基于可控源音頻大地電磁法的煤礦采空區探測研究

鄭 燕，宋德朝，宋 豪，張 寧，李卓彧，趙智超

（河南省航空物探遙感中心，河南 鄭州 450000）

為了查明修武縣七賢鎮旅游服務區建設場地地基穩定性以及煤礦采空區的分布狀況，為地基穩定性評價提供可靠的地質依據，通過開展可控源音頻大地電磁測深（CSAMT）工作，結合評價區已知水文、地質資料，查明評價區已知采空區的充水情況、塌陷范圍等，為旅游服務區規劃建設提供依據。

1 研究區地質概況

方莊礦新井礦區為山前沖洪積平原地貌，基巖被新近系和第四系地層全覆蓋。據鉆孔揭露，該區發育地層從老到新為奧陶系中統馬家溝組（O2m），石炭系上統本溪組（C2b）、太原組（C2t），二疊系下統山西組（P1sh）、下石盒子組（P1x）、上統上石盒子組（P2s）、新近系和第四系（N+Q）。

1.1 地層

（1）奧陶系中統馬家溝組（O2m）。礦區外西北部有大面積出露，為灰色厚層狀及巨厚層狀細—中粒白云質灰巖、灰色薄層角礫狀灰巖、深灰色厚層狀隱晶質微粒石灰巖、淺灰—灰色薄層狀泥巖。據區域資料厚度為400 m，鉆孔揭露最大厚度為70.07 m。

（2）石炭系（C）。僅發育上統本溪組和太原組地層，厚72.00～121.00 m，平均厚91.28 m。

（3）二疊系（P）。鉆孔揭露有二疊系下統山西組、下石盒子組及上統上石盒子組。①下統山西組（P1sh）。自L9灰巖頂至砂鍋窯砂巖底，厚72.00～120.00 m，平均厚100.59 m。山西組與下伏太原組整合接觸。②下統下石盒子組（P1x）。自砂鍋窯砂巖底至田家溝砂巖底，厚255.24～271.05 m，平均265.57 m。下石盒子組與下伏山西組呈整合接觸。③上統上石盒子組（P2s）。下起田家溝砂巖底，揭露厚度57.36 m。底部為灰、灰綠、灰黃色細—粗粒砂巖（田家溝砂巖St），成分以石英為主，泥硅質膠結，大型交錯層理，厚4.84～18.77 m，平均厚16.83 m。在DLW曲線上呈高阻反映，HGG、HG曲線上呈低密度、低伽馬值反映，為上、下石盒子組的分界標志層。其上部為灰、灰黃色泥巖、紫斑泥巖、砂質泥巖、粉砂巖及紫色細粒砂巖，與下伏下石盒子組整合接觸。

（4）新近系+第四系（N+Q）。巖性由礫石、黏土夾砂石、礫石流砂、黏土及砂質黏土組成，厚35～88 m，平均厚60 m，從北西向南東方向厚度有增大趨勢。新近系地層已經過半固結初期成巖階段，而第四系全為松散沉積物，與下伏各地層呈角度不整合接觸。

1.2 構造

方莊礦新井位于焦作煤田東北部，主要受北東向區域大斷層（小莊斷層、九里山斷層）、北西向斷層（方莊斷層）控制。礦區總體為走向175°～195°、傾向85°～105°、傾角17°左右的單斜構造。構造以高角度正斷層為主，礦區內共發育落差大于30 m的正斷層5條，邊界斷層2條（小莊斷層、九里山斷層）。按其展布方向，可分為北東向、北西向、近東西向和近南北向4組斷層。區內無巖漿巖，構造復雜程度屬中等。與此次工作直接相關的斷層主要有馮營斷層、方莊斷層、韓莊斷層及一些小型斷層。①馮營斷層。位于方莊斷層以南，是馮營礦井田北部邊界斷層，正斷層，走向305°～308°，傾向北，傾角50°左右，北盤下降，落差200 m左右。與方莊斷層構成地塹。②方莊斷層。位于方莊鎮北側，為新井南部邊界斷層，走向310°～320°，傾向220°～230°，傾角60°～75°，南西盤下降，正斷層，落差約200 m。③韓莊斷層。位于韓莊村南部，區內長1.7 km，斷層走向90°，傾向北，傾角75°左右，北盤下降，正斷層，中部落差70 m，兩端尖滅。

1.3 地球物理特征

收集以往在該地區及相臨研究區的工作電性資料，結合此次工作整理了區內相關地層及典型巖礦石的電性參數，列于表1。

表1 研究區地層巖性及巖礦石電性參數統計Tab.1 Statistics of strata lithology and electrical parameters of rock and ore in the study area

從表1可知，區內地層從新到老電阻率逐漸增大，下古生界奧陶系灰巖為明顯的高阻層，石炭系、二疊系電阻率中等，第四系電阻率變化較大，與地表礫石層等密切相關。總體上，第四系與煤系地層界面比較清晰，煤系地層與奧陶灰巖界面明顯。此次工作是在已知采空區分布的情形下進行的，要根據采煤層分布情況，結合采空區的電性特點來解決問題。從實際情況來看，一些采空區后期會充水，這就會極大地影響電阻率值，出現一定范圍的低阻區。而另外一些采空區則會塌陷形成空洞，這就會形成一些高阻區。同時由于采空區充水和空洞的分布不均勻，就會導致在其影響范圍內出現比地層電阻率偏低或偏高的區域，可以視為采空區的影響范圍。

2 可控源工作方法技術

2.1 方法原理

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。

（1）

假定地表電阻率固定時，電磁波的傳播深度（或探測深度）與頻率呈反比，高頻時，探測深度淺，低頻時，探測深度深。可以通過改變發射頻率來改變探測深度，達到頻率測深的目的。

（2）

式中，H為探測深度；ρ為電阻率；f為頻率。

2.2 儀器設備及性能測試

（1）儀器設備。工作中使用V8多功能電法系統，包括發電機組、發射機和接收機。

（2）儀器性能測試。為了保證野外工作的順利進行和測量數據的質量，出隊前項目組對所使用儀器進行了必要的檢修和維護保養，并在評價區對儀器進行了標定。標定對于儀器來說有2個功能：①檢查儀器是否正常，不正常的標定曲線表明儀器的記錄通道故障；②記錄儀器本身的標準信號響應。電信號道標定曲線如圖1所示。

圖1 電信號道標定曲線Fig.1 Electrical signal channel calibration curve

從標定曲線上可以看出，曲線圓滑無跳點，表明儀器運行正常，采集系統穩定可靠。同時對發射機和發電機也經過了多次嚴格的測試，以保證其發射電流穩定可靠。通過以上過程，確保該系統穩定。

2.3 野外工作方法

2.3.1 發射場源及觀測偶極布設

根據區內相關地質資料，保持與原勘探線方向一致，線距100 m，測點距50 m，測線方向133°，這一特點決定了場源及觀測偶極的方向。

（1）場源布設。對于可控源工作來說，場源的選擇至關重要，不同發射場源往往會對最終采集結果造成影響。結合水文地質勘探線剖面資料，確定該區勘探深度在500 m左右，為了取得好的資料，壓制外界干擾，此次工作發射極距AB鋪設2 km，收發距R在4.5～5.5 km。供電電極AB用4塊金屬材質的鋁板（30 cm×50 cm）作為電極，用4個深坑分別埋設，坑深在0.7 m左右，相鄰坑距離大于1 m，并進行了鹽水澆灌和填土壓實，起到減小接地電阻、增大供電電流的作用。

（2）測量偶極的布設。測量偶極（MN）平行于場源（AB），磁信號傳感器垂直于場源水平布設，位于發射偶極中軸線兩側各30°的扇形區內，記錄點在偶極MN連線的中心點，如圖2所示。

圖2 CSAMT法野外施工布極Fig.2 Field construction pole diagram of CSAMT method

采用EMAP觀測方式，6個電道偶極共用1個磁場分量的排列方式進行觀測，磁探頭一般安置在排列的中心點附近。

2.3.2 數據采集

先進行儀器的檢查，確認儀器各項參數正常后，通知發射端發射信號，數據采集頻率范圍1～7 680 Hz，采集的最高頻率為7 680 Hz，最低頻率為1 Hz，40個頻點，采集時間40 min。

測量過程中隨時觀察測量結果，包括頻點信號離差、實測數據視電阻率及相位曲線變化等，對數據離差較大、相位不穩的曲線以及異常地段進行復測，確保原始資料真實可靠。

3 資料處理

可控源數據的處理使用專門配套軟件CSAMT來完成，處理流程如圖3所示。預處理利用CMTPRO預處理軟件完成，主要進行測定坐標編輯、頻點取舍、剔除干擾大的跳點等工作，之后輸出為可供專門的反演解釋軟件識別的數據格式。

4 推斷解釋

4.1 試驗線和已知斷面解釋

為了區分采空區與非采空區的電性差異，了解地層結構及與之相對應的地電斷面，先對試驗線和已知地質斷面重合的測線進行解釋，確定解譯標志。

（1）試驗對比線。試驗線橫跨馮營斷層和方莊斷層，長度1 km，在馮營斷層以南、方莊斷層以北均為煤采空區，中間為兩斷層所形成的地塹，為非采煤區。馮營斷層以南煤層標高-100～-50 m，方莊斷層以北煤層標高-100～-50 m。地塹位置煤層可能缺失，已知資料顯示,煤層等高線分布在-250～-200 m，落差達到200 m。試驗線反演解釋斷面如圖4所示。

圖3 CSAMT數據處理流程Fig.3 CSAMT data processing flow chart

圖4 試驗線反演解釋斷面Fig.4 Cross-sectional view of test line inversion interpretation

從圖4可知，通過對試驗線反演結果解釋，采煤區和非采煤區電性差異比較明顯，斷層及地塹構造格局清晰。首先根據地層的地球物理特征從上至下對電性層進行了劃分：①第一電性層。對數電阻率0～1.6（即1～101.6Ω·m），連續分布，中間厚度較大，兩端較薄，推測為第四系和新近系覆蓋層（N+Q），厚度80～90 m。②第二電性層。對數電阻率1.6～2.6（101.6～102.6Ω·m），不連續分布，中間斷開，推測主要為二疊系地層（P），厚度100～200 m。③第三電性層。對數電阻率1.6～2.2（101.6～102.2Ω·m），不連續分布，中間斷開，推測主要為二疊系地層（C），厚度70～100 m。④第四電性層。對數電阻率2.2～3.6（102.2～103.6Ω·m），連續分布，推測為奧陶系地層（O），厚度大于200 m。

馮營斷層和方莊斷層之間形成較大范圍的低阻區，主要是由于斷層作用地層下陷、斷層破碎帶等影響所致。馮營斷層以南的已知采空區，其電阻率基本和原圍巖二疊系地層基本一致，推測采空區未充水，其中的含水層也已基本被疏干，局部出現高阻區，推測為采空區塌陷形成較大的空洞所致。方莊斷層以北的已知采空區也具有相同的地球物理電性特點。

（2）5號剖面線。5號測線與已知的第27水文地質勘探線部分重合，為此將地質勘探線資料及煤層線與反演斷面進行重合解釋，通過上述地層與電性層的對應關系，首先對地層進行了劃分。5號線反演解釋斷面如圖5所示。

圖5 5號線反演解釋斷面Fig.5 Line 5 inversion interpretation section

從圖5可知，在煤層被采空的部分，其電性差異相對比較明顯，50—150號點，采空區表現為中高阻，對數電阻率為2.0～2.6（102～102.6Ω·m），基本與二疊系地層電阻率一致，推測該段未充水。175—350號點，表現為低阻區，對數電阻率為0～1.4（1～101.4Ω·m）推測該段采空區充水，從而導致電阻率下降。350—500號點，表現為中阻，對數電阻率為1.6～1.8（101.6～101.8Ω·m）推測該段未形成空洞，但塌陷后有滲水現象發生。

（3）10號剖面線。根據上述地層與電性層的對應關系以及斷層顯示特點，對10號剖面進行了反演解釋。10號測線與已知的第28水文地質勘探線部分重合，將地質勘探線資料及煤層線與反演斷面進行重合解釋，如圖6所示，從圖6可知，在煤層采空的部分，其電性差異相對比較明顯，0—75號點，煤采空區表現為中高阻，基本與二疊系地層電阻率一致，推測該段未充水。75—250號點，表現為低阻區，推測該段采空區充水，從而導致電阻率下降。250—350號點，表現為中阻，推測該段采空區受韓莊斷層影響，有滲水現象發生。韓莊斷層以東，375—425未進行采煤，低阻區主要是斷層滲水影響所致。425—525采煤之后為高阻區，推測未充水。

4.2 未知剖面的推斷解釋

通過上述已知剖面及試驗線的定性定量解釋，基本確立了該區的解釋思路。首先劃分地層，在此基礎上利用煤層等高線在剖面確定煤層的位置，之后根據其電性特點判斷采空區性質，充水為低阻，未充水或根據采煤情況確定的未采空區域則顯示為中高阻，地層塌陷滲水區域則表現為偏中低阻。

圖6 10號線反演解釋斷面圖Fig.6 Line 10 inversion interpretation section diagram

（1）1號測線。1號測線受地面建筑干擾影響，只做了4個測點，1號線反演解釋如圖7（a）所示。由圖7（a）可知，地層分界線較為明顯，新近系和第四系地層厚度約90 m，表現為中高阻，根據地表調查，該區存在礫石層，與高阻特征吻合。二疊系地層厚度約100～120 m，總體表現為中低阻。石炭系地層50～60 m，中等偏高的電阻率。下部為奧陶系地層，表現為中高阻。煤層分布在標高0～+50 m，根據其電性特點主要表現為中低阻，推測采空區受斷層影響發生滲水。

（2）2號測線。2號測線主要位于非采煤區，小斷層比較多，對電性解釋影響較大。2號線反演解釋如圖7（b）所示。由圖7（b）可知，地層分界線較清晰，新近系和第四系地層厚度約60 m，表現為中高阻，主要與礫石層的存在有關。二疊系地層厚度150～200 m，電性受到斷層影響，總體表現為斷層以西為低阻，以東為高阻。石炭系地層50～150 m，受斷層滲水影響中等偏低的電阻率。奧陶系地層主要在剖面東段，埋深在300 m左右。

（3）3號測線。3號線反演解釋如圖7（c）所示。由圖7（c）可知，煤層采空區電性差異變化較大，75—175號點，煤層采空區表現為中高阻，對數電阻率為1.8～2.2（101.8～102.2Ω·m），基本與二疊系地層電阻率一致，推測該段未充水。175—230號點，表現為中低阻區，對數電阻率為1～1.6（即10～101.6Ω·m）推測該段采空區滲水，從而導致電阻率相對下降。230—300號點，表現為中高阻，對數電阻率為1.8～2.2（101.8～102.2Ω·m）推測該段采空區塌陷后形成規模較小的空洞，300—375號點，表現為中低阻區，推測為滲水區。

（4）4號測線。4號線反演解釋如圖8（a）所示。由圖8（a）可知，反演斷面電性界面清晰。中間受斷層影響，從采煤面采空區的電性情況來看：75—175號點，為中高阻區，推測采空區未充水。175—450號點，采空區主要表現為中低阻，推測為滲水區域，同時采空區下部可能存在水量較大的含水層。

（5）6號測線。6號線反演解釋如圖8（b）所示。由圖8（b）可知，與5號線地層結構一致。從二1煤分布情況來看，電性情況變化比較復雜，表現為75—200號點，為中阻區，與地層電阻率一致，根據地質資料，該段可能沒有采煤，但由于受斷層影響，可能發生滲水。200—425號點，主要表現為低阻，推測為充水區域，在325—375號點形成低阻凹陷，推測可能為充水后形成較大的陷落坑。425—475號點，電性特點表現為從低到高的過渡，推測主要為斷層影響區。475—512號點，為中高阻，推測這一段可能為未采空區。512—575號點為中低阻，推測可能為滲水區。

圖7 1號線、2號線和3號線反演解釋Fig.7 Line 1，Line 2 and Line 3 inversion explanation

圖8 4號線、6號線和7號線反演解釋Fig.8 Line 4，Line 6 and Line 7 inversion explanation

（6）7號測線。7號線反演解釋如圖8（c）所示。由圖8（c）可知，地層劃分比較簡單。從二1煤分布情況來看，電性情況變化也較為簡單，基本全部表現為中低阻區。推測50—200號點的中低阻區滲水，200—475號點，表現為顯著低阻，推測為充水區，475—650，低阻，推測為充水區。

（7）8號測線。8號線反演解釋如圖9（a）所示。由圖9（a）可知，地層結構比較劃分清晰。但是采空區的電性情況變化卻較為復雜，以中低阻區為主，局部出現中高阻，具體表現為0～150 m，采空區上部為中阻，下部為低阻，推測上部水隨采空區塌陷下滲。150～250 m，出現隔斷性質的中阻，推測該處采空區未大規模充水。250～350 m，出現典型的充水低阻區。350～475 m，中高阻區，推測該區未充水。475～625 m，低阻區，推測充水。從整體看，充水為主，局部可能與采煤工程有關未充水。

（8）9號測線。9號測線反演解釋如圖9（b）所示。由圖9（b）可知，地層結構、斷層劃分清晰。采空區的電性以中阻和低阻區為主，說明該測線以滲水為主和充水為主。具體表現為：0—125號點，采空區為中阻，推測局部滲水；125—150號點為斷層；150—300號點，中低阻，推測該處采空區滲水，200～250 m為隔斷性質的中阻區；300號點，推測存在斷層，300～575 m為低阻區，推測為充水區。

（9）11號測線。11號線反演解釋如圖9（c）所示。由圖9（c）可知，測線地層分層界限明顯，由于地表干擾，影響下部分辨率，解釋深度為300 m，推測未能探測到奧陶系地層。從煤層所在的位置來看，以中高阻為主，推測未充水。

（10）12號測線。測線地層分層界限明顯，由于地表干擾，影響下部分辨率，解釋深度為300 m，推測未能探測到奧陶系地層。從煤層所在的位置來看，以中高阻為主，推測未充水。

圖9 8號線、9號線和11號線反演解釋Fig.9 Line 8，Line 9 and Line 11 inversion explanation

4.3 平面推斷解釋

通過上述對剖面線的逐一推斷解釋，利用目標采空區的電性高低及等值線稀疏或密集程度對采空區充水區、滲水區、未充水區及斷層等情況作了推斷解釋。為了更全面地評價地塊情況，將剖面成果進行平面綜合分析。首先提取對應采空區層面的測點電性值，繪制垂直投影的平面等值線（圖10）。從圖10來看，地塊受到滲水或充水影響的區域較大，其電性值為0.5～1（100.5～101Ω·m），低阻區。圖中黑色實線圈定的區域為推測充水區。在整個地塊共5處，編號為Ⅰ—Ⅴ。其中Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ號充水區影響范圍大，為主要的充水區。

圖10中黑色虛線圈定的區域推測為受到充水、滲水等因素影響的區域。其電性值為0.5～1.4（100.5～101.4Ω·m），為中低阻區。從整個地塊來看，占了35%～40%的面積。其余則不同程度受到滲水區的影響而使地層發生變化。電性值為1.4～2.0的區域，推測其滲水影響小，地層有塌陷。圖10中紅色虛線圈定的區域電性值大于2的區域，則有可能形成了空洞區。通過提取采空區所在層面的高程值，可作出整個評價區采空區立體分別圖，同時提取對應點位的電性值，繪制等值線，二者相互結合，便形成了采空區電性立體圖（圖11）。

綜上所述，通過對物探剖面及平面的綜合解釋，對修武縣七賢鎮旅游服務區建設場地的地層情況、斷層影響及采空區含水性情況有了比較客觀的評價。

圖10 采空區電性垂直投影平面Fig.10 Electric vertical projection plane of goaf

評價區的西部及東北臨近邊界區域電性值高，推測形成空洞的可能性大。中東部共圈定5處充水異常及與之相關的滲水異常。為便于對比分析，將相關異常列于表2。

圖11 采空區層面電性特征立體圖Fig.11 Stereo map of electrical characteristics of goaf level

表2 充水異常Tab.2 Abnormal water filling

5 結論

修武縣七賢鎮旅游服務區建設場地地基穩定性評價物探項目組成員嚴格按照《可控源聲頻大地電磁法技術規程》（SY/T 5772—2002）進行設計，并制定了針對該區的大點距試驗、小點距施工的方案，使用儀器先進，取得了較高質量的原始數據。在數據處理和解釋的過程中，結合區內已知資料，并采取相應的技術手段進行了大量的數據分析和處理，提高了成果的可靠度。

（1）評價區全部位于采空區影響范圍，且煤層面埋藏較深，根據已知煤層的深度結合探測到的電性特點，確定了煤采空區的充水、滲水區以及可能形成空洞的區域。經過綜合對比解釋，評價區采空區的充水區主要分布在地塊的中部和東部，電性值表現為低，滲水影響范圍大。

（2）地塊西部形成空洞的可能性大，含水性相對較弱。