張思遠(yuǎn)

（山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046699）

近年來水害依然是制約煤礦安全開采的主要因素之一。水害探測(cè)的主要方法有地質(zhì)雷達(dá)、高密度電法、地震反射、電磁法等[1]，每種方法各自具有其優(yōu)缺點(diǎn)，在埋深400 m 以內(nèi)查找水害基本用瞬變電磁和可控源音頻大地電磁法。肖勇[2]等通過CSAMT 法研究構(gòu)造及地層的含水及富水特征；王如喜[3]將CSAMT 法應(yīng)用于水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查；劉森[4]將CSAMT 法應(yīng)用于青海省木里煤田，進(jìn)行找煤效果研究；范劍[5]將CSAMT 法應(yīng)用探測(cè)沈白鐵路大安隧道巖體風(fēng)化程度、完整性及斷層發(fā)育情況；劉歡[6]等將CSAMT 測(cè)深法探查佛峪口-黃柏寺斷裂。本文將CSAMT 法在霍爾辛赫煤業(yè)西三采區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)F99 斷層富水性進(jìn)行探測(cè)。

1 方法原理

可控源音頻大地電磁法（CSAMT），它是基于AMT 法的人工源頻率探測(cè)方法，能夠人工控制觀測(cè)電磁場(chǎng)的頻率范圍、方向及場(chǎng)強(qiáng)，是利用觀測(cè)一次場(chǎng)電位以及磁場(chǎng)強(qiáng)度變化特征，用于研究巖石之間電導(dǎo)率差異。

視電阻率ρs計(jì)算公式：

根據(jù)電磁波的趨膚效應(yīng)理論，導(dǎo)出了趨膚深度公式：

式中：H 為探測(cè)深度，m；ρ 代表地表電阻率，Ω·m；f 代表頻率，Hz；E 為電場(chǎng)強(qiáng)度，N/C；H 為磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m。

從（2）式可知，當(dāng)?shù)乇黼娮杪使潭〞r(shí)，電磁波傳播深度和發(fā)射頻率互成反比例關(guān)系。高頻探測(cè)距離短，低頻探測(cè)距離遠(yuǎn)?？梢酝ㄟ^改變發(fā)射頻率來改變探測(cè)深度，從而通過變化頻率實(shí)現(xiàn)測(cè)量不同深度的目的。

2 施工裝置及主要參數(shù)選擇

2.1 施工裝置選擇

CSAMT 測(cè)量包括張量、矢量和標(biāo)量的三種方式，常用標(biāo)量測(cè)量方式。標(biāo)量（2 個(gè)分量）能測(cè)量簡(jiǎn)單層狀介質(zhì)，標(biāo)量CSAMT 測(cè)量是否成功，取決于場(chǎng)源、方位的選取、采集密度。

根據(jù)地形及構(gòu)造特征，本次選擇標(biāo)量CSAMT方式。它是把觀測(cè)區(qū)域布置在梯形區(qū)域（如圖1 所示），梯形的上底邊為AB 發(fā)射偶極，收發(fā)距應(yīng)至少大于三倍的趨膚深度，測(cè)線相互平行于AB，測(cè)線長(zhǎng)度在梯形內(nèi)。

圖1 CSAMT 測(cè)量布置示意圖

2.2 施工參數(shù)選擇

（1）收發(fā)距r

CSAMT 法由于采用人工場(chǎng)場(chǎng)源，采集數(shù)據(jù)時(shí)既要避免收發(fā)距r 太小過早進(jìn)入近區(qū)，又要避免因r 太大引起信噪比降低，無法保證探測(cè)精度。為充分協(xié)調(diào)二者關(guān)系，r 應(yīng)同時(shí)滿足公式（3），即同時(shí)滿足遠(yuǎn)區(qū)和探測(cè)精度要求。

式中：r 為收發(fā)距，m；H 為探測(cè)深度，m；I為發(fā)射電流，mA；AB 為供電偶極長(zhǎng)度，m；ρ1為地表電阻率，Ω·m；θ 為r 與AB 之間的夾角，°；Emin為接收機(jī)能觀測(cè)到的最小信號(hào)，mV。

（2）發(fā)射偶極距AB

發(fā)射偶極距AB 相對(duì)收發(fā)距要足夠小，一般取收發(fā)距的1/5～1/3。假如AB 較大，具有較好的低頻特性，反之具有較好的高頻特性。由于低頻探測(cè)距離較遠(yuǎn)，因此在探測(cè)較深時(shí)選擇較大發(fā)射偶極距，反之亦然。

（3）測(cè)量電場(chǎng)的電極距MN

測(cè)量電場(chǎng)的電極距MN 相對(duì)收發(fā)距要足夠小，一般小于收發(fā)距的1/10。MN 太大會(huì)造成分辨力較低但工作效率相對(duì)較高，因此在探測(cè)較深時(shí)選擇較大MN，探測(cè)較淺時(shí)選擇較小MN，一般為20 ≤MN ≤50。

（4）頻率段的選擇

野外探測(cè)一般先進(jìn)行全頻段試驗(yàn)，發(fā)射偶極AB 布設(shè)好之后，根據(jù)試驗(yàn)曲線選取頻率范圍。高頻點(diǎn)附近曲線開始出現(xiàn)蹦跳現(xiàn)象，尾支曲線一般在20 Hz 附近按45°角上升。根據(jù)選擇尾支45°角上升4 到5 個(gè)點(diǎn)的頻率的截止原則，對(duì)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單反演計(jì)算，要求反演深度超過最大測(cè)深。

3 建模及反演

3.1 建立地質(zhì)模型

正演計(jì)算是頻率域電磁測(cè)深理論分析和實(shí)際資料處理解釋的基礎(chǔ)。根據(jù)霍爾辛赫煤業(yè)西三采區(qū)地質(zhì)斷面圖及測(cè)井曲線建立場(chǎng)地模型，對(duì)L7 線進(jìn)行了大地電磁二維正演模擬。設(shè)定第四紀(jì)電阻率為40 Ω·m，煤系地層砂泥巖電阻率為75 Ω·m，煤層電阻率為400 Ω·m，煤層底板砂巖電阻率150 Ω·m，奧灰電阻率為1000 Ω·m，寒武系地層電阻率為600 Ω·m，F(xiàn)99 斷層落差50 m，F(xiàn)98 斷層落差20 m，DF15、DF13 斷層落差10 m。圖2 為5 煤頂板不含水場(chǎng)電模型，圖3 為5 煤頂板含水場(chǎng)電模型。

3.2 反演計(jì)算

測(cè)量的磁場(chǎng)、電場(chǎng)曲線與地下的地電結(jié)構(gòu)是一種復(fù)雜的非線性關(guān)系，需進(jìn)行視電阻率計(jì)算和時(shí)深轉(zhuǎn)換獲取深度、視電阻率相關(guān)關(guān)系，研究視電阻率隨深度的變化關(guān)系，進(jìn)而研究異常的屬性。圖4 是L7 線5 煤頂板不含水正演模型反演成果圖，圖中可以看出F99 斷層響應(yīng)較明顯，F(xiàn)98、DF15、DF13 斷層的響應(yīng)不是很明顯，可以得知CSAMT 對(duì)大斷層有較好的響應(yīng)。圖5 是L7 線5 煤頂板含水正演模型反演成果圖，從圖中可看出斷層響應(yīng)不明顯，但對(duì)水平響應(yīng)非常明顯。

圖2 5 煤頂板不含水場(chǎng)電模型

圖4 5 煤頂板不含水場(chǎng)電模型反演

圖5 5 煤頂板含水場(chǎng)電模型反演

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 地質(zhì)概況

霍爾辛赫煤業(yè)西三采區(qū)5#煤層為測(cè)區(qū)內(nèi)主要可采煤層，總體上為一走向近東西、傾向北的單斜構(gòu)造，煤層傾角不超過5°，局部地段受斷層影響最高達(dá)到16°。測(cè)區(qū)內(nèi)主要大斷層為F99 斷層，落差約50 m。本次探測(cè)測(cè)點(diǎn)間距40 m，收發(fā)距8000 m，探測(cè)主要目的是探查F99 斷層富水情況。

4.2 處理解釋

外業(yè)施工結(jié)束后，及時(shí)對(duì)相應(yīng)的原始記錄、班報(bào)和原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、歸類，建立外業(yè)施工數(shù)據(jù)庫(kù)。CSAMT 法測(cè)量記錄的原始資料為電道的電位差幅值和相位，以及磁道的幅值和相位，通過公式計(jì)算視電阻率和相位。一旦資料合格后，即可進(jìn)行CSAMT 資料的再處理，野外原始資料預(yù)處理采用CSAMT-PRE 軟件完成, CSAMT-PRE 軟件集剔除飛值、曲線圓滑、去噪、靜校正為一體的CSAMT 預(yù)處理軟件，CSAMT 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)位校對(duì)、空間屬性建立后進(jìn)入預(yù)處理系統(tǒng)。

CSAMT 資料的解釋以定性解釋為主，同時(shí)進(jìn)行半定量解釋。資料解釋是建立在資料處理后的頻率—電阻率、相位斷面圖、電阻率斷面圖的基礎(chǔ)上。首先對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行整體分析，并對(duì)較大的電性異常區(qū)域進(jìn)行大概的分類；其次對(duì)反演電阻率斷面圖進(jìn)行分析，著重分析地質(zhì)異常體的平面位置及范圍；最后綜合圈定富水區(qū)域。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，結(jié)合地質(zhì)、水文、鉆探資料進(jìn)行地電特征分析，結(jié)合本區(qū)的地球物理特征，對(duì)獲得的資料進(jìn)行地質(zhì)解譯，獲得如圖6 所示L7 線深度-電阻率綜合解釋圖。圖中橫坐標(biāo)為測(cè)線距離，m，縱坐標(biāo)為高程，m，等值線為反演電阻率的對(duì)數(shù)，單位為log10 Ω·m。圖中F99、F98 斷層附近電阻率呈現(xiàn)明顯變化，F(xiàn)99、F98 斷層在測(cè)線700～1200 m 范圍5 煤層附近有明顯低阻區(qū)域，探測(cè)表明富水性較強(qiáng)。

圖6 L7 線深度-電阻率綜合解釋圖

5 結(jié)論

（1）可控源音頻大地電磁法收發(fā)距要大于3～6倍探測(cè)深度，且同時(shí)滿足大于3～5 倍發(fā)射偶極距和大于10 倍測(cè)量電場(chǎng)的電極距。

（2）區(qū)域大富水?dāng)鄬釉诳煽卦匆纛l大地電磁法探測(cè)中呈現(xiàn)明顯的低阻特性。