張克聰張永超李宏杰李帝銓4

（1.甘肅靖遠(yuǎn)煤電股份有限公司王家山煤礦，甘肅省白銀市，730917；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京市朝陽區(qū)，100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京市朝陽區(qū)，100013；4.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南省長沙市，410083）

高分辨率CSAMT探測淺埋煤層采空區(qū)應(yīng)用研究

張克聰1張永超2，3李宏杰2，3李帝銓4

（1.甘肅靖遠(yuǎn)煤電股份有限公司王家山煤礦，甘肅省白銀市，730917；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京市朝陽區(qū)，100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京市朝陽區(qū)，100013；4.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南省長沙市，410083）

以榆林市某礦為例，從施工參數(shù)、實測數(shù)據(jù)以及反演結(jié)果等方面對淺埋煤層采空區(qū)進(jìn)行CSAMT高分辨率探測研究。通過對中高頻進(jìn)行優(yōu)化以及采用多種抗干擾措施，在干擾較強的測區(qū)取得了可靠的實測數(shù)據(jù)，未采區(qū)和采空區(qū)的視電阻率曲線與相關(guān)資料吻合極好，證明了該方法的可行性。反演視電阻率斷面與地質(zhì)資料、采掘資料以及鉆孔的吻合則進(jìn)一步表明CSAMT探測淺埋煤層采空區(qū)具有較高的分辨率和良好的效果。

可控源音頻大地電磁法 淺埋煤層 采空區(qū) 探測 高分辨率

晉陜蒙交界區(qū)域是我國煤炭的主要產(chǎn)區(qū)之一，由于歷史原因，該區(qū)域的小煤窯遺留了眾多分布和規(guī)模不明的采空區(qū)。這些采空區(qū)埋藏一般較淺，有的裂隙帶甚至發(fā)育到地表，它們輕則影響煤礦生產(chǎn)計劃，重則誘發(fā)突水、礦震等安全事故。為便于地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防治理、煤礦采掘計劃規(guī)劃，需探明采空區(qū)的位置和含水性。采空區(qū)探測常用的物探方法有高密度電法、瞬變電磁法、三維（二維）地震法等，這些方法在實踐中有很多成功的范例，但在人文干擾強的地方其探測結(jié)果的可靠性往往會受到一定影響。

可控源音頻大地電磁法（Controlled sourceaudio-frequency magnetotellurics，簡寫為CSAMT）采用大功率人工發(fā)射源，具有抗干擾能力強的優(yōu)點，在一些人文干擾較強、傳統(tǒng)物探方法難以實施的地區(qū)也能取得較好的結(jié)果。以榆林市某礦強人文干擾區(qū)域的實踐為例，研究高分辨率CSAMT探測淺埋煤層采空區(qū)的施工參數(shù)選擇、數(shù)據(jù)處理及探測效果。

1　CSAMT原理

基于電磁波傳播理論和麥克斯韋方程組，可以導(dǎo)出水平電偶極源“遠(yuǎn)場區(qū)”的卡尼亞視電阻率ρs與平行電場Ex、垂直磁場Hy的關(guān)系式：

式中：ρs——視電阻率，Ω·m；

f——頻率，Hz；

Ex——電場強度，μV/m；

Hy——磁場強度，n T。

通過地面上觀測到兩個正交的水平電磁場（Ex，Hy）可獲得地下的卡尼亞視電阻率ρs。

根據(jù)電磁波的趨膚效應(yīng)理論，可以導(dǎo)出探測深度的公式：

式中：δ——探測深度，m；

ρ——電阻率，Ω·m。

當(dāng)電阻率一定時，頻率與探測深度成反比，可以通過改變發(fā)射頻率來改變探測深度，從而達(dá)到變頻測深的目的。常用的CSAMT工作布置如圖1所示。

圖1　CSAMT工作布置示意圖

2　工程概況

榆林市某煤礦建成伊始曾在測區(qū)內(nèi)進(jìn)行過開采活動，相關(guān)資料已大多佚失。測區(qū)內(nèi)房屋較多且在西部有多條高壓線，根據(jù)調(diào)查，鄰近煤礦的采空區(qū)曾誘發(fā)過里氏3.0級以上的礦震，為消除安全隱患，需先查清采空區(qū)的分布。由于測區(qū)人文干擾較強，其它的物探方法在該區(qū)難以實施，因此選用CSAMT進(jìn)行探測，共設(shè)計12條測線，線距為60 m，點距為30 m，測點分布見圖2。儀器采用V8多功能電法儀。

3　地質(zhì)條件和地球物理特征

3.1 地質(zhì)條件

測區(qū)地層由下至上分別為侏羅系中統(tǒng)延安組（J2y）、新近系上新統(tǒng)靜樂組（N2j）、第四系（Q）。其中，J2y巖性以砂泥巖互層為主，是測區(qū)主要的含煤地層，頂部受較強風(fēng)化；N2j巖性為紫紅色粘土，是本區(qū)重要的隔水層；Q下部巖性為砂土，上部以風(fēng)積沙為主，其涵養(yǎng)的地下水是本區(qū)主要的飲用水源。區(qū)內(nèi)無斷層、褶皺等構(gòu)造，地層呈近水平層狀分布。

該礦開采3#煤層，是區(qū)內(nèi)最上部的一個煤層，賦存于侏羅系中統(tǒng)延安組第三段頂部，煤層厚度大于6 m且穩(wěn)定，埋深約105 m。

3.2 正常巖層的地球物理特征

根據(jù)相鄰礦井的測井曲線（見圖3），區(qū)內(nèi)泥巖電阻率最低（小于50Ω·m），粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖電阻率較低（約70Ω·m），細(xì)砂巖電阻率中等（70～90Ω·m），中—粗砂巖電阻率稍高（100～120Ω·m），3#煤層電阻率最高（大于300Ω·m），煤系地層平均視電阻率約90Ω·m。

根據(jù)地層分布和電性特征，可以推斷測區(qū)由地表至煤層底板的地電結(jié)構(gòu)應(yīng)呈KHK型，即第四系含水層為低—中阻，靜樂組或侏羅系頂部風(fēng)化帶為中—高阻，侏羅系砂泥巖互層為低—中阻，3#煤層為高阻，底板泥巖為低阻。

3.3 采空區(qū)的地球物理特征

煤層被采空后由于采空區(qū)和兩帶發(fā)育了大量的空洞和裂隙，其電阻率與正常巖層的電阻率會有明顯的差異。采空區(qū)及兩帶不（弱）充水時，其電阻率會高于正常巖層；采空區(qū)及兩帶充水時，其電阻率會低于正常巖層。

圖2　CSAMT測線及測點布置圖

圖3　侏羅系煤系地層特征及測井曲線

4　參數(shù)選擇

合理的參數(shù)不僅能提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，還能簡化數(shù)據(jù)處理的流程，因此應(yīng)結(jié)合地質(zhì)條件和探測目的詳細(xì)分析。由于目標(biāo)體埋藏較淺，根據(jù)式（2）計算其對應(yīng)的頻率較高，因此本次施工參數(shù)應(yīng)針對高頻進(jìn)行優(yōu)化。

（1）AB極距。在保證AB極所張的60°扇形區(qū)域能覆蓋測區(qū)的基礎(chǔ)上，選擇較短的AB極距能減小接地電阻，提高發(fā)射電流，更好地激發(fā)高頻信號，增強抗干擾能力。根據(jù)現(xiàn)場條件確定AB極距為750 m。

（2）收發(fā)距。收發(fā)距過小，信號易進(jìn)入過渡場和近場，此時卡尼亞視電阻率發(fā)生畸變，即使做近場校正，也很難校正到和遠(yuǎn)場區(qū)一樣；收發(fā)距過大則會造成信號強度小，抗干擾能力弱。滿足高頻頻點的遠(yuǎn)場區(qū)條件不需要太大的收發(fā)距，還可保證信號強度，提高抗干擾能力。經(jīng)現(xiàn)場試驗后選擇收發(fā)距最小為2.90 km。

（3）頻段頻點。選擇中高頻段，頻率為9600 ～32 Hz。儀器的基礎(chǔ)頻點間隔較大，需加密頻點以提高分辨率，但受體積效應(yīng)的影響電法分辨率有一個上限，頻點過密不一定能取得更好的效果反而會增加疊加時間。考慮施工效率，選擇在2個基礎(chǔ)頻點間再插入1個頻點，共18個頻點。

（4）發(fā)射電流。在保證儀器穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)上選擇盡可能大的發(fā)射電流，可以提高抗干擾能力，本次發(fā)射電流為14 A。

上述參數(shù)為200 m深度范圍內(nèi)探測結(jié)果的可靠性奠定了良好的基礎(chǔ)。

5　抗干擾措施

除施工參數(shù)有針對性地提高信號強度、增強抗干擾能力外，施工時還采取以下抗干擾措施。

（1）保證相鄰電極間的接地電阻小于1 kΩ，以增強電場信號強度，提高信噪比。

（2）在每一個排列的測量中，將磁探頭調(diào)整至干擾較小的測點處，盡量避免磁場受到干擾。

（3）測線沿途存在多條高壓和民用輸電線，由于干擾信號的強度大體上反比于距離的平方，因此除儀器設(shè)置50 Hz濾波外，還將部分測點偏離輸電線一定距離以減小干擾。

6　數(shù)據(jù)分析

9號測線（簡稱9線）穿過已知采空區(qū)和未采區(qū)，且沿線存在電力線和多處民房，地質(zhì)條件和干擾條件都具有代表性，因此選擇該線上已知采空區(qū)（270號點）和未采區(qū)（690號點）的實測視電阻率曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)對比分析，如圖4所示。圖中橫軸和縱軸均采用對數(shù)坐標(biāo)。由實體煤層的視電阻率曲線可見，9600 Hz處視電阻率較低，反映了近地表的電阻率較低；7680～5120 Hz段視電阻率稍高；5120～2560 Hz段視電阻率逐漸降低；2560～1024 Hz段視電阻率緩慢升高；711.1 Hz和512 Hz處視電阻率稍低，可見原始數(shù)據(jù)非常好地反映了由地表至煤層底板的KHK型地電結(jié)構(gòu)。采空區(qū)的視電阻率曲線的變化趨勢與實體煤層基本相同，但部分頻點的視電阻率高于實體煤層，其中1280 Hz和1024 Hz兩個頻點處的視電阻率高出未采區(qū)對應(yīng)頻點約60%。將煤系地層的平均視電阻率90Ω·m代入式（2）可得，1024 Hz對應(yīng)的探測深度約108 m，接近煤層埋深，可見原始數(shù)據(jù)很好地反映了采空區(qū)的存在，高阻特征則說明該采空區(qū)基本不充水。

圖4　實測視電阻率曲線對比

由原始數(shù)據(jù)曲線可見，由于采用多種措施來增強信號強度，提高信噪比，因此即使在干擾較強的測區(qū)，CSAMT的原始數(shù)據(jù)也有很高的可靠度。此外，若采用不加密的基礎(chǔ)頻點可能會丟失一些關(guān)鍵的轉(zhuǎn)折點信息，致使分辨率降低。

7　資料處理

（1）去噪。本次工作雖采用了多種抗干擾措施，但個別測點難免會受到干擾。經(jīng)對比五點三次平滑、五點二次平滑、五點漢寧窗濾波后，最終選用保持原始數(shù)據(jù)曲線趨勢和去噪效果相對均衡的五點二次平滑算法進(jìn)行去噪。

（2）靜態(tài)校正。靜態(tài)效應(yīng)會使結(jié)果產(chǎn)生垂向條帶狀虛假異常，需進(jìn)行校正。常用的靜態(tài)校正方法有相位數(shù)據(jù)變換法、磁場數(shù)據(jù)變換法、空間濾波法和曲線平移法。經(jīng)過對比，采用操作簡便、實踐效果較好的漢寧窗空間濾波與曲線平移相結(jié)合的人機聯(lián)合方式進(jìn)行靜態(tài)校正。

（3）數(shù)據(jù)反演。由于參數(shù)設(shè)置得當(dāng)，遠(yuǎn)場區(qū)的資料能很好地反映目標(biāo)體，因此不做近場校正。傳統(tǒng)的CSAMT（MT）反演算法縱向分辨率較低，難以滿足探測淺埋煤層采空區(qū)的需要，本次采用計算速度快、分辨率高的非線性共軛梯度法進(jìn)行數(shù)據(jù)反演。

8　成果分析

9線和2線的反演視電阻率斷面圖見圖5和圖6，圖上煤層底板以粗虛線標(biāo)示出。兩條測線的反演斷面都很好地反映了由地表至煤層底板的KHK型地電結(jié)構(gòu)，反演結(jié)果的分辨率較高。已知采空區(qū)與高阻異常吻合較好，根據(jù)已知采空區(qū)的特征，將煤層附近視電阻率在450Ω·m（等值線以細(xì)虛線標(biāo)示）以上的區(qū)域推斷為采空區(qū)。推斷采空區(qū)1的采出率可能較低，其兩帶反映不明顯，推斷采空區(qū)2的兩帶形態(tài)則在圖上有明顯反映。采空區(qū)的裂隙帶均未發(fā)育到第四系含水層，表明采空區(qū)充水的可能性很小。

圖5　9線反演視電阻率斷面圖

圖6　2線反演視電阻率斷面圖

在9線的510號點和540號點之間布置了驗證鉆孔，由于礦民糾紛該孔進(jìn)尺至62.7 m時被迫停止。根據(jù)打鉆時的簡易水文觀測，鉆進(jìn)至約59 m后，漏水量開始顯著增加，巖芯也出現(xiàn)裂紋，可以判定鉆孔已揭露裂隙帶頂部，與物探推斷的結(jié)果基本相符，表明此次探測結(jié)果的可靠性較高。

9　結(jié)論

針對高分辨率CSAMT探測淺埋煤層采空區(qū)，從多方面進(jìn)行了研究分析，結(jié)論如下：

（1）應(yīng)充分掌握測區(qū)的地質(zhì)條件和物性特征，這是取得良好探測結(jié)果的基礎(chǔ)。

（2）施工參數(shù)應(yīng)針對 中高頻進(jìn)行優(yōu)化，選擇合理但較小的AB極距和收發(fā)距，這樣還有利于增強信號強度、提高抗干擾能力。在2個基礎(chǔ)頻點間再插入1個頻點，可提高分辨率。

（3）通過采用多種抗干擾措施，在干擾較強的測區(qū)也獲得了可靠的實測數(shù)據(jù)。視電阻率曲線很好地反映了測區(qū)的地電結(jié)構(gòu)，未采區(qū)和采空區(qū)的視電阻率曲線對比也證明了該方法的可行性。

（4）采用合理的資料處理流程和反演算法，得到了分辨率較高的結(jié)果。與地質(zhì)資料、采掘資料以及驗證鉆孔的吻合表明結(jié)果的可靠性很高。

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（責(zé)任編輯 郭東芝）

Research on application of CSAMT with high resolution for detecting goaf in shallow coal seam

Zhang Kecong1，Zhang Yongchao2，3，Li Hongjie2，3，Li Diquan4
（1.Wangjiashan Coal Mine，Gansu Jingyuan Coal Industry and Electricity Power Co.，Ltd.，Baiyin，Gansu 730917，China；2.Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute，Chaoyang，Beijing 100013，China；3.State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization，Chaoyang，Beijing 100013，China；4.School of Geosciences and Info-Physics，Central South University，Changsha，Hunan 410083，China）

Taking a coal mine in Yulin as an example，goaf in shallow coal seam was detected and researched with CSAMT with high resolution from different aspects such as construction parameters，measured data and invertion results.By optimizing the medium-high frequency and adopting various anti-jamming measures，reliable measured data had been acquired even in the heavy interference area，the apparent resistivity curves of unmined area and goaf perfectly fitted the related data，which validated this method.The sections of inverted apparent resistivity were consistent with the geological data，mining data and borehole data，which further showed that detecting the goaf in shallow seam with CSAMT had relative high resolution and favorable effects.

CSAMT，shallow coal seam，goaf，detecting，high resolution

P631.2

A

張克聰（1973-），男，甘肅會寧人，工程師，從事煤礦地質(zhì)研究。