可控源音频大地电磁测深法在煤矿采空区 积水区勘查中的应用

可控源音频大地电磁测深法在煤矿采空区积水区勘查中的应用黄启春;景朋涛
【摘要】为了查明地下采空区和积水区的分布范围,为安全生产提供科学依据.本文以鄂尔多斯某煤矿采空区及积水区勘查项目为例,介绍了可控源音频大地电磁测深法的基本原理及方法特点,通过对探测实例的分析,结合该矿区地质情况,基本查清该矿采空区的位置、分布范围及深度.探测结果与煤田采掘工程图基本吻合,说明了可控源音频大地电磁测深法在探测煤矿采空区及积水区方面运用效果的有效性.【期刊名称】《工程地球物理学报》
【年(卷),期】2012(009)003
【总页数】5页(P296-300)
【关键词】可控源音频大地电磁测深法;采空区;积水区
【作者】黄启春;景朋涛
【作者单位】山东正元地理信息工程有限责任公司,山东济南250101;山东正元地理信息工程有限责任公司,山东济南250101
【正文语种】中文
【中图分类】P631.3
20世纪80年代，不少煤矿开采多采用“房柱式”或“巷柱式”的开采方式，煤矿开采后形成采空区，特别是一些小煤窑的无序开采，采空区的范围和形态都没有详细的数据记录。

有些老采空区的顶板已经垮落，造成地面塌陷；有的采空区已经
积水[1]。

这些问题的存在必将为邻近工作面的开采带来重大的安全隐患，煤矿采空区探测已引起社会和煤炭行业的高度重视，地球物理勘查是采空区探测的重要手段之一，可控源音频大地电磁测深法CSAMT(Controlled Source Audio-frequency MagnetoTellurics)是20世纪80年代末兴起的一种地球物理勘探新技术。

该方法勘探范围大，垂向分辨能力高，CSAMT法使用的是交变电磁场，它可以穿过高阻层，特别是高阻薄层，有些无法用直流电法探测到的高阻薄层下的地质体，用CSAMT法能很好地反映。

这一新技术已经在煤田地质灾害防治、地下水资源调查、工程物探等领域中运用取得了显著的效果。

1 CSAMT法的基本原理及方法特点
可控源音频大地电磁(CSAMT)法是在音频大地电磁法(AMT)基础上发展起来的一种人工源频率测深方法[2]，其原理与常规大地电磁测深((MT)类似，是针对天然电磁场信号弱的特点，采用可控制人工发射源方式，利用发射电偶极AB(一般1～3km)向地下发送不同频率的交变电流，形成交变电磁场，在距离场源足够远的地方通过测量相互垂直的电场信号Ex和磁场信号Hy，根据Cagniard公式求得地下介质的视电阻率和阻抗相位[3,4]：
(1)
式中：f为发射频率，单位Hz；ρs为视电阻率，单位Ω·m；Ex为X方向的电场强度，单位V/m；Hy为Y方向的磁场强度，单位A/m；φ为阻抗相位，单位rad。

CSAMT法中以Cagniard命名计算视电阻率，ρs是主要物理量。

频率与深度的关系是CSAMT法资料解释的一个主要问题，探测深度在某种意义来说与电磁波在介质中的穿透深度有关，探测深度是一个比较模糊的概念，根据电磁波的趋肤效应理论，结合非均匀介质和均匀分层介质的情况，它大体上是指某种测深方法的体积平均探测深度，较好的经验公式是Bostick深度公式：
(2)
上式说明，当大地电阻率结构一定时，通过改变接收与发送电磁信号的频率，可得到不同深度的地电信息，从而达到电阻率垂向测深的目的。

由于CSAMT法是采用主动源的地球物理方法，野外采集数据质量高、重复性好，可在强干扰区开展工作，解释与处理方法简单、解释剖面横向分辨率高，该方法具有以下主要特点[5，6]：
1)勘探深度范围大。

根据不同地质目的及地电条件，CSAMT方法的勘探深度可以灵活控制：工作中依据当地电性特征设定测量频点的上下限并调整收发距离，一般可将勘探深度限定在0.03～2.5km范围内的某个区段。

2)分辨能力高。

垂向分辨率(电性层或目标地质体厚度与埋深之比)可达10%；一般的人工场电法勘探方法的水平分辨率除受客观因素的制约外，还受到收-发距及接
收电偶极子大小的影响。

为了增大勘探深度，不得不增加收-发距，与此同时，水
平分辨能力就降低了。

而CSAMT法的水平分辨能力与收-发距无关，粗略地说，
约等于接收偶极子距离。

3)低阻敏感性。

CSAMT法使用地是交变电磁场，它可以穿过高阻层，特别是高阻薄层。

有些无法用直流电法探测到的高阻薄层下的地质体，用CSAMT法能得到较好的反映。

4)地形影响小。

由于接收时所测值进行了归一化处理，因而地形影响大为减弱，且易于校正。

5)工作效率高。

用一个发射偶极子供电，可以在它两侧的一个很大的扇形区域内进行测量，而且每一个测量点都是一个测深点。

在山区工作或者交通不便的地区，可以根据实际地形，选择合适的地方布好供电偶极，在进行测量时，只需移动接收机，便可进行扫面性的测深工作。

2 野外工作方法与技术
2.1 场源位置选择
场源位置选择应尽量使测点位于最佳测量区域内。

场源的测量区域为平行于测线方向的场源的垂向区和垂直于测线方向的场源的共轴区的公共部分，是一张角为60°左右的扇形区域(图1)。

图1 标量CSAMT法装置示意Fig.1 Scalar CSAMT survey array
2.2 收发距的选择
供电电极A、B主要是向地下供入某一音频的谐变电流I(I=I0e-iωt，其中ω=2πf)，在一侧30°张角的扇形区域内观测。

收发距太近观测资料尾支会出现45°陡峭上升的近场效应，过远则不能保证信号强度。

本次探测9煤层开采深度大约在0～
200m，本次收发距选择大于5～8倍的探测深度，以保证探测深度和避免近场效应。

2.3 观测方法
施工采取标量CSAMT方式。

标量CSAMT测量为布置一个供电场源，在距其5
倍勘探深度以外测点上同时测量互相垂直的水平磁场分量和电场分量，并以(1)式
计算卡尼亚视电阻率及阻抗相位。

标量CSAMT法用于一维或已知构造轴方向的二维地区，一般采用垂直构造走向观测。

3 CSAMT法应用实例
3.1 工程概况
内蒙古某煤矿勘探区面积0.42km2，位于内蒙古自治区鄂尔多斯市鄂托克旗西北
部之桌子山煤田东麓千里山矿区北端。

为了查明5年规划区域(9201、9202、1902、1903、1904工作面)内老采空的分布范围以及积水情况，采用CSAMT法进行探测。

3.2 工区地质及地球物理特征
该矿区范围内大部分被第四系所覆盖，基岩仅零星出露于本区东北及西北部的小山丘顶部，根据钻孔揭露和岩煤层对比结果，区内地层由老到新依次有：太古界千里山群(Ar)、石炭系上统本溪组(C2b)、太原组(C2t)，二叠系下统山西组(P1s)、下石盒子组(P1x)、二叠系上统(P2)及第四系(Q)等。

该矿位于于桌子山背斜北部之东翼．矿区构造形态基本为一向东倾斜的单斜构造，地层倾角20°～30°。

受桌子山煤田大地构造的影响，区内发育两组构造，一组为
近南北向的逆断层，一组为近东西向的逆断层。

根据矿区内钻孔、探槽及巷道见煤点等资料统计，可采煤层主要特征如表1。

3.2.1 煤层开采及覆岩移动破坏的电性特征
测区内第四系松散层厚度约0～10.25m，平均4.81m。

主要为残坡积砂、砾石层、砂土及冲洪积砂、砾石等，与下伏老地层呈不整合接触。

在电性上表现为低电阻率特征。

泥岩、砂质泥岩电阻率变化范围相对较小；砂岩(细砂岩、粉砂岩等)电阻率变化范围较大，煤的电阻率较高。

实际地层电阻率受地层岩性、孔隙裂隙发育程度和含水性影响，会出现不同程度的变化。

煤层开采后的残留巷道或采空区上覆岩层冒落、移动和破坏，产生的大量孔洞、裂缝及离层，上覆岩电阻率值将发生明显的变化。

当残留巷道或覆岩冒落裂隙带中未充水或少量充水，采空区将表现为高电阻率异常特征；当采空区完全充水后，水体不仅充填了老塘，而且也充填了冒落裂隙带，因而在岩体破坏区，其电阻率明显降低，呈现低电阻率异常特征。

由于采空区的存在会破坏正常地层的结构及其完整性，从而改变原有地质体的地球物理特征而形成新的物性特点，与周围原岩体形成明显的电性差异，这就为采用相应的物探方法进行采空区探测奠定了物性基础。

据此，通过探测地下岩层的电阻率及其相对变化，可以判定岩层的结构状态和含水状况。

3.2.2 该矿探测剖面电性特征
1)在9煤采空区分布区域，呈现高阻异常，其反演电阻率大于380Ω·m，而根据地质报告提供的钻孔资料其围岩电阻率一般小于300Ω·m。

2)含水区电性特征主要物探异常表现为积水区的低阻异常特征。

经分析，该矿探测剖面含水区电阻率一般低于50Ω·m。

表1 石炭二叠系可采煤层特征一览Table 1 Characteristics of permo-carboniferous mining coal seam煤层编号煤层自然厚度/m可采厚度/m层间距/m煤层结构(夹矸层数)埋藏深度/m最小～最大平均(点数)最小～最大平均(点数)最小～最大平均(点数)最小～最大平均(点)最小～最大平均(点数)稳定程度可采程度92.73～5.903.82(5)1.99～3.452.73(5)30.76～46.8837.16(5)33.10～
39.0635.48(4)0～62-6(5)45.93～424.40211.09()较稳定全区可采140.20～
2.300.93(5)0.72～1.531.13(2)0～20(5)87.10～468.25252.08(5)较稳定大部可采161.25～2.001.69(4)1.09～1.221.16(2)1～21(4)120.40～292.19198.43(4)较稳定大部可采
3.3 物探典型剖面解释
1)120测线。

测线方向1650～1850桩号段沿9煤层顶底板岩层呈现一相对高电阻率异常体，反演电阻率值大于400Ω·m，依据前述电性特征，推断该段9煤已开采(图2)，为采空区异常反应，采空区边界与采掘工程平面图吻合较好，如图3中的II号异常。

2)测线130。

测线方向1730～1850桩号段标高1250m附近沿9煤底板岩层呈现一相对低电阻率异常体，电阻率值小于50Ω·m，依据前述电性特征，推断该段为9煤底板砂岩含水区。

如图4中的IV号异常。

图2 采掘工程平面Fig.2 Mining engineering plan
图3 120测线反演电阻率断面Fig.3 Inversion resistivity section map of line
120
图4 130测线反演电阻率断面Fig.4 Inversion resistivity section map of line 130
4 结论
1) 本次物探工作采用可控源音频大地电磁法(CSAMT法)，对物探区5年规划区域(9201、9202、1902、1903、1904工作面)内老采空的分布范围以及积水情况进行了探测，根据测线二维反演电阻率断面所呈现的电性异常特征，结合地质资料进行综合分析，基本查清了采空区分布范围及上覆含水砂岩的相对富水情况，达到了探测目的。

2)CSAMT法作为一种人工源电磁法，在利用可控源音频大地电磁法进行煤矿采空区勘探时，应根据工作任务，结合勘探区实际地质和地层电性情况合理选择场源、收发距和采样频率范围。

在保证最佳信噪比的同时，使采集的数据处在远区。

3)引起地下电阻率变化因素很多，在利用可控源音频大地电磁法进行采空区勘探时，需结合勘探区实际的地质、地球物理特征和勘探区其他资料进行综合研究，作出合理的地质解释。

参考文献：
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