可控源音頻大地電磁法在千米深煤層防治水中的應(yīng)用

摘 要：唐口礦井煤層埋藏深達(dá)千米，地質(zhì)及水文地質(zhì)條件較復(fù)雜，為查明礦井各含水層的富水性和含水構(gòu)造的發(fā)育情況，在三維地震勘探的基礎(chǔ)上，進(jìn)行可控源大地電磁法勘探，取得了良好的效果，為生產(chǎn)提供了保證。

關(guān)鍵詞：電磁；勘探；構(gòu)造；富水性

1 礦井地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

唐口礦井煤層深達(dá)千米，生產(chǎn)水平為-990m。礦井內(nèi)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(zhì)粘土類隔水層，上侏羅統(tǒng)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?guī)r含水層及奧陶系灰?guī)r含水層，本溪組隔水層等。目前礦井主要開采3煤層，在生產(chǎn)中主要受3煤頂?shù)装迳皫r、底板三灰及奧灰等含水層的影響。

1.1 3煤層頂?shù)装迳皫r含水層

3煤層頂?shù)装迳皫r含水層厚10～90m，平均50m，以中細(xì)砂巖為主，局部夾有粉砂巖，精查勘探期間有92個(gè)孔穿過，3個(gè)孔漏水，漏水孔率為3.3%，抽水試驗(yàn)單位涌水量為0.0083L/s.m。根據(jù)鉆孔資料及井下揭露資料分析，3煤層頂?shù)装迳皫r是3煤開采過程中的主要充水水源，其富水性相對(duì)較弱，補(bǔ)給差，容易疏干，但局部地段富水，靜水量大，對(duì)采掘工作面有一定的影響。

1.2 太原組第三層石灰?guī)r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(jù)抽水試驗(yàn)，三灰水位標(biāo)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(gòu)造薄弱帶出水的可能。

1.3 中奧陶統(tǒng)灰?guī)r含水層

根據(jù)勘探期抽水試驗(yàn)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(fā)育，抽水試驗(yàn)單位涌水量為0.1575L/s.m，富水性中等；礦井內(nèi)大片地區(qū)富水性弱。

1.4 其它地質(zhì)條件

礦井東以濟(jì)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(duì)盤的奧灰對(duì)接，邊界附近地質(zhì)及水文條件較復(fù)雜。且礦井生產(chǎn)中曾揭露過陷落柱，由于該陷落柱不具含導(dǎo)水性，未造成水害事故。因此，在礦井生產(chǎn)中須盡可能地查明斷層及陷落柱等構(gòu)造的含水性，為生產(chǎn)提供準(zhǔn)確的資料。可控源音頻大地電磁法就是與三維地震結(jié)合，根據(jù)三維地震解釋的構(gòu)造情況，查明各含水構(gòu)造的發(fā)育情況，為生產(chǎn)提供依據(jù)。

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?guī)r頂界面埋藏較深，采用對(duì)低阻反映靈敏、分層明顯的可控源音頻大地電磁法（CSAMT法）進(jìn)行平面控制，能較準(zhǔn)確地查明測(cè)斷層、陷落柱的導(dǎo)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(dǎo)線為場(chǎng)源，在距偶極中心一定距離（r）處同時(shí)觀測(cè)電、磁場(chǎng)參數(shù)的一種電磁測(cè)深方法。采用赤道偶極裝置進(jìn)行標(biāo)量測(cè)量，同時(shí)觀測(cè)與場(chǎng)源平行的電場(chǎng)水平分量EX和與場(chǎng)源正交的磁場(chǎng)水平分量HY。利用電場(chǎng)振幅EX磁場(chǎng)振幅HY計(jì)算阻抗電阻率ρS、電場(chǎng)相位EP和磁場(chǎng)相位HP，計(jì)算阻抗相位φ。阻抗電阻率和阻抗相位聯(lián)合反演計(jì)算反演電阻率-深度參數(shù)，利用反演電阻率——深度資料進(jìn)行地質(zhì)解釋。

CSAMT法是輕便快速的地球物理勘探方法，一次發(fā)射可完成3個(gè)點(diǎn)的頻率測(cè)深，一次布極可完成幾十個(gè)平方公里的面積測(cè)量，工作效率高，不受地形影響。可以實(shí)現(xiàn)電阻率的快速、自動(dòng)采集，并可在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，改變了電法勘探傳統(tǒng)的工作模式，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了資料采集的質(zhì)量。CSAMT法具有如下的一些特點(diǎn)：

（1）使用可控制的人工場(chǎng)源，信號(hào)強(qiáng)度比天然場(chǎng)要大得多，因此可在較強(qiáng)干擾區(qū)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(jìn)行不同深度的電測(cè)深，大大提高了工作效率，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，一次發(fā)射，可同時(shí)完成七個(gè)點(diǎn)的電磁測(cè)深。

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

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

3 工作方法

根據(jù)礦井的地質(zhì)條件特點(diǎn)，野外試驗(yàn)工作的重點(diǎn)放在發(fā)射頻率和發(fā)送電流大小的選擇上，同時(shí)進(jìn)行電磁干擾信號(hào)的調(diào)查。工作勘探線布置要求其垂直于區(qū)內(nèi)地層或構(gòu)造走向，并盡量穿過已知鉆孔，測(cè)網(wǎng)布設(shè)采用點(diǎn)距40m，線距80m，最終形成40m×80m的測(cè)網(wǎng)，地震中間資料出來后，再針對(duì)探明的主要構(gòu)造進(jìn)行加密探測(cè)。

發(fā)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(gè)頻率，頻率變化范圍從9600～0.0077Hz。通過法試驗(yàn)，使用頻率為9600～1Hz，共54個(gè)頻點(diǎn)。收發(fā)距r的選擇，既要考慮克服近場(chǎng)的影響，又要考慮接受的信號(hào)足夠強(qiáng)，通過實(shí)驗(yàn)，r距選擇為4～6.5km，保證了探測(cè)1km的深度要求。

供電電流的選擇，由于工作區(qū)內(nèi)的表土為沙質(zhì)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(qū)的電性從區(qū)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?guī)r。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?guī)r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?dāng)鄬雍蛶r層的電阻率遠(yuǎn)小于不含水?dāng)鄬雍蛶r石的電阻率，這也是電法評(píng)價(jià)斷層、含水巖層富水性的物理依據(jù)。

對(duì)野外采集的數(shù)據(jù)首先進(jìn)行剔野值、去噪、濾波及校正處理，然后進(jìn)行反演成像處理，得到每條測(cè)線反演的電阻率剖面數(shù)據(jù)，用分等級(jí)彩色圖顯示電阻率的結(jié)果，繪制了各測(cè)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(gòu)造的含水性（如圖1）。

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

圖1 測(cè)線視電阻率斷面圖

然后由各斷面圖的數(shù)據(jù)構(gòu)成了一個(gè)三維數(shù)據(jù)體，從該數(shù)據(jù)體中就可以根據(jù)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(shù)據(jù)。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?shù)装甯凰惓７植紙D。

圖2 3煤頂?shù)装甯凰惓７植紙D

從圖2可以分析，3煤頂?shù)装迳皫r在邊界斷層濟(jì)寧斷層附近富水性相對(duì)較強(qiáng)，其他地方富水性相對(duì)一般，生產(chǎn)中必須留足防水煤柱，并按規(guī)定進(jìn)行探放水。

5 勘探成果分析

根據(jù)勘探資料綜合分析：礦井內(nèi)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(gòu)造發(fā)育也是造成視電阻率曲線扭曲變化的一個(gè)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(fā)育。

采用可控源音頻大地電磁法（CSAMT）進(jìn)行勘探基本上查明了電法勘探范圍內(nèi)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(shí)現(xiàn)了合理組合，取得了較好地地質(zhì)解釋成果，為礦井的安全生產(chǎn)提供了保證。

作者簡介：藺成森（1986，12-），男，畢業(yè)于山東科技大學(xué)地質(zhì)工程本科專業(yè)，助理工程師，現(xiàn)任山東唐口煤業(yè)公司地測(cè)科技術(shù)員。