可控源音頻大地電磁法探測(cè)中深老窯采空區(qū)技術(shù)

張小波，陳清通，牟 義，張永超，杜明澤

(1.榆林市能源局，陜西 榆林 719000； 2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013)

為了更有針對(duì)性地探測(cè)采空區(qū)，李文[1]結(jié)合采空區(qū)埋深和現(xiàn)有常用物探方法的適用性，劃分了極淺采空區(qū)(埋深小于50 m)、淺層采空區(qū)(埋深50～150 m)、中深采空區(qū)(埋深150～400 m)、深層采空區(qū)(埋深大于400 m)，針對(duì)中深采空區(qū)提出了采用地震法、瞬變電磁法、可控源音頻大地電磁法或音頻大地電磁法探測(cè)進(jìn)行探測(cè)?？煽卦匆纛l大地電磁法作為探測(cè)中深采空區(qū)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，近幾年快速發(fā)展，高雅等[2]嘗試將CSAMT的接收系統(tǒng)置于巷道中，建立井—地探測(cè)裝置，對(duì)于深部盲礦或目標(biāo)體具有較強(qiáng)的識(shí)別度；張永超等[3]從理論上驗(yàn)證了CSAMT 探測(cè)大采深急傾斜煤層采空區(qū)的可行性，并采用CSAMT 在王家山煤礦大采深急傾斜煤層探測(cè)的實(shí)踐中獲得了高分辨率的視電阻率斷面圖；宋玉龍等[4]詳細(xì)分析了可控源音頻大地電磁測(cè)深法探測(cè)效果，結(jié)果表明能夠較準(zhǔn)確的探測(cè)出煤礦采空區(qū)及積水范圍，并對(duì)奧陶系高阻灰?guī)r頂面的起伏具有較好的反映；姜國(guó)慶等[5]通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)比分析EH-4 電導(dǎo)率成像系統(tǒng)和可控源音頻大地電磁法(CSAMT) 對(duì)不同介質(zhì)充填采空區(qū)的電性響應(yīng)特征，并結(jié)合典型工程實(shí)例對(duì)應(yīng)用效果進(jìn)行分析，證明了頻率域電磁法探測(cè)采空區(qū)的可行性；李江華等[6]采用可控源音頻大地電磁法對(duì)國(guó)興煤礦4-1號(hào)煤層采空區(qū)及積水區(qū)進(jìn)行探測(cè)，為評(píng)價(jià)老空水對(duì)工作面的開(kāi)采影響以及制定出合理的探放水方案和探放水技術(shù)措施提供可靠依據(jù)。本文在以上研究基礎(chǔ)上，選取榆林地區(qū)典型礦井中深老窯采空區(qū)為探測(cè)試驗(yàn)區(qū)，進(jìn)行了干擾試驗(yàn)、參數(shù)試驗(yàn)等，優(yōu)化了探測(cè)技術(shù)體系，應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行成果分析與解釋，最后進(jìn)行鉆探驗(yàn)證。

1 原理與方法

可控源音頻大地電磁法(Controlled Source Audio-frequency Magnetotellurics，CSAMT)是20世紀(jì)80年代末興起的一種地球物理新技術(shù)[7-11]，是在大地電磁法(MT)和音頻大地電磁法(AMT)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的人工源頻率域測(cè)深方法(圖1)?；陔姶挪▊鞑ダ碚摵望溈怂鬼f方程組，可以導(dǎo)出水平電偶極源遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的卡尼亞視電阻率公式：

圖1 CSAMT裝置布置示意 Fig.1 Schematic diagram of CSAMT device layout

(1)

式中，ρs為卡尼亞視電阻率；f為頻率；Ex為水平電

場(chǎng)強(qiáng)度；Hy水平磁感應(yīng)強(qiáng)度。

只要在地面上能觀測(cè)到2個(gè)正交的水平電磁場(chǎng)(Ex，Hy)就可獲得地下的視電阻率ρ。根據(jù)電磁波的趨膚效應(yīng)理論，可以導(dǎo)出探測(cè)深度的公式：

(2)

式中，δ為探測(cè)深度；ρ為視電阻率。

由式(2)可知，電磁波的探測(cè)深度與頻率呈反比，通過(guò)改變發(fā)射頻率即可改變探測(cè)深度，達(dá)到測(cè)深的目的。

2 試驗(yàn)工作

野外試驗(yàn)的根本目的是檢驗(yàn)擬定的勘查方法的有效性，并對(duì)待定的參數(shù)進(jìn)行合理選擇，確定最佳的方法和施工參數(shù)。根據(jù)前期資料整理與實(shí)地考察，施工區(qū)域內(nèi)地表出露均為第四系黃土，土質(zhì)干燥，地形地貌為黃土高原典型峁梁地形地貌，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)可視范圍內(nèi)未見(jiàn)干擾源。此次探測(cè)試驗(yàn)工作的目的主要是尋找3煤采空區(qū)，采空深度不穩(wěn)定，最大深度為195 m，平均深度為160 m，根據(jù)可控源理論與方法，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)探測(cè)區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)—地球物理資料擬定可控源發(fā)—收參數(shù)表。試驗(yàn)測(cè)線為廟渠煤礦、興維煤礦勘查區(qū)域北側(cè)的10號(hào)測(cè)線，試驗(yàn)共觀測(cè)4個(gè)排列，36個(gè)測(cè)深點(diǎn)。

2.1 試驗(yàn)效果

(1)干擾試驗(yàn)—背景噪聲。背景噪聲在L10線的1050號(hào)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，在不供電時(shí)測(cè)量了背景噪聲，作為對(duì)比，在CSAMT供電發(fā)射后測(cè)量了信號(hào)，對(duì)比結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 背景噪聲和CSAMT發(fā)射時(shí)的Ex曲線Fig.2 Ex curve of background noise and CSAMT emission

圖3 背景噪聲和CSAMT發(fā)射時(shí)的Hy曲線 Fig.3 Hy curve of background noise and CSAMT emission

Ex背景噪聲值集中在0.009～0.069 mV/km，平均0.035 mV/km，發(fā)射時(shí)Ex值0.7 mV/km之上；Hy背景噪聲值在3.67×10-6～1.67×10-4nT，發(fā)射時(shí)Hy值均在1.67×10-4nT之上，一半的Hy值位于1×10-3nT以上。在CSAMT發(fā)射信號(hào)后，無(wú)論是Ex還是Hy，其信號(hào)量值均比噪聲高，采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量高，信噪比高。

(2)參數(shù)試驗(yàn)—發(fā)射電流。不同發(fā)射電流的卡尼亞視電阻率如圖4所示。由圖4中可以看出，隨著發(fā)射電流的增大，曲線從曲折跳躍逐漸變得平滑，電流5 A是曲線跳躍變化較大，10 A時(shí)曲線跳躍幅度變小，到15 A時(shí)曲線變得圓滑。野外試驗(yàn)時(shí)，發(fā)射電流越大，信號(hào)越強(qiáng)，接收數(shù)據(jù)信噪比越高，曲線也就越圓滑，抗干擾能力就越強(qiáng)。因此，本次試驗(yàn)選擇最小電流為15 A。

圖4 不同發(fā)射電流的卡尼亞視電阻率Fig.4 Apparent resistivity of Carnia with different emission currents

(3)參數(shù)試驗(yàn)—頻段與頻點(diǎn)。根據(jù)勘查區(qū)地質(zhì)地電情況和目標(biāo)層埋深，設(shè)計(jì)采集頻段中最高頻率9 600 Hz，最低頻率4 Hz，共30個(gè)頻點(diǎn)。根據(jù)設(shè)計(jì)頻率采集數(shù)據(jù)的反演結(jié)果(單點(diǎn))見(jiàn)表1，由表1可以看出，最大深度可達(dá)1 000 m，目的層深度100～200 m也有6個(gè)數(shù)據(jù)，符合深度及精度探測(cè)要求。

表1 頻率與探測(cè)深度Tab.1 Frequency and depth of detection

2.2 試驗(yàn)結(jié)論

在CSAMT方法實(shí)際工作中，收發(fā)距較小時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度較大，信噪比較高，但在低頻段極易進(jìn)入“過(guò)渡區(qū)”和“近場(chǎng)區(qū)”，此時(shí)卡尼亞視電阻率被嚴(yán)重畸變，即使作了“近場(chǎng)校正”，也不能校正到和MT一樣，可能無(wú)法真實(shí)反映地電斷面，不能用MT方法作解釋；當(dāng)收發(fā)距過(guò)大時(shí)，盡管可以保證在較低頻率處于“波區(qū)”，但是信號(hào)強(qiáng)度較小，信噪比較低[12-18]。因此，根據(jù)探測(cè)深度以及目標(biāo)體性質(zhì)選擇合適的收發(fā)距以及頻段對(duì)提高CSAMT探測(cè)精度、消除近場(chǎng)效應(yīng)有巨大的作用，這樣才能得到理想的探測(cè)結(jié)果。根據(jù)理論分析及此次試驗(yàn)結(jié)果，CSAMT物探施工可以采用如下施工參數(shù)：發(fā)射電流15 A；發(fā)射電壓850 V；AB長(zhǎng)度840 m；收發(fā)距離8.9 km；點(diǎn)距30 m；頻段9 600～4 Hz。將試驗(yàn)得出的施工參數(shù)應(yīng)用到10號(hào)試驗(yàn)測(cè)線，該測(cè)線長(zhǎng)約1 080 m，700～1 050 m為廟渠煤礦區(qū)域，0～700 m為興維煤礦測(cè)區(qū)，經(jīng)反演處理，得到試驗(yàn)剖面如圖5所示。由圖5可以看出，在橫坐標(biāo)700～1 050 m的區(qū)域內(nèi)，該低阻體電阻率相對(duì)較高，推測(cè)為采空區(qū)；在橫坐標(biāo)0～700 m的區(qū)域內(nèi)，該低阻體電阻率相對(duì)更低，推測(cè)為采空區(qū)積水。根據(jù)礦方提供的資料，已知采空區(qū)及積水區(qū)范圍與探測(cè)結(jié)果基本吻合，說(shuō)明此次試驗(yàn)結(jié)果確定的施工參數(shù)準(zhǔn)確可靠。

圖5 試驗(yàn)剖面Fig.5 Experimental cross-sectional view

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 試驗(yàn)區(qū)概況

橫山縣韓岔鄉(xiāng)廟渠煤礦為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)，廟渠煤礦位于陜西省橫山縣城以東約20 km處，井田東西寬2.73～3.85 km，南北長(zhǎng)約4.85 km，面積約7.500 2 km2。根據(jù)煤礦提供的資料，橫山縣韓岔鄉(xiāng)廟渠煤礦礦井西北部與興維煤礦毗鄰處采空區(qū)分布不清，給安全生產(chǎn)和地面人員、財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)較大的隱患，需進(jìn)行采空區(qū)范圍探測(cè)。在劃定的0.436 9 km2的區(qū)域內(nèi)采用可控源音頻大地電磁技術(shù)對(duì)3煤采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)。根據(jù)試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)資料和本次物探工作的任務(wù)及技術(shù)要求，可控源音頻大地電磁法(CSAMT)測(cè)網(wǎng)設(shè)計(jì)為60 m×30 m(即線距60 m、點(diǎn)距30 m)，采集參數(shù)按照試驗(yàn)結(jié)論得出的參數(shù)設(shè)置，廟渠煤礦物探共完成CSAMT測(cè)線10條，測(cè)線方向WE向，測(cè)線總長(zhǎng)度12 900 m，生產(chǎn)物理點(diǎn)440個(gè)，檢測(cè)點(diǎn)18個(gè)，總物理點(diǎn)458個(gè)，測(cè)線布置如圖6所示。

圖6 測(cè)線布置示意Fig.6 Schematic diagram of survey line layout

3.2 成果分析與解釋

通過(guò)對(duì)CSAMT數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析、處理，形成了各測(cè)線的反演視電阻率斷面圖，根據(jù)3煤底板等高線抽取了3煤視電阻率異常平面圖。成果分析主要從單支曲線、各測(cè)線視電阻率斷面圖和3煤視電阻率異常平面3個(gè)角度予以分析與解釋，依據(jù)不同地質(zhì)異常的視電阻率特征和已知采空區(qū)的異常特征，在視電阻率斷面圖上和視電阻率異常平面圖上圈定了3煤采空區(qū)范圍。采空區(qū)的電性反映是相對(duì)的，CSAMT反演斷面圖中的電阻率也是相對(duì)變化的趨勢(shì)，進(jìn)行資料分析與解釋時(shí)除了要根據(jù)異常變化的連續(xù)性推斷地質(zhì)異常體的賦存情況，還要結(jié)合地表地形、鉆探和地質(zhì)等資料，同時(shí)還要參考野外班報(bào)記錄和野外地質(zhì)調(diào)查，兼顧平面圖上異常變化趨勢(shì)，進(jìn)行綜合分析。

(1)單支曲線。廟渠礦區(qū)CSAMTL2線210—270號(hào)點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)曲線如圖7所示，曲線趨勢(shì)近似一致。圖7中，曲線在3 000 Hz和400 Hz左右，都存在一個(gè)極大值；整體上電阻率原始曲線是低—高—低的趨勢(shì)；說(shuō)明深部地層電阻率偏低，中間有高阻響應(yīng)，上部地層電阻率偏低，曲線總體表現(xiàn)為K型地電斷面。

圖7 可控源L2線210—270號(hào)點(diǎn)原始曲線Fig.7 Original curve of point 210—270 of the controllable source L2 line

(2)視電阻率斷面圖。廟渠礦區(qū)各測(cè)線的電阻率反演剖面如圖8所示，其中L6—L10線長(zhǎng)1 140 m，0—810號(hào)點(diǎn)屬于興維礦區(qū)，810—1140號(hào)點(diǎn)為廟渠礦區(qū)。由圖8可知，在深度方向電阻率總體表現(xiàn)為低—高—低的變化趨勢(shì)，測(cè)線L1—L5中西側(cè)電阻率集中在400～600 Ω·m，推測(cè)為煤層，整體變化趨勢(shì)較平緩，探測(cè)煤層底板標(biāo)高在+1 000～+1 025 m，與鉆孔信息基本吻合；L1—L10線在測(cè)線中部出現(xiàn)電阻率超過(guò)800 Ω·m的高阻區(qū)域，推測(cè)為采空區(qū)的位置，探測(cè)底板標(biāo)高在+990～+1 025 m，其中L1線探測(cè)采空區(qū)位于1080—1410號(hào)點(diǎn)，底界埋深標(biāo)高在+980 m左右；L2線探測(cè)采空區(qū)位于1080—1410號(hào)點(diǎn)，底界埋深標(biāo)高在+985 m左右；L3線探測(cè)采空區(qū)位于1080—1410號(hào)點(diǎn)，底界埋深標(biāo)高在+985 m左右；L4線探測(cè)采空區(qū)位于330—1410號(hào)點(diǎn)，底界埋深標(biāo)高在+980 m左右；L5線探測(cè)采空區(qū)位于390—600號(hào)點(diǎn)和690—1410號(hào)點(diǎn)，底界埋深標(biāo)高在+985 m左右；L6—L10線探測(cè)采空區(qū)基本都位于810—1140號(hào)點(diǎn)，底界埋深標(biāo)高在+980 m左右。

圖8 L1—L10線視電阻率斷面Fig.8 L1—L10 line apparent resistivity cross sectional view

(3)視電阻率平面圖。廟渠礦區(qū)高阻異常平面分布如圖9所示。由圖9可知，測(cè)區(qū)內(nèi)高阻異常電阻率在300～2 500 Ω·m，紅色區(qū)域電阻率明顯大于周圍電阻率。推測(cè)為煤層采空區(qū)，周圍電阻率在300～600 Ω·m推測(cè)是煤層層位，探測(cè)采空區(qū)平面分布如圖10所示。推斷電阻率大于800 Ω·m為采空區(qū)的位置，由圖10可知，采空區(qū)在測(cè)區(qū)的東部有明顯的大范圍高阻異常顯示。

圖9 3煤視電阻率平面分布Fig.9 Plane distribution of apparent resistivity of No.3 coal

圖10 3煤探測(cè)采空區(qū)平面分布Fig.10 No.3 coal detection goaf plane distribution map

(4)異常分析。從圖10采空區(qū)平面圖可知，采空區(qū)在測(cè)區(qū)內(nèi)分布比較集中，其異常區(qū)域主要?jiǎng)澐譃閮蓧K，東部一塊大范圍的異常區(qū)域分布在廟渠和興維礦區(qū)上，集中在廟渠礦區(qū)，在測(cè)線L1—L10上均有表現(xiàn)，面積較大，分布范圍廣。根據(jù)掌握的地質(zhì)、水文、鉆探、采掘工程以及實(shí)地調(diào)查等資料，認(rèn)真分析了探測(cè)成果圖的電阻率分布特征，以得到正確的地質(zhì)解釋。經(jīng)過(guò)對(duì)本次CSAMT勘探結(jié)果的綜合對(duì)比解釋，發(fā)現(xiàn)了1處高阻異常，在L1—L10線視電阻率斷面圖上均反映明顯，并且分布于物探區(qū)的東部，分布集中在廟渠礦區(qū)，推斷為3煤采空區(qū)，在廟渠礦區(qū)的面積約0.234 km2，具體分布范圍如下：L1為1080—1410；L2為1080—1410；L3為1080—1410；L4為330—1410；L5為390—600、690—1410；L6為810—1140；L7為810—1140；L8為810—1140；L9為810—1140；L10為810—1140。

3.3 鉆探驗(yàn)證

為驗(yàn)證探測(cè)區(qū)可控源音頻大地電磁法的探測(cè)成果的準(zhǔn)確性，在探測(cè)采空區(qū)施工4個(gè)鉆孔(施工參數(shù)見(jiàn)表2)。根據(jù)鉆孔揭露情況可知，HSQ-MQ-01、HSQ-MQ-02、HSQ-MQ-04鉆孔均揭露3煤采空區(qū)；HSQ-MQ-03號(hào)鉆孔未揭露采空區(qū)，主要是由于原有房柱式采空區(qū)回采率較低，煤柱留設(shè)不規(guī)范，可能打到遺留煤柱上。總體驗(yàn)證效果較好，表明可控源音頻大地電磁法可有效探測(cè)中深采空區(qū)。

表2 鉆孔施工驗(yàn)證情況Tab.2 Verification of drilling construction

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行干擾試驗(yàn)、參數(shù)試驗(yàn)等，確定了背景噪聲范圍，優(yōu)化了發(fā)射電流、測(cè)量頻段等施工參數(shù)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，確定了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用采集參數(shù)，測(cè)量頻帶為9 600～4 Hz，AB發(fā)射極距為840 m，最小收發(fā)距為8.9 km，發(fā)射電壓為700～850 V，發(fā)射電流為15 A，點(diǎn)距為30 m。根據(jù)榆林礦區(qū)的地質(zhì)條件，采用可控源音頻大地電磁法利用優(yōu)化參數(shù)對(duì)廟渠煤礦3煤采空區(qū)的分布情況進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)結(jié)果顯示采空區(qū)在測(cè)區(qū)內(nèi)分布比較集中，推斷有一高阻異常區(qū)域分布在廟渠和興維礦區(qū)，主要集中在廟渠礦區(qū)，在L1—L10線視電阻率斷面圖上均反映明顯，面積較大，分布范圍廣，推斷為3煤采空區(qū)，在廟渠礦區(qū)的面積約0.234 km2，并經(jīng)鉆孔驗(yàn)證，驗(yàn)證效果較好。