基于可控源音頻大地電磁法的煤礦采空區勘查效果分析

張大明

(河北省煤田地質局 物測地質隊，河北 邢臺 054000)

城市建設步伐加快，導致土地資源越來越緊張，甚至在采空區場地進行工程建設，地面沉降、塌陷都會因為采空區的存在而產生，所以建筑在采空區上的建筑物是不牢固的，容易坍塌甚至引起人員傷亡及財產損失[1-13]。疑似存在采空區場地在工程建設之前進行勘查是必要的，查明是否存在采空區，以及對擬建建筑物是否存在影響，判定其是否適合作為工程建設場地[14]。結合工程實例，運用可控源音頻大地電磁測深法對煤礦采空區進行勘查，查明了邢臺市襄都區泉北大街與襄都路交叉口東南角地塊建設場地采空區的分布情況，并通過礦方提供資料對物探成果進行驗證，再次證明了可控源音頻大地電磁法探測煤礦采空區是可行的、有效的。

1 工區的地質和地球物理特征

1.1 工區地質概況

工作區地處太行山斷塊中段東翼邊緣，處于太行山拱斷束與華北沉降帶的結合部位上，構造復雜，斷層發育。斷裂以正斷層為主，按其生成時間及產狀可分2組：1組為燕山期生成的走向NW25°左右的井田邊界斷層，如邢臺一號正斷層及其近似平行的伴生斷層；另1組生成的走向NE-NEE正斷層，該組斷層多為傾向斷層，F19、F23等斷層。區內總體構造為略有波狀起伏的單斜構造，走向北西，傾向北東。除邊界斷層外小斷層較為發育，且多為傾向斷層、傾向或近傾向的斷層加寬緩的波狀起伏形成了區內構造的基本特點。

1.2 地球物理特征

勘探區位于太行山東麓，為沖積平原的一部分。測區地形西高東低，標高+57.343～+62.395 m，地表自然坡度約為3‰，地面沖溝不發育，區內植被密集。

勘探區內表、淺層地質條件一般，比較有利于本次勘探的野外施工。距離襄都路及泉北大街比較近，沿路有220、10 kV等高壓線路通過，受其產生的電磁場干擾，將對測量數據產生較大影響。勘探區上部基本上被第四系覆蓋，厚度約250 m。地表黃土層視電阻率值在15 Ω·m左右，第四系下伏地層由淺至深依次為第三系、二疊系、石炭系以及煤系基底奧陶系。地層由上至下地層時代變老、巖石密度總體呈變密實的趨勢。

地層的結構及其完整性會因為采空區的存在而被破壞，原有地質體的地球物理特征也被改變，采空區與周圍原巖體存在明顯的電性差異，為采用可控源音頻音頻大地電磁法進行采空區探測奠定了物性基礎。

2 可控源音頻大地電磁法原理及工作參數

2.1 CSAMT原理簡述

可控源音頻大地電磁法(CSAMT法)為人工場源頻率域電磁法[5]，交變電流通過電偶極向地下發送設定好的頻率，在遠區場通過觀測相互正交的電場信號Ex和磁場信號Hy，地下介質的視電阻率由式(1)計算：

(1)

式中，f為發射頻率；ρs為視電阻率。

根據趨膚效應理論，得到深度公式：

(2)

式中，H為趨膚深度；ρ為電阻率。

探測深度可由發射頻率改變，這樣便達到探測深部地層信息的目的[3-7]。可控源音頻大地電磁法在市區等人工電磁干擾強的地方具有較好的抗干擾能力，且能夠穿透高阻層，具有不受高阻層屏蔽等直流電法不具備的優勢。

2.2 工作參數

野外數據采集采用V8多功能電法儀，發射極距AB=1 000 m，接收極距MN=40 m，頻率范圍設置為 1～3 840 Hz，頻點間隔均勻分布，在估算的煤層采空區深度加密了頻點，獲得了更多該深度地質信息。CSAMT法裝置如圖1所示。

圖1 CSAMT法裝置示意Fig.1 CSAMT survey array

3 成果解譯

3.1 解譯原則

根據此次勘探任務，首先要依據所測得的反演電阻率變化規律，結合區內已知地質、鉆孔等資料，遵循從已知到未知、從點到面、從簡單到復雜，進行了綜合對比分析[15-24]。資料的處理和解釋工作同時進行，這是一種從實踐到認識的提高過程。首先依據三維地震資料確定目的層所對應的電性層位，結合已知的采空區資料等，再通過綜合分析及結合計算的反演電阻率反演解釋結果，最終解釋是否存在采空區。

3.2 成果分析

3.2.1 典型原始曲線形態分析

根據地質資料和場地因素情況，物探沿工區NS向及EW向按40 m×40 m測網完成可控源音頻大地電磁測深剖面11條，測點227個，選擇有代表性的1號和2號剖面曲線進行分析。曲線呈明顯的高頻段有一中低阻，表現為淺部中低阻；約16 Hz進入拐點，電阻率較低；進入低頻段后電阻率變為平穩，后尾部逐步升高，淺層視電阻率相對較高，深部視電阻率升高，基本呈HA形曲線。

從電阻率曲線及相位曲線來看，主要分為3個電性層段，淺部中低電性層段，中部中阻層段和尾部高阻層段。整條剖面橫向上曲線有細微變化，可能與局部存在構造有關(圖2)。

圖2 典型原始曲線類型Fig.2 Typical original curve type diagram

3.2.2 典型剖面解釋

1號物探剖面位于工區西部，D2可控源音頻大地電磁剖面方位角為0°，長度210 m，測深點28個。成果圖見圖3(a)中D1線反演電阻率剖面。

圖3 D1線和D2線反演電阻率剖面Fig.3 D1 & D2 inversion of resistivity profile

D1線共布設28個測點，點距40 m，剖面長度為1 080 m。通過分析D1線可控源音頻大地電磁剖面(圖3(a))可知，剖面整體視電阻率均從上到下呈“低—中—高”形態反映，地下電性特征：上部反演電阻率較低，反演電阻率值較小，是第四系、第三系、煤系地層的電性反映；下部電性為高阻反映，電性分布相對均勻，是奧陶系灰巖的電性反映。反映出第四系、煤系地層、奧陶系基底反演電阻率從淺到深逐漸增大的基本電性規律。反映的地層序列比較清晰，無明顯的高阻或低阻閉合異常區。分析認為不存在采空區。

2號物探剖面位于工區中部，D2線可控源音頻大地電磁剖面方位角為0°，長度1 080 m，測深點28個。從反演電阻率剖面圖(圖3(b))上看，上部反演電阻率較低，反演電阻率值較小，是第四系、第三系、煤系地層的電性反映；下部反演電阻率較高，電性分布相對均勻，是奧陶系灰巖的電性反映。視電阻率呈低—中—高的趨勢，反映出第四系、第三系、煤系地層、奧陶系基底反演電阻率從淺到深逐漸增大的基本電性規律。

通過分析可知，未有表現采空區和斷裂的電性特征明顯，視電阻率總體范圍變化不大，與地層深度吻合較好，說明采集資料可信度較高。從2張剖面圖上看，剖面反映的地層序列比較清晰，未發現高出圍巖視電阻率3～5倍的高阻或低阻閉合異常區。分析推斷不存在采空區，其余測線剖面與此類似。

3.2.3 平面圖解釋

沿2號煤層深度橫切面切了平面圖，從等值線圖可以看出，在勘探區內，沒有明顯高阻異常和低阻異常，分析認為不存在采空區。在勘探區外平面圖東南角，利用鄰區資料，探得的采空區部分視電阻率值徒增到80 Ω·m以上，為高阻異常，且有閉合趨勢，與采空區電性特征吻合。

4 效果驗證

通過分析區域地質資料及物探結果可知，擬建建筑物下部不存在采空區，揭露和控制區內地層，揭示場區內低阻區的地質特征，查明采空區的分布情況，工區地層由新至老為第四紀、上二疊統上石盒子組、下二疊統下石盒子組、下二疊統山西組、上石炭統太原組、中石炭統本溪組、中奧陶馬家溝組。巖性以泥巖和砂巖為主。據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》(安監總煤裝〔2017〕第66號)，對翔藍體育中心的建設用地西側與北側為已開發建設用地，故本次工作范圍以建設用地東、南兩個方向的煤炭壓覆范圍，反推采空區影響范圍。其極值為：圍護帶范圍+松散層水平移動值+基巖上山/下山方向移動值(最大值)≈440 m。如圖4所示，采空影響范圍為翔藍體育中心邊界向東延伸約440 m，向南約440 m。本次電法工作的勘探在勘探區內未發現采空區，翔藍體育中心擬建高層建筑物距離勘探區外東南角已知2煤采空區的距離遠大于440 m，故該處采空區不會對翔藍體育中心的擬建高層建筑物產生影響。

圖4 采空區影響范圍示意Fig.4 Mined-out area scope

5 結論

(1)本文采用可控源音頻大地電磁法，在擬建建筑區內煤礦采空區的位置進行了推測，明確了擬建建筑區域不存在采空區分布，表明應用可控源音頻大地電磁法對煤礦采空區進行勘查效果良好。

(2)數據采集參數及頻率范圍正確選擇獲得高質量的原始數據。

(3)可控源音頻大地電磁法在市區范圍內受周邊電磁干擾較明顯，對地層規模較小的地質構造等需要進一步勘查。