可控源音頻大地電磁法在千米深煤層防治水中的應用

摘 要：唐口礦井煤層埋藏深達千米，地質及水文地質條件較復雜，為查明礦井各含水層的富水性和含水構造的發育情況，在三維地震勘探的基礎上，進行可控源大地電磁法勘探，取得了良好的效果，為生產提供了保證。

關鍵詞：電磁；勘探；構造；富水性

1 礦井地質及水文地質概況

唐口礦井煤層深達千米，生產水平為-990m。礦井內含（隔）水層自上而下主要有第四系砂及砂礫層含水層和粘土、砂質粘土類隔水層，上侏羅統巖漿巖及砂巖含水層及泥巖、粉砂巖隔水層，二疊系石盒子組隔水層，山西組3煤層頂、底板砂巖含水層，太原組第三、第十層灰巖含水層及奧陶系灰巖含水層，本溪組隔水層等。目前礦井主要開采3煤層，在生產中主要受3煤頂底板砂巖、底板三灰及奧灰等含水層的影響。

1.1 3煤層頂底板砂巖含水層

3煤層頂底板砂巖含水層厚10～90m，平均50m，以中細砂巖為主，局部夾有粉砂巖，精查勘探期間有92個孔穿過，3個孔漏水，漏水孔率為3.3%，抽水試驗單位涌水量為0.0083L/s.m。根據鉆孔資料及井下揭露資料分析，3煤層頂底板砂巖是3煤開采過程中的主要充水水源，其富水性相對較弱，補給差，容易疏干，但局部地段富水，靜水量大，對采掘工作面有一定的影響。

1.2 太原組第三層石灰巖含水層

三灰位于3煤層底板以下52.7～89.4m，平均間距73.3m，厚5.2m。根據抽水試驗，三灰水位標高+36.07m，單位涌水量為0.00073～0.01032L/s·m，富水性弱，但煤層埋藏深，三灰原始水壓高，局部地段三灰富水，因此不排除三灰水沿構造薄弱帶出水的可能。

1.3 中奧陶統灰巖含水層

根據勘探期抽水試驗資料，在嘉祥斷層和嘉祥支三、支二斷層之間塊段，奧灰充水空間發育，抽水試驗單位涌水量為0.1575L/s.m，富水性中等；礦井內大片地區富水性弱。

1.4 其它地質條件

礦井東以濟寧斷層為界，西以嘉祥斷層為界，兩斷層附近附生大量的斷層，部分落差較大的斷層造成3煤局部與對盤的奧灰對接，邊界附近地質及水文條件較復雜。且礦井生產中曾揭露過陷落柱，由于該陷落柱不具含導水性，未造成水害事故。因此，在礦井生產中須盡可能地查明斷層及陷落柱等構造的含水性，為生產提供準確的資料。可控源音頻大地電磁法就是與三維地震結合，根據三維地震解釋的構造情況，查明各含水構造的發育情況，為生產提供依據。

2 可控源音頻大地電磁法基本原理

由于礦井主要可采煤層3煤及奧陶系灰巖頂界面埋藏較深，采用對低阻反映靈敏、分層明顯的可控源音頻大地電磁法（CSAMT法）進行平面控制，能較準確地查明測斷層、陷落柱的導水性及主要含水巖層的富含水情況。

可控源音頻大地電磁法是以有限長接地導線為場源，在距偶極中心一定距離（r）處同時觀測電、磁場參數的一種電磁測深方法。采用赤道偶極裝置進行標量測量，同時觀測與場源平行的電場水平分量EX和與場源正交的磁場水平分量HY。利用電場振幅EX磁場振幅HY計算阻抗電阻率ρS、電場相位EP和磁場相位HP，計算阻抗相位φ。阻抗電阻率和阻抗相位聯合反演計算反演電阻率-深度參數，利用反演電阻率——深度資料進行地質解釋。

CSAMT法是輕便快速的地球物理勘探方法，一次發射可完成3個點的頻率測深，一次布極可完成幾十個平方公里的面積測量，工作效率高，不受地形影響。可以實現電阻率的快速、自動采集，并可在現場進行數據實時監控，改變了電法勘探傳統的工作模式，減輕了勞動強度，提高了資料采集的質量。CSAMT法具有如下的一些特點：

（1）使用可控制的人工場源，信號強度比天然場要大得多，因此可在較強干擾區的城市及城郊開展工作。

（2）基于電磁波的趨膚深度原理，利用改變頻率進行不同深度的電測深，大大提高了工作效率，減輕了勞動強度，一次發射，可同時完成七個點的電磁測深。

（3）勘探深度范圍大，一般可達1～2km，橫向分辨率高，可靈敏地發現斷層或富水異常。

（4）由于接收機在接收電場的同時還要接收磁場，因此高阻屏蔽作用小，可穿透高阻層。

3 工作方法

根據礦井的地質條件特點，野外試驗工作的重點放在發射頻率和發送電流大小的選擇上，同時進行電磁干擾信號的調查。工作勘探線布置要求其垂直于區內地層或構造走向，并盡量穿過已知鉆孔，測網布設采用點距40m，線距80m，最終形成40m×80m的測網，地震中間資料出來后，再針對探明的主要構造進行加密探測。

發射和接收的頻率變化系列為2n系列和2/3*2n系列中間再插入4個頻率，頻率變化范圍從9600～0.0077Hz。通過法試驗，使用頻率為9600～1Hz，共54個頻點。收發距r的選擇，既要考慮克服近場的影響，又要考慮接受的信號足夠強，通過實驗，r距選擇為4～6.5km，保證了探測1km的深度要求。

供電電流的選擇，由于工作區內的表土為沙質壤土，電阻率較高，接地條件不好，所以采用了挖大坑、澆鹽水的方法，使供電電流保證在20A以上。

4 資料解釋

本區的電性從區域上基本可分為三大類：新生界、侏羅系、石炭二迭系、奧陶系灰巖。新生界地層的平均電阻率約為20m；侏羅系平均電阻率約為30m；石炭二疊系砂泥巖地層加煤層平均電阻率約為50m；奧陶系灰巖地層平均電阻率大于150m。斷層的電阻率不僅取決于斷層落差的大小，更取決于斷層破碎帶寬度、含水量和水溶液礦化度。一般來說，含水斷層和巖層的電阻率遠小于不含水斷層和巖石的電阻率，這也是電法評價斷層、含水巖層富水性的物理依據。

對野外采集的數據首先進行剔野值、去噪、濾波及校正處理，然后進行反演成像處理，得到每條測線反演的電阻率剖面數據，用分等級彩色圖顯示電阻率的結果，繪制了各測線處理后的斷面圖，通過斷面上的視電阻率變化情況，分析各構造的含水性（如圖1）。

從圖1可分析，該斷面上發育有濟寧斷層、DF138、DF139斷層，濟寧斷層和DF138斷層間有一明顯低阻異常，縱向發育較深，且靠近濟寧斷層，易形成導水通道，另外，上盤3煤底板幾乎快與下盤奧灰頂相對接，煤層開采時必須高度注意，做好防治水工作。

圖1 測線視電阻率斷面圖

然后由各斷面圖的數據構成了一個三維數據體，從該數據體中就可以根據煤層埋深的三維地震的成果，插值提取出3上煤底板、6煤底板、16煤底板、奧灰頂界面深度的電阻率數據。從而可以得到3上煤底板、6煤底板、16煤底板、奧灰頂界面的電阻率曲面圖。圖2是3煤層頂底板富水異常分布圖。

圖2 3煤頂底板富水異常分布圖

從圖2可以分析，3煤頂底板砂巖在邊界斷層濟寧斷層附近富水性相對較強，其他地方富水性相對一般，生產中必須留足防水煤柱，并按規定進行探放水。

5 勘探成果分析

根據勘探資料綜合分析：礦井內新生界視電阻率較低，為含水地層，煤系地層視電阻率較高，變化也比較劇烈，反映煤系地層富水性不均一，構造發育也是造成視電阻率曲線扭曲變化的一個重要因素；煤系地層的基底奧灰視電阻率最高，但局部地段奧灰頂部附近視電阻率較低，反映出奧灰頂部局部地段巖溶或裂隙發育。

采用可控源音頻大地電磁法（CSAMT）進行勘探基本上查明了電法勘探范圍內各煤層特別是3煤、6煤、16煤、奧灰及邊界斷層的富水情況，是CSAMT法與三維地震勘探實現了合理組合，取得了較好地地質解釋成果，為礦井的安全生產提供了保證。

作者簡介：藺成森（1986，12-），男，畢業于山東科技大學地質工程本科專業，助理工程師，現任山東唐口煤業公司地測科技術員。