綜合物探方法在煤礦水文地質(zhì)勘查中的應用

湯金柜

（貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局114地質(zhì)大隊，貴州 遵義 563000）

煤礦水文地質(zhì)勘查可以初步查明礦區(qū)內(nèi)主要含水巖溶裂隙發(fā)育帶的分布位置及深度、采空區(qū)積水情況，為預防和避免礦坑涌水事故提供初步依據(jù)[1-3]。貴州省某煤礦位于上揚子地臺大婁山背斜南翼，構(gòu)造以褶曲為主。本次物探在測區(qū)共布置了高密度電測深法剖面5條（點距10 m，剖面總長6.5 km），可控源音頻大地電磁法剖面3條（點距50 m，剖面總長5.8 km）。

1 礦區(qū)地球物理特征

由新至老，該煤礦礦區(qū)內(nèi)及附近出露地層有第四系（Q）、三疊系下統(tǒng)夜郎組（T1y）、二疊系上統(tǒng)長興組（P3c）、二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M（P3l）、二疊系中統(tǒng)茅口組（P3m）。根據(jù)以往的物探成果及測井資料，測區(qū)內(nèi)各巖組的電阻率相對大小如表1所示。三疊系下統(tǒng)夜郎組（T1y）分為沙堡灣段（T1y1）和玉龍山段（T1y2）。積水采空區(qū)電性層為低阻體，未積水采空區(qū)為高阻體。

表1 煤礦地層電性特征

2 綜合物探方法技術(shù)要求

2.1 方法原理

高密度電測深法具有電阻率測深法和電阻率剖面法的雙重功能[4-7]。其中，電阻率測深法測量原理是保持測點不動，不斷改變電極距進行多次觀測，隨著供電電極的逐步增大，電流場逐步加深變廣，通過觀測視電阻率的變化，了解測點下部地下介質(zhì)在垂向上的電阻率變化；電阻率剖面法測量原理是保持供電電極及測量電極的距離不變，幾個電極同時沿測線逐點移動，觀測視電阻率的變化。它可以了解沿測線左右一定范圍及向下某一深度范圍內(nèi)在測線方向上地下介質(zhì)電阻率的變化。

可控源音頻大地電磁法（CSAMT）是一種電磁測深法，針對大地電磁測深法場源隨機性、信號微弱和觀測困難的缺點，改用人工控制場源，以獲得更好的探測效果[8-9]。它通過改變發(fā)射源的發(fā)射頻率達到測深目的，通過測量相互正交的電場和磁場分量計算卡尼亞視電阻率。視電阻率的計算公式為

式中：ρ為視電阻率；f為工作頻率；Ex為電場分量振幅；Ey為水平磁場分量振幅。

CSAMT法采用的人工場源有磁性源和電性源兩種。本次物探采用的電性源是在有限長（1～3 km）的接地導線中供以音頻電流，產(chǎn)生相應頻率的電磁場。電性源CSAMT法收發(fā)距長，因而探測深度大（通常可達2 km）。CSAMT法一般要求場源和測深點的距離達到3～5倍的趨膚深度，在平行于場源中垂線兩邊張角各30°的扇形區(qū)域內(nèi)逐點觀測電場分量和與之正交的水平磁場分量振幅和相位，進而計算卡尼亞視電阻率和阻抗相位。在音頻范圍內(nèi)逐次改變供電頻率，完成頻率測深觀測。趨膚深度的計算公式為

式中：δ為趨膚深度；ρ均為測區(qū)內(nèi)預期的平均電阻率；f為工作頻率。

2.2 技術(shù)參數(shù)設定

高密度電測深法使用了施倫貝爾排列。從主要技術(shù)參數(shù)來看，測量電極距為10 m，供電電極距為15～700 m，供電電壓為400 V，供電時間大于500 ms。可控源音頻大地電磁法采用橫磁波（TM）標量測量模式，發(fā)射偶極布設在測區(qū)北邊約10 km的黃泥堡、顧家碼頭附近，電偶極子與測線方向一致。收發(fā)距分別為9.4 km、10.2 km，接收偶極矩為50 m，發(fā)射偶極矩為1 208 m；最低工作頻率為1 Hz，最高工作頻率為8 192 Hz；發(fā)射電流為5～16 A。

2.3 資料處理

高密度電測深法數(shù)據(jù)進行100%的檢查復核，刪除個別畸變點，再進行反演和成圖。本次物探資料的圖示采用多種方式。可控源音頻大地電磁法的數(shù)據(jù)采用SCS2D軟件進行一維、二維圓滑模型反演。CSAMT數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

圖1 CSAMT數(shù)據(jù)處理流程

一是數(shù)據(jù)編輯。對野外采集的數(shù)據(jù)進行整理，剔除干擾或者無用的數(shù)據(jù)，利用專業(yè)軟件生成數(shù)據(jù)處理所需的文件格式。二是刪除畸變點。在SCS2D軟件中，再一次對畸變點數(shù)據(jù)進行直接刪除。三是一維、二維反演。采用專業(yè)軟件，對CSAMT數(shù)據(jù)進行一維、二維反演。該程序自動生成背景模型斷面，對反演擬合參數(shù)進行多次擬合迭代，最終生成不同深度的擬電阻率斷面模型。四是繪制一維、二維反演擬電阻率斷面圖。利用專業(yè)成圖軟件將程序生成的模型電阻率斷面轉(zhuǎn)換成Surfer網(wǎng)格化文件，經(jīng)軟件自動生成電阻率斷面圖，以dxf文件格式輸出，最后將其轉(zhuǎn)換為CAD格式成圖。

3 物探成果分析

該煤礦采用高密度電測深法與可控源音頻大地電磁法對二采區(qū)進行物探。根據(jù)地層電性特征，本測區(qū)探測的目標體（巖溶發(fā)育帶、充水采空區(qū)）為低阻體，因此低阻異常為有用異常。在視電阻率斷面圖中，總體來看，視電阻率不大于300 Ω·m的等值線反映了低阻異常的存在。因此，低阻異常區(qū)大致以視電阻率不大于300 Ω·m的等值線確定，對局部電阻率偏高或偏低的位置進行適當調(diào)整。本次物探工作的目的是查明二采區(qū)范圍內(nèi)煤礦采空區(qū)情況和含水巖溶裂隙的分布位置，因此物探解釋工作圍繞二采區(qū)范圍內(nèi)低阻異常進行。

3.1 測線1

物探測線315～493 m的位置存在一個向大號端傾斜的低阻帶，推測其為巖溶裂隙發(fā)育帶；測線631～691 m的位置存在一個向小號端傾斜的低阻帶，推測其為巖溶裂隙發(fā)育區(qū)；測線783～821 m的位置有低阻封閉圈，且與下部低阻有連通趨勢，推測其為巖溶裂隙發(fā)育區(qū)。結(jié)合這三處低阻異常形態(tài)與地表觀測到的地裂縫，推測測線913 m以東為采空區(qū)（積水），三處巖溶裂隙發(fā)育帶均由采空區(qū)垮塌引起。測線929～1 019 m的位置有一個帶狀低阻異常，推測其為巖溶裂隙發(fā)育區(qū)。

3.2 測線2

物探測線170～282 m的位置存在一個開口向上的低阻異常，推測其為巖溶裂隙發(fā)育區(qū)；測線282～473 m的位置淺部有封閉低阻異常，但發(fā)育規(guī)模較淺，對二采區(qū)煤礦影響不大；測線652～770 m的位置存在一個向下貫通的低阻異常，推測其為巖溶裂隙發(fā)育區(qū)；測線793～939 m的位置存在一個低阻封閉圈，推測其為巖溶裂隙發(fā)育區(qū)。結(jié)合整個反演斷面圖低阻異常形態(tài)，推測測線915 m以東為采空區(qū)（積水）。

3.3 測線3

物探測線57～270 m的位置存在一個開口向上的低阻異常，推測其為巖溶裂隙發(fā)育區(qū)；測線350～442 m的位置有一個帶狀低阻異常，推測其為巖溶裂隙發(fā)育區(qū)；測線761～1 071 m的位置存在一個貫通地表的封閉低阻圈，推測其為巖溶裂隙發(fā)育區(qū)；測線1 130 m附近存在一個貫通低阻帶，推測其為斷層破碎影響帶。

4 結(jié)論

經(jīng)推測，在一定深度內(nèi)，該煤礦二采區(qū)測線1、測線2以東均存在采空區(qū)引起的巖溶裂隙發(fā)育，測線3附近有斷層發(fā)育，其為正斷層，向東傾斜，傾角為73°左右。整個二采區(qū)灰?guī)r巖溶裂隙比較發(fā)育，分布有多處巖溶裂隙發(fā)育區(qū)。因二采區(qū)茅口灰?guī)r埋深較大，部分測線僅中心區(qū)域探深達到茅口灰?guī)r，個別測線完全沒有測到茅口灰?guī)r。可測范圍的物探結(jié)果顯示，茅口灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育一般。