杜明澤，張永超，黎 靈，牟 義，王國庫

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013；3.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧 阜新 123000)

我國煤炭資源豐富，礦井水文地質(zhì)條件復(fù)雜，水害事故常年居煤礦五大災(zāi)害第二位[1]。隨著西部煤炭資源開發(fā)，煤炭水害又呈現(xiàn)出新的特點。西部深埋侏羅紀由于受沉積環(huán)境和構(gòu)造條件的影響和控制，其砂巖地層富水性不均，導(dǎo)致在煤層開采過程中水害發(fā)生日益頻繁[2，3]。雖然近年來我國礦井水害防治取得了豐富的成果，但由于地質(zhì)條件類型多樣，開采深度加大，隱蔽致災(zāi)因素多樣，煤礦水害防治形勢依然嚴峻，煤礦水害防治仍然是開采面臨的技術(shù)難題[4，5]。

斷層是煤礦開采中常見的地質(zhì)構(gòu)造，而斷層的導(dǎo)水性關(guān)系到煤礦的安全生產(chǎn)。因此，構(gòu)造的導(dǎo)水性探查是煤礦水害防治非常重要的環(huán)節(jié)。目前，常用的構(gòu)造導(dǎo)水性探查手段多為鉆探、物探[6]。鉆探技術(shù)作為最基礎(chǔ)最直接的探查方法，具有探測精確度高的優(yōu)點，但測量范圍通常為代表性地層的“點”測量，大面積探查成本較高。物探方法作為科學(xué)的探查方法越來越受到重視，其具有測量范圍大、對地層擾動小的特點，近年來在構(gòu)造和地層富水性、采空區(qū)探查等方面也取得了一系列的研究成果，尤其是以瞬變電磁法(TEM)為主的探測在礦井構(gòu)造或工作面富水性方面應(yīng)用較廣。李宏杰等[7]采用瞬變電磁，結(jié)合三維地震勘探，探測斷層和陷落柱等隱蔽地質(zhì)構(gòu)造位置、分布范圍和富水情況；李文等[8]分析了地震類和電磁類物探方法的特點，并以晉城某礦為例，采用瞬變電磁法、直流電法，提高了礦井構(gòu)造探測的精確度；程久龍等[9]從方法原理、研究現(xiàn)狀、技術(shù)特點和儀器設(shè)備4個方面總結(jié)了地震方法、直流電法、瞬變電磁法等物探方法在超前探測的研究進展，并提出了掘進工作面地球物理方法超前探測的發(fā)展方向；牟義等[10]采用瞬變電磁法研究了淺埋深采空區(qū)不同線框尺寸、發(fā)射電流、發(fā)射頻率、增益等參數(shù)條件下單支曲線電磁響應(yīng)特征，并將參數(shù)優(yōu)化結(jié)果應(yīng)用到實際探測中，提高了采空區(qū)探測的精細化程度。

然而，各物探方法都具有優(yōu)劣性，瞬變電磁法雖然在斷層導(dǎo)水性探測、巷道超前探測、工作面頂?shù)装甯凰蕴綔y中應(yīng)用較廣，具有對低阻體敏感的優(yōu)點，但多集中在淺埋(<100m)地層富水構(gòu)造上，對于深埋隱伏斷層導(dǎo)水性的探查相對較差。可控源音頻大地電磁法(CSAMT)由于使用可控制的人工場源，具有抗干擾能力強、不受高阻層屏蔽等優(yōu)點，在深部地層富水性探測中有較好的應(yīng)用[11-14]，但在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用不多，對深埋斷層富水性的響應(yīng)特征研究較少。鑒于此，本文以內(nèi)蒙古某礦井田邊界斷層為研究對象，在斷層落差大、埋深大條件下，采用CSAMT手段對井田邊界斷層導(dǎo)水性的響應(yīng)特征進行研究，在此基礎(chǔ)上，探查了隱伏斷層的導(dǎo)水性，并與瞬變電磁結(jié)果進行對比，實現(xiàn)了精準探測的目標(biāo)，以期為深埋構(gòu)造富水性探測提供參考。

1 地質(zhì)條件及測區(qū)概況

1.1 地質(zhì)條件

內(nèi)蒙古某礦井田地質(zhì)由老到新依次為三疊系延長組(T3y)、侏羅系延安組(J2y)、侏羅系直羅組(J2z)、白堊系志丹群(K1zd)、古近系(E)及第四系(Q)。其中含煤地層為侏羅系延安組，蓋層為白堊系、古近系及第四系；三疊系延長組為侏羅系含煤巖系的基底。井田內(nèi)2、2下、5、8、15、16、18、19、20、21煤為主采煤層。

DF20斷層位于井田西部邊界，為逆斷層，切穿所有煤層至白堊系，斷層落差大于150m，目前該斷層含導(dǎo)水性暫未探明，采掘期間可能是煤層頂?shù)装搴畬拥闹饕渌ǖ乐唬?煤和15煤位于該斷層的下盤。F2斷層位于井田東部邊界，為逆斷層，落差大于500m，斷層切穿所有煤層延至白堊系。FD5位于井田南部，西靠DF20斷層，F(xiàn)2斷層，為正斷層，落差0～25m，切割所有煤層。

1.2 測區(qū)概況

測區(qū)位于井田南部，井田西部邊界DF20斷層、東部邊界F2斷層及橫貫井田東西的FD5斷層上方。測區(qū)總體呈一東西長約2520m、南北寬約480m的矩形，面積1.21km2。CSAMT測網(wǎng)密度為80m×20m，即線距80m，點距20m，本次勘查采用V8多功能電法儀，測區(qū)范圍及CSAMT測點布置如圖1所示。

圖1 測區(qū)范圍及測點布置

1.3 地球物理特征

當(dāng)斷層為導(dǎo)水?dāng)鄬訒r，因?qū)ǖ辣坏妥璧乃w填充，一般呈低阻異常；與之相反，斷層不導(dǎo)水時，一般呈高阻異常。高/低阻異常的強度、范圍與斷層的埋深、斷距以及平面展布范圍等因素相關(guān)。DF20、F2這兩條邊界斷層和FD5斷層邊界斷層具有較大的斷距(大于100m)和一定平面展布，與圍巖介質(zhì)有明顯的電性差異，這為以電性差異為前提的可控源音頻大地電磁法提供了良好的應(yīng)用前提。

2 CSAMT、TEM原理及適用性分析

2.1 CSAMT、TEM原理

CSAMT是20世紀80年代末興起的一種地球物理新技術(shù)，是在大地電磁法(MT)和音頻大地電磁法(AMT)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的人工源頻率域測深方法。基于電磁波傳播理論和麥克斯韋方程組，可以導(dǎo)出水平電偶極源遠場區(qū)的卡尼亞視電阻率公式：

式中，f為頻率，只要在地面上能觀測到兩個正交的水平電磁場(Ex，Hy)就可獲得地下的視電阻率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代表探測深度?？梢婋姶挪ǖ奶綔y深度與頻率成反比，通過改變發(fā)射頻率即可改變探測深度，達到測深的目的。

TEM是利用一個不接地的回線源或接地線源向地下發(fā)射脈沖電磁波作為激發(fā)場源，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，脈沖電磁波結(jié)束以后，大地在激發(fā)場的作用下，內(nèi)部會產(chǎn)生感生的渦流激發(fā)的新磁場(稱為“二次場”)。通過觀測和研究“二次場”的空間分布特性和時間特性，進而推測解譯地層或地質(zhì)目標(biāo)體的幾何和物性特征，從而達到探測的目的。

2.2 適用性分析

CSAMT優(yōu)點：人工信號強度大，抗干擾能力強；分辨率高；工作效率高；勘探深度范圍大，一般可達1～2km。CSAMT分辨率更高，電磁場信號更強，對深部更加敏感。因此，采用可控源音頻大地電磁法對深埋大落差隱伏斷層的導(dǎo)水性進行探查，提高解釋精度和可靠性，進而達到復(fù)雜條件下斷層導(dǎo)水性的精準探測。

TEM優(yōu)點：對低阻體敏感性強，對水體或低阻巖體的探測效果好；探測范圍大，可以實現(xiàn)從數(shù)十米至上千米的探測深度，淺部探測效果尤為突出；地形影響小，測量簡單，工作效率高。鑒于此，對于深埋隱伏斷層的探測，CSAMT具有較強的適用性。

3 深埋隱伏斷層CSAMT參數(shù)優(yōu)化試驗

3.1 頻段設(shè)置與參數(shù)選取

此次物探施工探測的目標(biāo)體埋深較大(300～700m)，因此頻段選擇為5120～4Hz，根據(jù)式(2)，結(jié)合本區(qū)的地層平均電阻率估算，最小探測深度約為22m，最大探測深度約為800m，參數(shù)選取合理。

3.2 頻點個數(shù)選取

CSAMT試驗頻段選擇為5120～4Hz，進行了20個頻點和32個頻點的試驗，不同頻點衰減曲線如圖2所示，部分測試數(shù)據(jù)見表1。由圖2可知，兩者的曲線基本一致，但更多的頻點能提高探測結(jié)果的分辨率，因此選用頻點數(shù)為32個更為合理。此外，低頻數(shù)據(jù)并未出現(xiàn)受“近場效應(yīng)”影響而產(chǎn)生的視電阻率逐漸升高的現(xiàn)象，所有數(shù)據(jù)均位于遠區(qū)，表明試驗收發(fā)距設(shè)置合理。

圖2 不同頻點衰減曲線

表1 不同頻點視電阻率部分測試數(shù)據(jù)

3.3 疊加時長的選取

疊加時長分別為20min、30min、40min的疊加時長衰減曲線如圖3所示，部分測試數(shù)據(jù)見表2。由圖3可知，疊加時長為20min時，由于疊加次數(shù)較少，個別頻點存在“飛點”現(xiàn)象，數(shù)據(jù)曲線圓滑度較差；疊加時長30min和40min的數(shù)據(jù)基本一致，曲線都較為圓滑，考慮到施工效率，選擇的疊加時長為30min最為合理。

圖3 不同疊加時長衰減曲線

表2 不同疊加時長視電阻率部分測試數(shù)據(jù)

4 現(xiàn)場探測結(jié)果分析

4.1 處理方法

測區(qū)的地層具有一定的傾角，為了使物探成果盡可能真實的反映實際地層、構(gòu)造的位置、產(chǎn)狀，采用二維反演對可控源音頻大地電磁法的資料處理，流程如下：首先對對測點中偏離大、明顯畸變的數(shù)據(jù)進行平滑，主要采用多點圓滑濾波處理；其次進行近場影響分析，對有近場附加效應(yīng)的曲線進行近場校正；再次對有受靜態(tài)影響的曲線進行靜態(tài)位移校正；最后對數(shù)據(jù)行反演，并結(jié)合已知地質(zhì)、水文、鉆孔及采掘資料進行綜合解釋與推斷。

4.2 探測結(jié)果對比

測區(qū)共有7條可控源音頻大地電磁法測線，選取0、3和6線視電阻率剖面圖進行分析，同時，將3條線的瞬變電磁(TEM)視電阻率進行對比，在視電阻率斷面圖上，橫坐標(biāo)表示測點距零點的距離，縱坐標(biāo)為深度，兩種方法的視電阻率剖面如圖4—圖6所示，其中(a)為CSAMT探測結(jié)果，(b)為TEM探測結(jié)果。

圖4 0線視電阻率對比圖

圖5 3線視電阻率對比圖

圖6 6線視電阻率對比圖

由圖4—圖6可知，兩種探測結(jié)果總體趨于一致，即視電阻率在縱向上整體呈“高阻～低阻～中低阻～低阻”的變化趨勢，與本區(qū)的測井曲線基本吻合。然而，CSAMT由于可以更好地反映了煤系地層傾角，煤層上下局部富水性不均，與TEM結(jié)果相比，提高了探測的精細化程度。例如，圖4(a)橫坐標(biāo)700～1700m之間(黑色橢圓框內(nèi))，15～21煤處的視電阻率明顯降低，較好的反映了各煤層頂?shù)装宓母凰潭?；圖5(a)橫坐標(biāo)700～1900m之間(黑色橢圓框內(nèi))，在上下低阻富水層之間有相對高阻層，為復(fù)雜條件下隱伏斷層及煤層導(dǎo)水性探測提供了參考依據(jù)。探測結(jié)果總體表現(xiàn)為DF20斷層處的視電阻率整體呈低阻，推斷DF20導(dǎo)水性較強；F2斷層處的視電阻率呈相對低阻，但視電阻率值高于DF20，因此推斷該斷層的導(dǎo)水性相對較弱；FD5斷層受左DF20、右F2斷層的控制，即左側(cè)導(dǎo)水性較強，右側(cè)導(dǎo)水性相對較弱。

根據(jù)地質(zhì)資料，將平面圖上視電阻率小于12Ω·m大于11Ω·m的區(qū)域劃為富水區(qū)(邊界為藍色線)，視電阻率小于11Ω·m大于10Ω·m的區(qū)域劃為較強富水區(qū)(邊界為黃色線)，視電阻率小于10Ω·m的區(qū)域劃為強富水區(qū)(邊界為紅色線)。由圖7可知，整體上看8煤的富水性最強，21煤次之，15煤和18煤再次之，這跟測區(qū)的煤層處于8煤頂板砂巖含水層和21煤底板砂巖含水層這兩個含水層之間的“三明治”地層結(jié)構(gòu)有關(guān)。

圖7 煤層順層視電阻率平面對比圖

5 結(jié) 論

1)基于CSAMT和TEM探測原理，分析了CSAMT和TEM在地球物理勘探中的優(yōu)缺點，得出CSAMT具有分辨率更高、電磁場信號更強、對深部更加敏感的優(yōu)點。采用可控源音頻大地電磁法對深埋地層隱伏斷層的導(dǎo)水性進行探查，可提高解釋精度和可靠性，達到深埋隱伏斷層導(dǎo)水性探測的目的。

2)考慮探測地層埋深較大(300～700m)，進行了CSAMT現(xiàn)場參數(shù)優(yōu)化試驗，獲得了深埋地層探測頻段、頻點和疊加時長的合理參數(shù)，即頻段選擇為5120～4Hz，頻點數(shù)為32個，疊加時長為30min。

3)通過對比TEM和CSAMT探測結(jié)果表明，CSAMT可較好地反映出煤系地層傾角變化和局部富水程度，提高了探測的精細化程度。兩者結(jié)果整體趨于一致性，即DF20導(dǎo)水性較強，F(xiàn)2斷層處的導(dǎo)水性相對較弱，F(xiàn)D5斷層受左DF20、右F2斷層的控制，左側(cè)導(dǎo)水性較強，右側(cè)導(dǎo)水性相對較弱。整體來看，煤層富水性程度依次為8煤>21煤>15煤和18煤。