綜合物探對多煤層采空區(qū)綜合勘查對比研究

杜賢軍 牛浩 李明陽 韓冬

摘要：為了探明多煤層采空區(qū)分布，利用地震波頻率諧振勘探法及可控源音頻大地電磁測深法進行綜合勘查。本文闡述了地震波頻率諧振勘探法及可控源音頻大地電磁法的方法原理以及采空區(qū)的地球物理特征，結(jié)合實際案例，從波阻抗斷面圖及視電阻率斷面圖，分析了采空區(qū)的異常特征并圈定采空區(qū)范圍，后經(jīng)鉆探驗證，推斷結(jié)果與實際情況基本吻合，并對兩種勘探方法的優(yōu)缺點進行了分析。本次研究將地震波頻率諧振勘探技術(shù)應(yīng)用于多煤層采空區(qū)的探測取得了良好的效果，對多煤層采空區(qū)的探測有很重要的借鑒和指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：采空區(qū)；波阻抗；視電阻率；地震波頻率諧振勘探;可控源音頻大地電磁法

中圖分類號：P631????文獻標(biāo)識碼：A????doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2024.02.005

引文格式：杜賢軍，牛浩，李明陽，等.綜合物探對多煤層采空區(qū)綜合勘查對比研究［J］.山東國土資源，2024，40（2）：2732. DU Xianjun， NIU Hao， LI Mingyang， et al. Comprehensive Geophysical Exploration and Comparative Study of Multi-coal Strata Goaf Area［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（2）：2732.

0?引言

隨著我國工業(yè)進程的不斷推進，對于能源的需求量不斷加大。煤炭是我國今后一段時間的主要能源，但我國煤炭出產(chǎn)地煤層大多以多層結(jié)構(gòu)賦存。我國很多煤礦由于歷史原因建礦初期采煤方法不正規(guī)，為了出煤快，早見效益，首先開采的是主要大巷附近的煤層，而且沒有遵循正規(guī)采煤順序，形成多層采空區(qū)，為煤礦后期生產(chǎn)帶來不少安全隱患。隨著時代的發(fā)展，煤礦對安全生產(chǎn)意識的重視，查明歷史采空區(qū)的范圍及富水性尤為重要。對于多層采空區(qū)勘查是當(dāng)今物探勘查研究的熱點，常規(guī)電法及電磁法橫、縱分辨低且易受地表干擾，不易對多層采空區(qū)進行解譯。而地震波頻率諧振能夠同時對多層采空區(qū)具有良好的分辨能力。本次采用地震波頻率諧振勘探技術(shù)（SFRT技術(shù)）和可控源音頻大地電磁法（CSAMT）進行勘探，分析研究勘查區(qū)內(nèi)采空區(qū)的地球物理特征，進而查明其空間分布情況，分析兩種方法在多層采空區(qū)勘查的優(yōu)缺點，為多層采空區(qū)勘查提供一種方案。

1?方法原理

1.1?SFRT勘探原理

地震波頻率諧振勘探技術(shù)（SFRT技術(shù)）［112］是近幾年來在傳統(tǒng)地震勘探基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的地球物理勘探方法，可以進行無源方式施工，具有勘探深度大，分辨率高、施工相對方便的特點。其基本原理是根據(jù)地下不同地層及地質(zhì)體具有各自不同的頻率諧振的特性進行勘探，通過提取地層的波阻抗參數(shù)（波速和密度），來分辨目標(biāo)地質(zhì)體的勘探方法。地下地層及地質(zhì)體均具有其固有的頻率，其頻率特性由其形狀、組分以及屬性（波速和密度）不同而不同，自然界賦予了不同物體固有頻率。物體會對不同的振動，做出不同的對應(yīng)的反應(yīng)，當(dāng)物體的自身固有頻率與其受到的振動頻率相一致時，物體將發(fā)生類似于共振現(xiàn)象，放大振動的幅度，此時，可以說物體產(chǎn)生了共振（諧振），這些響應(yīng)中包含了地下介質(zhì)的信息。通過分析這些響應(yīng)中的特征頻率、幅度和相位等參數(shù)，可以建立地下模型，進而推測其物性參數(shù)、巖層分布、儲層性質(zhì)等地質(zhì)信息。地震波頻率諧振勘探技術(shù)主要用于礦產(chǎn)勘查、地質(zhì)災(zāi)害勘查、油氣資源勘查、井壓裂勘查以及采空區(qū)勘查中，成為地質(zhì)勘查中一種主要方法。

1.2?CSAMT法原理

CSAMT法是在AMT法及MT法基礎(chǔ)上改進的一種人工控制場源的電磁測深法。該方法通過改變發(fā)射端的頻率來達到探測不同深度的目的。該方法具有生產(chǎn)效率高，抗干擾能力強，勘探深度可達到2km，水平方向分辨率高且不受高阻層屏蔽等優(yōu)點。近年來，廣泛用于地?zé)峥辈榧安煽諈^(qū)勘查中［1320］。

2?勘查區(qū)地質(zhì)及地球物理特征

2.1?地質(zhì)概況

勘查區(qū)位于構(gòu)造侵蝕堆積地形的Ⅱ級超河漫灘階地之上，地勢較為平坦，地面標(biāo)高485～491m。區(qū)內(nèi)以往地質(zhì)勘查成果鉆孔揭露，區(qū)內(nèi)地層由老至新主要有中生界下白堊統(tǒng)九佛堂組、阜新組及新生界第四系。九佛堂組主要巖性：底部為一層厚層安山質(zhì)礫巖夾砂巖、頁巖，下部為薄層凝灰質(zhì)粉砂巖、紙片狀頁巖、凝灰質(zhì)頁巖，中、上部為砂巖、粉砂巖與頁巖、粉砂質(zhì)頁巖、泥巖不等厚互層；阜新組（為區(qū)內(nèi)主要含煤地層）主要巖性為煤層及細砂巖；第四系主要巖性為礫石層及粘土，厚0～80 m（圖1）。

勘查區(qū)含有6個煤組11個可采煤層，即42、4、52、5、62、61A、61、6、60、71及7煤層本次主要針對4、52、5、62煤層進行勘查。

勘查區(qū)煤礦初期由于采煤方法不正規(guī)，采用的是房柱式采煤方式，開采的是主要大巷附近的煤層，而且沒有遵循由上而下的正規(guī)采煤順序，主要開采4煤、52煤和5煤煤炭資源。

勘查區(qū)地層呈單斜構(gòu)造，地層走向SN、傾向E、傾角8°～18°，一般為12°，地層平緩。勘查區(qū)外部有3條斷層，勘查區(qū)內(nèi)斷裂及褶曲構(gòu)造不發(fā)育。

2.2?地球物理特征

2.2.1?波阻抗特征

黏土的波阻抗一般小于1 000 kg/（m2·s）；玄武巖、礫石層的波阻抗一般在1 800～4 000 kg/（m2·s）；砂巖、泥巖、粉砂巖的波阻抗一般在1800～4 000 kg/（m2·s）之間；煤層、煤層采空區(qū)的波阻抗范圍為500～2000kg/（m2·s），與圍巖存在明顯的波阻抗差異。

煤層采空區(qū)在地震上的地球物理特征主要取決于采空區(qū)與圍巖之間存在波阻抗差異。當(dāng)采空區(qū)形成后，頂板的巖層出現(xiàn)跨落、破碎并伴隨裂隙產(chǎn)生，且采空冒落區(qū)域通常充填碎石、空氣和水，造成與周圍的巖層密度和速度發(fā)生變化，與原有巖層的密度和速度存在明顯的差異。由于斷裂帶和彎曲帶巖石上的應(yīng)力的變化，這兩個區(qū)域的巖石大多是松散的，其波阻抗在一定程度上降低。煤系地層與軟弱巖石交錯，與正常完整巖石相比，呈現(xiàn)低密度及低速度異常，其波阻抗異常相對明顯［16］。

2.2.2?電性特征

第四系：巖性為礫石層及黏土，電阻率一般在50～500Ω·m;阜新組煤層及細砂巖，電阻率一般在100～1 000Ω·m;九佛堂組泥巖，電阻率一般在500～2000Ω·m。

當(dāng)煤層采動形成采空區(qū)后，改變了圍巖原有的電性特征，電阻率值與非采空區(qū)有明顯的差別，當(dāng)煤層采空區(qū)充水時形成低阻反映，從而為電法勘探尋找采空區(qū)提供了地球物理依據(jù)。

3?數(shù)據(jù)采集

本次物探采用CSAMT法和SFRT技術(shù)兩種方法。地震波頻率諧振勘探進行面積性勘探，網(wǎng)度為40 m×20 m，布置測線16條；CSAMT法主要用于采空區(qū)富水性進行評價，網(wǎng)度為80 m×20 m，布置測線8條。其中L1、L3、L5、L7、L9、L11、L13、L15線位置同時施工了地震波頻率諧振勘探和CSAMT法施工。

SFRT技術(shù)采用北京派特森FRTIMGⅠ型采集站，本采集站內(nèi)置頻帶寬度為0.05～150 Hz的檢波器；施工前對道間幅度進行一致性試驗，保證各道間幅度一致性及道間相位符合規(guī)范要求［16］，點距20 m，采集時長為18 min。

CSAMT法勘探采用儀器V8多功能電法工作站，野外采用赤道偶極裝置。工作頻率1～9 600 Hz，共選擇了44個避開50Hz工頻及其倍頻的頻點，并且頻率點分布均勻，每個頻點采集時間為60 s，收發(fā)距r為8～9 km，發(fā)射偶極距AB為1 600 m；高頻最小發(fā)射電流為9 A，低頻最大發(fā)射電流為18 A；接收端偶極距為20 m，點距20 m。

4?資料處理

4.1?SFRT數(shù)據(jù)處理

本次地震波頻率諧振主要經(jīng)過以下處理步驟：

（1）波場整形及波場一致性校正：對采集的原始數(shù)據(jù)進行濾波處理。

（2）波場疊加及波場平衡：主要通過傅里葉變換將時間序列數(shù)據(jù)變換為頻率域數(shù)據(jù)并進行多次疊加。

（3）波場頻率分析及波場分離：對多次疊加的各分量頻率數(shù)據(jù)進行噪音處理及磨光處理。

（4）深度與波阻抗率反演：進行諧振遴選和深度分析，最后獲得測線的波阻抗斷面圖。

4.2?CSAMT法數(shù)據(jù)處理

本次CSAMT法數(shù)據(jù)處理包括以下幾個步驟：

（1）對觀測的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理（包括數(shù)據(jù)解編、信號的回放檢查等）。

（2）將各場量的時間域信號轉(zhuǎn)換為頻率域測深曲線。

（3）張量阻抗的性質(zhì)及計算。

（4）進行場源校正以及靜態(tài)位移校正，對得到的數(shù)據(jù)進行二維反演生成視電阻率斷面圖。

5?資料解釋

5.1?SFRT資料解釋

圖2b為地震波頻率諧振視波阻抗成果圖。在淺部，波阻抗小于1000kg/（m2·s），為第四系黏土的反映；在標(biāo)高450m以淺，存在一層波阻抗高值條帶，推斷為礫石層波阻抗的反映；在標(biāo)高430～440 m，波阻抗突變帶，且波阻抗為相對低值，結(jié)合已知資料為第四系底界面的反映。在標(biāo)高430 m以深，波阻抗等值線呈層狀分布，與實際地層反映一致，呈單斜特征，整體地層傾角約為13°。圖中存在數(shù)條高低相間的低波阻抗特征，為煤層低速、低密度的反映，結(jié)合已知資料，推斷分別為4煤層、52煤層、5煤層、62煤層的反映，煤層之間的相對高波阻抗區(qū)域主要為砂巖、泥巖的反映。其中在標(biāo)高220～280 m，樁號71 800～71 970 m位置，5煤層賦存位置，該異常區(qū)波阻抗值在1 200 kg/（m2·s）左右，呈現(xiàn)相對低值，推斷該處煤層采空且塌陷，且該塌陷發(fā)育的裂隙影響至到52煤層；樁號71 860～72 140 m，52煤層賦存位置，波阻抗呈現(xiàn)相對低值，推斷為52煤層采空區(qū)的影響；另在樁號71 850～72 140 m，4煤層賦存位置，存在相對低波阻抗區(qū)域，推斷為4煤層采空區(qū)的影響范圍。

5.2?CSAMT資料解釋

在圖2a CSAMT勘查斷面圖中，視電阻率整體從上往下呈現(xiàn)由低逐漸變高的趨勢。整體視電阻率等值線呈層狀分布，呈單斜特征，與實際地層反映一致，傾角約13°。標(biāo)高450 m以淺，視電阻率小于50 Ω·m，呈現(xiàn)相對低阻，為第四系的電性反映。在標(biāo)高450 m以深，視電阻率呈現(xiàn)相對高阻，為中生界下白堊統(tǒng)九佛堂組及阜新組的電性反映。在樁號71 800～72 140 m，標(biāo)高200～350 m，視電阻率等值線梯度變化較大變化，推斷為煤層采空區(qū)的影響范圍，但該區(qū)域從上至下賦存4煤層、52煤層、5煤層，無法具體反映各煤層采空區(qū)的具體位置。

5.3?分析對比及成果驗證

為驗證采空區(qū)的真實情況，在6煤層掘進巷道（物探施工區(qū)間，該位置巷道還未開拓）沿上山樁號71 820～72 100 m向山上布置鉆孔7個ZK01—ZK07，分別位于樁號71 820 m、樁號71 860 m、樁號719 00 m、樁號71 940 m、樁號72 040 m、72 080 m、樁號72 120 m鉆孔間距不一，所有鉆孔均鉆至4煤層。其中ZK01只揭露了5煤層采空區(qū)，ZK02、ZK03、ZK04鉆孔揭露了5煤層、52煤層、4煤層采空區(qū)，ZK05、ZK06、ZK07鉆孔揭露了52煤層、4煤層采空區(qū)。

揭露采空區(qū)在地震波頻率諧振呈現(xiàn)波阻抗低值閉合圈，在CSAMT法斷面圖中呈現(xiàn)相對低阻。在CSAMT法斷面圖中，5煤層在樁號71 970～72 140 m賦存完好，視電阻率與采空區(qū)無明顯差異，煤層間距較小，CSAMT法在垂向上無法分辨采空區(qū)；在地震波頻率諧振中，5煤層在樁號71 970～72 140 m與采空區(qū)位置差異明顯。

7個鉆孔揭露的采空區(qū)位置及深度，與地震波頻率諧振勘探法解譯相對吻合較好（圖2c）。而可控源音頻大地電磁法只反映該區(qū)域整體呈現(xiàn)相對低阻，控制了采空區(qū)的整體邊界，無法具體確定異常的垂向深度。

6?結(jié)論

（1）CSAMT法具有施工便利，生產(chǎn)效率高，勘探深度最大可達2 000 m，水平方向分辨率高等特點，可以大致對地層進行層位劃分、圈定采空區(qū)及構(gòu)造的位置。但是由于采空區(qū)厚度小，體積效應(yīng)影響，對于多煤層采空區(qū)勘查，能夠確定采空區(qū)邊界范圍，垂向分辨能力達不到劃分多層采空區(qū)，無法確定煤層具體采掘情況，需結(jié)合勘查區(qū)內(nèi)其他資料或則其他方法補充勘查才能進行解釋判斷。

（2）地震波頻率諧振勘探技術(shù)（SFRT法）具有施工靈活，可以單點施工，不受地形限制，抗干擾能力強，勘探深度大，水平方向和垂向都相對靈敏，尤其對煤層及煤層采空具有異于圍巖低波阻抗響應(yīng)，通過地震波頻率諧振勘探可精準(zhǔn)確定煤層及采空埋深、導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度以及采空水平邊界。

相比可控源音頻大地電磁測深法，地震波頻率諧振勘探技術(shù)對多煤礦采空區(qū)勘探分辨率更高。地震波頻率諧振不但能夠解譯多層煤層賦存位置，而且能夠反映多煤層中每一層煤層采空區(qū)的邊界及其影響范圍，但可控源音頻大地電磁測深法受體積效應(yīng)影響無法查明多煤層采空區(qū)具體情況。

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Comprehensive Geophysical Exploration and Comparative Study of Multi-coal Strata Goaf Area

DU Xianjun， NIU Hao， LI Mingyang， HAN Dong

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

Abstract：In order to explore the goaf area and situation of multiple coal seams， the seismic wave frequency resonance exploration method and the controllable source audio geodetic electromagnetic bathymetry method are used for comprehensive exploration. In this paper， the method principle of seismic wave frequency resonance exploration method， controllable source audio geodetic electromagnetic bathymetry method and physical characteristics of the goaf have been explained. Combining with actual cases， the abnormal characteristics of the goaf have been analyzed from the wave impedance section and apparent resistivity section， and the goaf area has been delineated. The inferred results are consistent with actual situation after drilling verification， and the advantages and disadvantages of the two exploration methods have been analyzed. In this study， the application of seismic wave frequency resonance exploration technology to the detection of multi-coal seam goaf has achieved good results. It has important references and guiding significance for the detection of multi-coal seam goaf.

Key words：Goaf; wave impedance; apparent resistivity; seismic wave frequency resonance exploration; controllable source audio geodetic electromagnetic bathymetry

收稿日期：20230628；修訂日期：20231207；編輯：王敏基金項目：山東省煤田地質(zhì)局“地震波頻率諧振在煤田地質(zhì)不良地質(zhì)現(xiàn)象的研究與識別”，魯煤地科字〔2023〕8號作者簡介：杜賢軍（1983—），男，江西撫州人，高級工程師，主要從事電磁法勘查工作；Email：187315076@QQ.com