麼E向，傾向SE；地層傾角50°～67°，一般60°，勘查區(qū)內(nèi)僅有小型褶曲及斷層發(fā)育。其地球物理特征如表2：

研究區(qū)CSAMT法施工參數(shù)為：工作頻率1～9 600Hz，共選擇了44個(gè)避開50Hz工頻及其倍頻的頻點(diǎn)，并且頻率點(diǎn)分布均勻，每個(gè)頻點(diǎn)采集時(shí)間為60 s，收發(fā)距r為6～8 km，發(fā)射偶極距AB為2 000 m；高頻最小發(fā)射電流為6 A，低頻最大發(fā)射電流為15 A；接收端偶極距為20 m，點(diǎn)距20 m。

從圖5可以看出：視電阻率等值線總體傾向SE，由淺到深，視電阻率逐漸增大，分別為第四系、夜郎組、長(zhǎng)興組灰?guī)r、龍?zhí)督M含煤地層、茅口組灰?guī)r地層的電性反映。長(zhǎng)興組的巖性電性，視電阻率在30～1500 Ω·m；龍?zhí)督M煤系地層，視電阻率在3000～6000Ω·m。

在整個(gè)視電阻率斷面圖中，地層分層信息清晰，其電性分層與本區(qū)的實(shí)際地層傾向一致。在測(cè)線中部，標(biāo)高1600～1800m，其上方視電阻率等值線呈梯度變化，水平方向等值線呈“U”字形異常且視電阻率值呈現(xiàn)相對(duì)低阻，推斷為煤層采動(dòng)的電性反映。由于視電阻率的體積效應(yīng)，視電阻率異常區(qū)比煤層采動(dòng)區(qū)要大，采空區(qū)在CSAMT法反映的視電阻率異常帶沿著深度方向延伸范圍比實(shí)際要大。

后期在該線樁號(hào)250m附近，布置一鉆孔，深度580m。在深度40m以淺巖性主要第四系及夜郎組的黏土及泥巖、粉砂巖，深度40～220m主要長(zhǎng)興組的泥巖、灰?guī)r，深度220～570m為龍?zhí)督M的粉砂巖、泥巖，其中深度440～443m揭露采空區(qū)，與斷面解釋基本一致。

通過以上2個(gè)案例：CSAMT法反映采空區(qū)明顯，在煤層整體埋藏深度相對(duì)較大時(shí)，采空區(qū)位置，斷面圖中視電阻率曲線相對(duì)凌亂且視電阻率相對(duì)低阻，能夠較好反映出采空區(qū)的電性特征。

3討論

通過探測(cè)實(shí)踐分析，CSAMT法探測(cè)大傾斜煤層采空區(qū)反映明顯，經(jīng)礦方鉆探驗(yàn)證可靠。

（1）從理論正演模擬和實(shí)際勘查結(jié)果說明CSAMT法探測(cè)大采深大傾斜煤層采空區(qū)是可行的。

（2）在物性剖面方面，表現(xiàn)出的物探異常形態(tài)與煤層不能簡(jiǎn)單的直接對(duì)應(yīng)，其綜合了采動(dòng)對(duì)地層的綜合影響，可能異常范圍大于煤層采空區(qū)實(shí)際范圍，主要為大傾斜煤層采掘引附近圍巖易受2個(gè)方向重力作用發(fā)生坍塌、破碎，從而導(dǎo)致了其原有的地球物理特征發(fā)生變化。

（3）采空區(qū)在CSAMT法反映的視電阻率異常帶上沿著深度方向延伸范圍比實(shí)際要大，成果分析應(yīng)結(jié)合采掘資料，圈定采空區(qū)的實(shí)際邊界。

（4）正常情況下，視電阻率等值線呈現(xiàn)層狀分布；當(dāng)深部存在采空區(qū)后，視電阻率等值線形態(tài)發(fā)生扭曲變形。

（5）對(duì)于大傾角煤層采空區(qū)探測(cè)，測(cè)點(diǎn)距離不宜過大，必要時(shí)應(yīng)對(duì)局部邊界進(jìn)行加密探測(cè)，確保探測(cè)的精度。

4結(jié)論

（1）建立了切合實(shí)際的大傾斜煤層采空區(qū)模型，并采用了三維有限元法正演了其CSAMT響應(yīng)特征。

（2）應(yīng)用六盤水某煤礦和遵義某煤礦2個(gè)實(shí)例說明，CSAMT法探測(cè)大傾斜煤層采空區(qū)是可行的，可以在同類煤礦中推廣應(yīng)用。

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Application of Controllable Source Audio Magnetotelluric Sounding?Method in the Exploration of Goaf in Highly Inclined Coal Strata

DU Xianjun， LI Haibo， HAN Dong

（No.5 Exploration Brigade of Shandong Coalfield Geology Bureau， Shandong Provincial Mine Disaster Prevention and Emergency Rescue Survey Center， Shandong Ji'nan 250100， China）

Abstract：The mined-out areas will not only bring great hidden dangers to normal mining of coal mines， but also seriously threaten the safety of coal mine equipment and its personnel. The exploration and interpretation of large inclined coal layers in mined-out areas is more complex than that in inclined and gently inclined coal layers. Through forward simulation， the feasibility of CSAMT method in detecting the mined-out aeras of large acute inclined coal layers has been verified. Combining with controllable source audio geodesymetry， exploration in a large inclined coal layers in coal mines in Liupanshui and Zunyi has been carried out. It will verify the feasibility and effectiveness of the method in the exploration of large inclination coal layers in mined-out areas theoretically and practically.

Key words：CSAMT；highly inclined coal strata；mined-out areal；forward modeling