可控源音頻大地電磁法探測煤礦富水?dāng)鄬拥膽?yīng)用

張思遠(yuǎn)

（山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046699）

近年來水害依然是制約煤礦安全開采的主要因素之一。水害探測的主要方法有地質(zhì)雷達(dá)、高密度電法、地震反射、電磁法等[1]，每種方法各自具有其優(yōu)缺點，在埋深400 m 以內(nèi)查找水害基本用瞬變電磁和可控源音頻大地電磁法。肖勇[2]等通過CSAMT 法研究構(gòu)造及地層的含水及富水特征；王如喜[3]將CSAMT 法應(yīng)用于水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查；劉森[4]將CSAMT 法應(yīng)用于青海省木里煤田，進行找煤效果研究；范劍[5]將CSAMT 法應(yīng)用探測沈白鐵路大安隧道巖體風(fēng)化程度、完整性及斷層發(fā)育情況；劉歡[6]等將CSAMT 測深法探查佛峪口-黃柏寺斷裂。本文將CSAMT 法在霍爾辛赫煤業(yè)西三采區(qū)進行試驗，對F99 斷層富水性進行探測。

1 方法原理

可控源音頻大地電磁法（CSAMT），它是基于AMT 法的人工源頻率探測方法，能夠人工控制觀測電磁場的頻率范圍、方向及場強，是利用觀測一次場電位以及磁場強度變化特征，用于研究巖石之間電導(dǎo)率差異。

視電阻率ρs計算公式：

根據(jù)電磁波的趨膚效應(yīng)理論，導(dǎo)出了趨膚深度公式：

式中：H 為探測深度，m；ρ 代表地表電阻率，Ω·m；f 代表頻率，Hz；E 為電場強度，N/C；H 為磁場強度，A/m。

從（2）式可知，當(dāng)?shù)乇黼娮杪使潭〞r，電磁波傳播深度和發(fā)射頻率互成反比例關(guān)系。高頻探測距離短，低頻探測距離遠(yuǎn)。可以通過改變發(fā)射頻率來改變探測深度，從而通過變化頻率實現(xiàn)測量不同深度的目的。

2 施工裝置及主要參數(shù)選擇

2.1 施工裝置選擇

CSAMT 測量包括張量、矢量和標(biāo)量的三種方式，常用標(biāo)量測量方式。標(biāo)量（2 個分量）能測量簡單層狀介質(zhì)，標(biāo)量CSAMT 測量是否成功，取決于場源、方位的選取、采集密度。

根據(jù)地形及構(gòu)造特征，本次選擇標(biāo)量CSAMT方式。它是把觀測區(qū)域布置在梯形區(qū)域（如圖1 所示），梯形的上底邊為AB 發(fā)射偶極，收發(fā)距應(yīng)至少大于三倍的趨膚深度，測線相互平行于AB，測線長度在梯形內(nèi)。

圖1 CSAMT 測量布置示意圖

2.2 施工參數(shù)選擇

（1）收發(fā)距r

CSAMT 法由于采用人工場場源，采集數(shù)據(jù)時既要避免收發(fā)距r 太小過早進入近區(qū)，又要避免因r 太大引起信噪比降低，無法保證探測精度。為充分協(xié)調(diào)二者關(guān)系，r 應(yīng)同時滿足公式（3），即同時滿足遠(yuǎn)區(qū)和探測精度要求。

式中：r 為收發(fā)距，m；H 為探測深度，m；I為發(fā)射電流，mA；AB 為供電偶極長度，m；ρ1為地表電阻率，Ω·m；θ 為r 與AB 之間的夾角，°；Emin為接收機能觀測到的最小信號，mV。

（2）發(fā)射偶極距AB

發(fā)射偶極距AB 相對收發(fā)距要足夠小，一般取收發(fā)距的1/5～1/3。假如AB 較大，具有較好的低頻特性，反之具有較好的高頻特性。由于低頻探測距離較遠(yuǎn)，因此在探測較深時選擇較大發(fā)射偶極距，反之亦然。

（3）測量電場的電極距MN

測量電場的電極距MN 相對收發(fā)距要足夠小，一般小于收發(fā)距的1/10。MN 太大會造成分辨力較低但工作效率相對較高，因此在探測較深時選擇較大MN，探測較淺時選擇較小MN，一般為20 ≤MN ≤50。

（4）頻率段的選擇

野外探測一般先進行全頻段試驗，發(fā)射偶極AB 布設(shè)好之后，根據(jù)試驗曲線選取頻率范圍。高頻點附近曲線開始出現(xiàn)蹦跳現(xiàn)象，尾支曲線一般在20 Hz 附近按45°角上升。根據(jù)選擇尾支45°角上升4 到5 個點的頻率的截止原則，對測點數(shù)據(jù)進行簡單反演計算，要求反演深度超過最大測深。

3 建模及反演

3.1 建立地質(zhì)模型

正演計算是頻率域電磁測深理論分析和實際資料處理解釋的基礎(chǔ)。根據(jù)霍爾辛赫煤業(yè)西三采區(qū)地質(zhì)斷面圖及測井曲線建立場地模型，對L7 線進行了大地電磁二維正演模擬。設(shè)定第四紀(jì)電阻率為40 Ω·m，煤系地層砂泥巖電阻率為75 Ω·m，煤層電阻率為400 Ω·m，煤層底板砂巖電阻率150 Ω·m，奧灰電阻率為1000 Ω·m，寒武系地層電阻率為600 Ω·m，F(xiàn)99 斷層落差50 m，F(xiàn)98 斷層落差20 m，DF15、DF13 斷層落差10 m。圖2 為5 煤頂板不含水場電模型，圖3 為5 煤頂板含水場電模型。

3.2 反演計算

測量的磁場、電場曲線與地下的地電結(jié)構(gòu)是一種復(fù)雜的非線性關(guān)系，需進行視電阻率計算和時深轉(zhuǎn)換獲取深度、視電阻率相關(guān)關(guān)系，研究視電阻率隨深度的變化關(guān)系，進而研究異常的屬性。圖4 是L7 線5 煤頂板不含水正演模型反演成果圖，圖中可以看出F99 斷層響應(yīng)較明顯，F(xiàn)98、DF15、DF13 斷層的響應(yīng)不是很明顯，可以得知CSAMT 對大斷層有較好的響應(yīng)。圖5 是L7 線5 煤頂板含水正演模型反演成果圖，從圖中可看出斷層響應(yīng)不明顯，但對水平響應(yīng)非常明顯。

圖2 5 煤頂板不含水場電模型

圖4 5 煤頂板不含水場電模型反演

圖5 5 煤頂板含水場電模型反演

4 應(yīng)用實例

4.1 地質(zhì)概況

霍爾辛赫煤業(yè)西三采區(qū)5#煤層為測區(qū)內(nèi)主要可采煤層，總體上為一走向近東西、傾向北的單斜構(gòu)造，煤層傾角不超過5°，局部地段受斷層影響最高達(dá)到16°。測區(qū)內(nèi)主要大斷層為F99 斷層，落差約50 m。本次探測測點間距40 m，收發(fā)距8000 m，探測主要目的是探查F99 斷層富水情況。

4.2 處理解釋

外業(yè)施工結(jié)束后，及時對相應(yīng)的原始記錄、班報和原始數(shù)據(jù)進行整理、歸類，建立外業(yè)施工數(shù)據(jù)庫。CSAMT 法測量記錄的原始資料為電道的電位差幅值和相位，以及磁道的幅值和相位，通過公式計算視電阻率和相位。一旦資料合格后，即可進行CSAMT 資料的再處理，野外原始資料預(yù)處理采用CSAMT-PRE 軟件完成, CSAMT-PRE 軟件集剔除飛值、曲線圓滑、去噪、靜校正為一體的CSAMT 預(yù)處理軟件，CSAMT 實測數(shù)據(jù)進行點位校對、空間屬性建立后進入預(yù)處理系統(tǒng)。

CSAMT 資料的解釋以定性解釋為主，同時進行半定量解釋。資料解釋是建立在資料處理后的頻率—電阻率、相位斷面圖、電阻率斷面圖的基礎(chǔ)上。首先對測區(qū)進行整體分析，并對較大的電性異常區(qū)域進行大概的分類；其次對反演電阻率斷面圖進行分析，著重分析地質(zhì)異常體的平面位置及范圍；最后綜合圈定富水區(qū)域。

4.3 試驗結(jié)果

對探測數(shù)據(jù)進行反演，結(jié)合地質(zhì)、水文、鉆探資料進行地電特征分析，結(jié)合本區(qū)的地球物理特征，對獲得的資料進行地質(zhì)解譯，獲得如圖6 所示L7 線深度-電阻率綜合解釋圖。圖中橫坐標(biāo)為測線距離，m，縱坐標(biāo)為高程，m，等值線為反演電阻率的對數(shù)，單位為log10 Ω·m。圖中F99、F98 斷層附近電阻率呈現(xiàn)明顯變化，F(xiàn)99、F98 斷層在測線700～1200 m 范圍5 煤層附近有明顯低阻區(qū)域，探測表明富水性較強。

圖6 L7 線深度-電阻率綜合解釋圖

5 結(jié)論

（1）可控源音頻大地電磁法收發(fā)距要大于3～6倍探測深度，且同時滿足大于3～5 倍發(fā)射偶極距和大于10 倍測量電場的電極距。

（2）區(qū)域大富水?dāng)鄬釉诳煽卦匆纛l大地電磁法探測中呈現(xiàn)明顯的低阻特性。