可控源音頻大地電磁法在采空區勘探中的應用

李江華 劉超林，2 柳 杰 張小波

（1.中國礦業大學 （北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083；2.保利能源控股有限公司高家莊煤礦，山西省中陽縣，033400）

可控源音頻大地電磁法在采空區勘探中的應用

李江華1劉超林1，2柳 杰1張小波1

（1.中國礦業大學 （北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083；2.保利能源控股有限公司高家莊煤礦，山西省中陽縣，033400）

通過采用可控源音頻大地電磁法對國興煤礦4-1號煤層進行采空區勘探，介紹了可控源音頻大地電磁法的工作原理及其野外數據收集過程，并結合地質條件綜合分析了采空區及積水區范圍，說明了可控源音頻大地電磁法在采空區勘探中的有效性，進而為評價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措施提供可靠依據。

可控源音頻大地電磁法 視電阻率 采空區勘探 積水異常區

1 地質概況

國興煤礦位于朔州市平魯區下面高鄉境內，由山西朔州興泰源煤業有限公司、山西萬成煤業有限公司和山西朔州三家窯煤業有限公司兼并重組而成，重組后礦井設計生產能力為1.2 Mt／a。

1.1 地層分布特征

國興煤礦井田范圍內在溝谷中有少量基巖出露，其余均為黃土覆蓋，根據井田范圍內地層及鉆孔揭露情況并結合精查資料，井田地層由老到新為：奧陶系中統上馬家溝組 （O2s）、石炭系中統本溪組 （C2b）、石炭系上統太原組 （C3t）、二疊系下統山西組 （P1s）、二疊系下統下石盒子組 （P1x）、第四系中上更新統 （Q2＋3）。

井田內4-1煤層已有大面積采空區，4-1煤層上覆砂巖裂隙含水層通過砂巖裂隙、采空裂隙、導水裂隙進入采空區，形成采空區積水。在開采9＃煤層前必須對4-1煤層采空區積水面積及水量進行落實，并進行探放。為查明國興煤礦的4-1煤層老空區分布范圍及采空區的賦水狀況，利用可控源音頻大地電磁法對采空區進行地面勘探。

1.2 地層電性特征

地球物理勘探方法是以各巖層的物性差異為勘查對象及解釋依據，所以勘查的目的層與圍巖的物性、電性差異的大小及明顯與否直接影響物探成果的精度，決定物探方法的可行性。

煤層采出后，采空區周圍原巖應力受到破壞，引起應力重新分布，使得上覆巖層發生變形、破壞和移動，由下向上形成 “三帶”，即垮落帶、裂縫帶和彎曲帶，使殘留巷道或采空區產生大量孔洞、裂縫及離層，從而導致覆巖電阻率值發生明顯的變化。

在覆巖破壞區，當殘留巷道或覆巖破壞冒落帶和裂縫帶中未充水或少量充水，采空區將表現為高電阻率異常特征，一般要比正常巖層的電阻率高3～5倍，可達幾百甚至上千歐姆·米；而當采空區完全充水后，水體不僅充填了老采空區，而且也充填了冒落帶和裂縫帶，因而在巖體破壞區電阻率有明顯降低，呈現低電阻率異常特征。

在斷層發育區，斷層破碎帶與正常連續地層在電性上具有明顯差異，當斷層破碎帶不含水時，將呈現出高電阻率特征，而當斷層破碎帶含水時，將呈現出低電阻率特征。

據此，通過探測地下巖層的電阻率及其變化，可以判定巖層的結構狀態和含水狀況，這也是本次采用可控源音頻大地電磁法探測采空區的物理前提和依據。

2 可控源音頻大地電磁法基本原理

可控源音頻大地電磁法 （CSAMT）是一種人工源頻率域電磁法，CSAMT工作示意圖見圖1，其原理與常規大地電磁測深 （MT）類似，是針對天然電磁場信號弱的特點，采用可控制人工發射源方式，利用發射電偶極A、B （一般1～2 km）向地下發送不同頻率的交變電流，形成交變電磁場，在距離場源足夠遠的地方通過測量相互垂直的電場信號Ex和磁場信號Hy，根據Cagniard公式求得地下介質的視電阻率和阻抗相位：

式中：f——發射頻率，Hz；

ρs——視電阻率，Ω·m；

Ex——X方向的電場強度，V／m；

Hy——Y方向的磁場強度，A／m；

φ——阻抗相位，rad；

φE——電場信號相位，rad；

φH——磁場信號相位，rad。

由于CSAMT采用主動源的地球物理方法，其具有很多優點，因而在采空區調查等地球物理勘探方面得到了廣泛應用。

CSAMT法探測的深度D與頻率f、卡尼亞電阻率ρ之間有以下關系：

式 （2）說明，當大地電阻率結構一定時，通過改變接收與發送電磁信號的頻率，可得到不同深度的地電信息，從而達到電阻率垂向測深的目的。

CSAMT工作頻率一般在0.25～8192 Hz范圍內，探測深度可自地表到地下幾公里，測量電極距決定了橫向分辨率，通常電極距約為最小探測目標體的一半。

圖1 CSAMT法工作示意圖

3 野外數據采集、處理及解釋

3.1 野外工作布置

施工采取標量CSAMT方式。標量CSAMT測量為布置一個供電場源，在距其5倍勘探深度以外測點上同時測量互相垂直的水平磁場分量和電場分量，并以式 （1）、（2）計算卡尼亞視電阻率及阻抗相位。標量CSAMT法用于一維或已知構造主軸方向的二維地區，一般采用垂直構造走向觀測。

3.2 使用參數設置

（1）發射極距的選擇：發射極距 （A、B極距）選擇為1.0 km，保證測線方向基本平行A、B極連線方向，測線方向與A、B極方向偏差角度小于3°，測線處于A、B極連線的垂線張角60°的扇形區域內。

（2）收發距的選擇：供電電極A、B主要是向地下供入某一頻率f的諧變電流，在一側60°張角的扇形區域內觀測。收發距選擇大于5倍的探測深度。在了解該區電阻率和干擾源的情況下，選擇收發距最小4.5 km、最大7.0 km來布設發射源。該距離通過試驗分析，沒有發現觀測曲線有近場效應且電場信號強度達到幾十微伏，信號強度滿足觀測要求。

（3）本次野外施工供電偶極距1.0 km，最小收發距均大于4.5 km，接收MN極距40 m，測量點距為40 m，滿足 《可控源聲頻大地電磁法勘探技術規程》要求。A、B兩極各由兩個電極坑組成，各坑長約3 m，寬約0.5 m，下面鋪設鋁箔紙，野外數據采集過程中A、B極接地視電阻始終控制在30～40Ω。本次物探野外發射最高電流14 A，發射頻率范圍30～9600 Hz，布設22個頻點。每站測量循環為26 min，接收系統通過GPS與發射系統保持同步。

3.3 數據處理

對采集原始合格資料進行資料預處理，包括曲線的圓滑、校正 （靜校正、地形校正、場源校正）以及突出某些有用信息等處理。視電阻率與相位資料編輯時以排列為單位，根據同一排列中視電阻率曲線形態變化的連續性和相似性的特點進行編輯，保證了資料的編輯質量。

本次CSAMT法資料處理采用美國ZONGE公司的二維圓滑模型SCS2D軟件進行一維反演，最終繪制出反演電阻率斷面圖。

3.4 代表性探測剖面解釋

采用可控源音頻大地電磁法物探手段對國興煤礦4-1煤層進行采空區勘探，共布置測線近18條，測點638個。通過探測數據處理后，可在每條測線上得到一份可控源音頻大地電磁視電阻率等值線擬斷面圖。根據二維反演電阻率斷面所呈現的地質電性異常特征解釋，各測線清楚地反映了4-1煤層電阻率分布特征。當采空區巖體裂隙發育并且充水時表現為低阻異常，但巖體裂隙發育而沒有充水時則表現為高阻異常。

（1）C9測線：該測線4-1煤底板深度在150～200 m左右，CSAMT法反演的卡尼亞C9線可控源音頻大地電磁視電阻率等值線擬斷面圖見圖2，從圖2可看出，在測線1650～1980 m范圍內，深度約160 m左右，有一低阻異常反映，推斷4-1煤采出后，采空區頂板破壞垮落，部分區域含水，部分區域不含水，含水區域低阻特征明顯。

（2）C10測線：該測線4-1煤底板平均深度在80～180 m左右，其中南部深，北部淺。CSAMT法反演的C10線可控源音頻大地電磁視電阻率擬斷面圖見圖3，從圖3可看出，在測線的1060～1180 m范圍，深度約180 m左右，有一處低阻異常反映，推斷該區域為4-1煤采空后充水引起的低電阻異常反映。在測線的1250～1480 m范圍，深度約80 m左右，有一處高阻異常反映，推斷該區域為4-1煤采空后，引起上覆巖層破壞冒落充填采空區，有較大的裂隙，但未充水，因此高阻異常明顯。

由上可知，通過采用可控源音頻大地電磁法對國興煤礦4-1煤層進行采空區勘探后，將得出的視電阻率等值線擬斷面圖 （圖2、圖3）所圈定的采空區及積水區范圍刻畫在采掘工程平面圖上，見圖4，可得出采空區及積水區的范圍。通過比較所圈定的采空區及積水區范圍與原采掘工程平面圖中已采工作面所布置的范圍，可看出可控源音頻大地電磁法在國興煤礦4-1煤層采空區勘探中的應用可靠、有效。

4 探測成果

（1）通過采用可控源音頻大地電磁法（CSAMT）對國興煤礦4-1煤層進行采空區勘探后，根據采空區地質電性異常特征并結合地質資料進行綜合分析，刻畫出了4-1煤層采空區在平面上的大體形態。經過與采掘平面圖對比分析后，表明可控源音頻大地電磁法在國興煤礦4-1煤層采空區勘探中的應用可靠、有效。

（2）通過綜合分析各測線的多測道曲線及視電阻率擬斷面圖并由采空區所表現的強高電阻率異常特征，得出國興煤礦4-1煤層采空區未充水范圍；根據含水異常區在電阻率擬斷面圖上表現為電阻率低的特點，即低阻異常區，最終圈定了采空區積水分布范圍。

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Application of CSAMT in exploration of goaf

Li Jianghua1，Liu Chaolin1，2，Liu Jie1，Zhang Xiaobo1
（1.Faculty of Resources and Safety Engineering，China University of Mining＆Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China；2.Gaojiazhuang Coal Mine，Poly Energies Holding Co.，Ltd.，Zhongyang，Shanxi 033400，China）

By using the CSAMT to explore the goaf in 4-1coal seam of Guoxing Mine，the paper introduces the working principle and process of field data collection of the CSAMT，and makes a comprehensive analysis on the goaf and accumulated-water area combining with the geological conditions，and elaborates the effectiveness of the CSAMT in goaf exploration，which thereby will provide reliable basis for evaluating the impact of the goaf water on the mining face and making the reasonable scheme and technology on the water detection and drainage.

CSAMT，apparent resistivity，goaf exploration，accumulated-water anomaly area

P631

A

李江華 （1987-），男，山西聞喜人，碩士研究生，主要從事近水體采煤方向研究。

（責任編輯 張毅玲）