亓增剛

（中國煤炭地質(zhì)總局 物測隊，河北 邢臺 054000）

0 引 言

山西北部塔山礦地形及地質(zhì)條件較為復(fù)雜，主采煤層為3-5號煤和8號煤，為帶壓開采，因煤礦水害事故是僅次于瓦斯事故的煤礦“第二殺手”，水患問題較為突出，開采前需采用科學(xué)的探查手段對研究區(qū)內(nèi)的奧灰?guī)r溶富水性進(jìn)行探測。當(dāng)下可控源音頻大地電磁法、瞬變電磁法、直流電法等地面電法在煤礦水害探查方面應(yīng)用廣泛[1-4]，直流電法受地形影響較為嚴(yán)重[5]，瞬變電磁法最佳勘探深度有限。可控源音頻大地電磁法是20世紀(jì)80年代興起的一種測量卡尼亞電阻和相位的電磁測深技術(shù)，它是在大地電磁法（MT）和音頻大地電磁法（AMT）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種人工源頻率域測深方法，具有工作效率高、勘探深度范圍大、分辨能力強、受地形影響小等特點[6-7]，是當(dāng)前煤礦深部水害勘探的首選方法。結(jié)合水文、地質(zhì)資料，利用可控源音頻大地電磁法對區(qū)內(nèi)的奧灰?guī)r溶富水區(qū)進(jìn)行探測，為礦井的安全生產(chǎn)提供了可靠的地質(zhì)依據(jù)。

1 地質(zhì)及地球物理特征

研究區(qū)位于位于山西地臺的北端，地勢總體是西南高、向東北漸低，大部分地帶為基巖出露，地形復(fù)雜，溝谷發(fā)育，最高點位于研究區(qū)西北部，標(biāo)高1 554 m，最低點位于研究區(qū)東南部，標(biāo)高1 330.6 m，相對高差264 m。

1.1 地質(zhì)概況

研究區(qū)位于大同煤田中、東部，地層由老至新有，寒武系；奧陶系；石炭系；二疊系、侏羅系和第四系。此次研究區(qū)主采煤層為石炭系上統(tǒng)太原組的3-5號煤和8號煤，3-5號煤平均煤厚15.64 m，8號煤平均煤厚5.71 m。根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)資料、鉆孔資料及三維地震資料分析可知，對主采煤層開采影響較大的含水層是奧灰?guī)r溶含水層，巖溶發(fā)育層段為奧陶頂界以下7.84～209.24 m，多發(fā)育在距頂界面150 m范圍內(nèi)，奧灰水位標(biāo)高在920—1 040 m，3-5號煤層底板標(biāo)高的變化范圍在954～1 086 m，8號煤底板標(biāo)高變化范圍在926～1 036 m，3-5號煤大部分的區(qū)域帶壓，8號煤基本全區(qū)帶壓。

1.2 地球物理特征

研究區(qū)各地層之間（垂向上）均有較明顯的電性差異，該區(qū)內(nèi)第四系和侏羅系地層主要為沙土、礫石和煤層組成，電性上反映為中高阻；二疊系主要由砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖以及煤層組成，電性上反映為中低阻；石炭系主要由砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖及較厚的煤層組成，電性上反映為中高阻；奧陶系為石灰?guī)r，電性上反映為高阻，地層在縱向的電性反映上呈現(xiàn)明顯的“中高—低—中—高”的電性特征；縱向上各層位電性反映特征較為明顯。巖層的電阻率主要取決于巖石的結(jié)構(gòu)含水飽和度和水分礦化度，一般來說，巖溶富水區(qū)的電阻率遠(yuǎn)小于不含水圍巖的電阻率，這是在同一層位橫向上的電法勘探具備的前提條件，

2 采集參數(shù)的選擇

2.1 儀器及工作裝置

此次研究選用了儀器動態(tài)范圍大、儀器靈敏度高，發(fā)射機電流大，美國ZONGE公司生產(chǎn)的GDP-32II多功能電法儀。

工作裝置采用CSAMT的標(biāo)量測量方式，水平方向電場（MN）平行于場源（AB），水平磁場垂直于場源布設(shè)。

2.2 收發(fā)距的確定

此次研究區(qū)的最大探測深度約為950 m，根據(jù)規(guī)范要求可知，最小收發(fā)距應(yīng)大于4倍的趨膚深度[8]，共計3.8 km，最大收發(fā)距不超過15.6 km。結(jié)合以往工作經(jīng)驗，選擇了4、6、8和10 km的收發(fā)距進(jìn)行試驗。

圖1為4種收發(fā)距下探測卡尼亞電阻率曲線圖，縱坐標(biāo)為電阻率值，橫坐標(biāo)為頻率，由圖1可以看出，4 km收發(fā)距時，大約在32 Hz進(jìn)入過渡區(qū)，6 km時在22.5 Hz進(jìn)入過渡區(qū)，8 km時在16 Hz進(jìn)入過渡區(qū)，10 km時在11.3 Hz進(jìn)入過渡區(qū)，但10 km收發(fā)距時低頻信號較弱，受信噪比和人文干擾因素的影響使得衰減曲線不圓滑，不適合該區(qū)施工。綜合考慮此次選擇6～8 km作為CSAMT勘探的收發(fā)距。

圖1 不同收發(fā)距卡尼亞電阻率曲線Fig.1 Carnia resistivity curves of different sending and receiving distances

2.3 工作頻段的確定

此次研究區(qū)平均電阻率大于100Ω·m，探測深度預(yù)計為950 m，結(jié)合規(guī)范中有效探測深度的列線圖分析，對應(yīng)的最低工作頻率約為16 Hz。常規(guī)情況下為保證不漏掉所要探測的地質(zhì)目標(biāo)體，所選擇的最低工作頻率，比估算的最低工作頻率低3～4個頻點以確保探測深度。圖2為試驗工作卡尼亞電阻率曲線圖，當(dāng)測到過渡區(qū)時（22.5 Hz），應(yīng)再往低頻測3～4個頻點，因此此次選用的最低工作頻率為4 Hz。最高頻率為儀器工作的最高頻率即8 192 Hz。

圖2 試驗點卡尼亞電阻率曲線Fig.2 Carnia resistivity curves of test point

3 數(shù)據(jù)處理及解譯

3.1 數(shù)據(jù)處理

可控源音頻大地電磁法的資料處理，先是剔除或擬合那些明顯的噪聲和誤差；其次進(jìn)行靜態(tài)校正和進(jìn)場校正，以消除靜態(tài)效應(yīng)影響的電阻率數(shù)據(jù)不規(guī)則現(xiàn)象起到改正作用；最后對數(shù)據(jù)進(jìn)行反演處理。3.1.1畸變點的處理

視電阻率與相位資料的處理是進(jìn)行人機聯(lián)做來完成的。處理時以排列為單位，根據(jù)同一排列中視電阻率曲線形態(tài)變化不大且具有相似性的特點進(jìn)行，圖3中該測線1252點32 Hz頻點數(shù)據(jù)發(fā)生畸變，通過軟件對該頻點數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除或擬合處理，可使得電阻率形態(tài)符合變化特征，保證資料的質(zhì)量。

圖3 畸變頻點示意Fig.3 Aberration frequency point

3.1.2 靜態(tài)效應(yīng)校正

靜態(tài)校正中，對于相對誤差在10%以內(nèi)的覆蓋點可以進(jìn)行算術(shù)平均處理或不作處理，對于相對誤差大于10%但曲線形態(tài)一致的覆蓋點應(yīng)作平移處理。圖4是此次靜態(tài)效應(yīng)處理前后示意圖，圖中可看出，1202點因受到靜態(tài)位移影響，使得該測點視電阻率曲線也沿縱軸在雙對數(shù)坐標(biāo)中發(fā)生下移，需通過軟件對該測點進(jìn)行靜態(tài)校正后，使該點曲線沿箭頭上移至誤差范圍內(nèi)，以滿足處理要求。

圖4 靜態(tài)校正示意Fig.4 Static correction

3.1.3 近場校正

在CSAMT勘探工作中，由于受地表地形與地質(zhì)條件的影響，很難使測量區(qū)都滿足波區(qū)條件，測點處的電磁場常表現(xiàn)為近場或者過渡場特征，特別是當(dāng)收發(fā)距小和頻率較低時，近場效應(yīng)嚴(yán)重，近場效應(yīng)表現(xiàn)為視電阻率曲線在雙對數(shù)坐標(biāo)中呈45°上升[9]。近場校正方法有多種，此次工作近場校正采用全頻域視電阻率法。

3.1.4 數(shù)據(jù)反演

野外觀測數(shù)據(jù)得到磁場、電場曲線與地下的地電結(jié)構(gòu)不是簡單的對應(yīng)關(guān)系，而是一種復(fù)雜的非線性關(guān)系，因此需要用特定的反演方法把頻率域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成電阻率—深度的關(guān)系。這種把視電阻率隨時間的變化轉(zhuǎn)化為電阻率隨深度變化的過程就叫做反演處理，可以得到地下電阻率隨深度的變化情況，從而研究由于各類地質(zhì)異常體所引起的電性異常，為數(shù)據(jù)的解譯提供依據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)解譯

（1）L296線視電阻率綜合剖面圖—A24號鉆孔對比分析。

圖5為L296線視電阻率綜合剖面圖，該測線位于研究區(qū)的中部，11500點位于A24水文觀測孔之上，根據(jù)收集資料可知，該孔在石炭系太原組的單位涌水量為0.003 41～0.027 43 L/s·m，富水性弱；在奧陶系頂界下70 m左右的單位涌水量為0.099 5～0.744 4 L/s·m，富水性中等；11720點標(biāo)高1 062 m（3-5號煤附近），井下揭露Q=0.53/h。由圖可以看出，該測線從橫向上看視電阻率斷面圖基本呈層狀分布，在巷道所在位置視電阻率值約為160Ω·m，無明顯的低阻異常反應(yīng)；A24號鉆孔位置，8號煤附近視電阻率值為170～180Ω·m，無明顯的低阻異常反應(yīng)；奧陶系頂界至奧灰頂界下200 m地層視電阻率值為140～280Ω·m，圖中測點號10 740～11 540，標(biāo)高700～960 m（虛線圈出的橢圓位置），呈現(xiàn)出低阻異常反應(yīng)，視電阻率值小于220Ω·m，依據(jù)水文孔資料綜合分析為奧灰富水反映，DF4、DF5和DF6斷層在該異常范圍內(nèi)，推斷這3條斷層在該測線控制范圍內(nèi)富水，并具有一定的導(dǎo)水性；在三維地震解釋采空區(qū)位置，視電阻率值小于120Ω·m，相比同層位呈現(xiàn)出低阻異常反映，推斷為采空富水反映。

圖5 L296線視電阻率綜合剖面圖Fig.5 Apparent resistivity comprehensive profile of No.L296 line

（2）L176線視電阻率綜合剖面圖-T605號鉆孔對比分析。

圖6為L176線視電阻率綜合剖面圖，該測線位于勘探區(qū)的西北部，12520點位于T605水文觀測孔之上，距8228工作面約為1 000 m，根據(jù)礦方反饋資料，該孔所在位置在奧灰含水層有富水情況。由圖可以看出該測線從橫向上看視電阻率斷面圖基本呈層狀分布，A24號鉆孔附近，11 240～12 580點號，標(biāo)高600 m—1 050 m；12 860～13 340點號，標(biāo)高700—1 000 m，均存在明顯的低阻異常反映，在異常區(qū)內(nèi)，8號煤附近視電阻率值為小于170Ω·m，奧陶系頂界至奧灰頂界下200 m地層視電阻率值為小于220Ω·m，且DF16斷層和DX3陷落柱分別位于2個異常范圍內(nèi)，推斷這2個區(qū)為富水區(qū)，在富水區(qū)內(nèi)的，DF16斷層和DX3陷落柱具有一定的導(dǎo)水性。

圖6 L1 76線視電阻率綜合剖面圖Fig.6 Apparent resistivity comprehensive profile of No.L176 line

（3）L200線視電阻率綜合剖面圖-T605號鉆孔對比分析。

圖7為L200線視電阻率綜合剖面圖，該測線位于勘探區(qū)的中西部。

圖7 L200線視電阻率綜合剖面圖Fig.7 Apparent resistivity comprehensive profile of No.L200 line

5234巷道位于該測線DF15斷層北部的12780點附近（實心圓點位置），5234巷道里程1 740 m位于該測線15200點位置，已過DF17斷層16 m，同時有出水現(xiàn)象，為查明水源設(shè)計了探放水孔探測DF16斷層，1號孔（方位221°，傾角-25°）施工60 m見水，水量0.7 m3/h，水溫28℃，2號孔（方位241°，傾角-25°）施工至45 m見水，63 m終孔，水量7.5 m3/h，水溫29℃（位于斷面圖中12480點附近），根據(jù)水溫和水質(zhì)，判斷出水水源為奧灰水。結(jié)合該測線視電阻率綜合剖面圖分析，12780～13120點標(biāo)高700—1 000 m（虛線橢圓標(biāo)示位置），視電阻率呈現(xiàn)出低阻異常特征，巷道出水位置以及DF16斷層探放水孔位置（圖中實心正方形位置）在該異常區(qū)內(nèi)，綜合分析，該區(qū)域為奧灰?guī)r溶富水區(qū)，對應(yīng)情況良好。

8234巷位于此測線12500點附近（實心圓點位置），8234頂板高抽巷掘進(jìn)至里程1 610 m（圖中8234巷道所在位置西北50 m左右），工作面煤壁出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。結(jié)合該測線視電阻率斷面圖，12 260～12 580點，標(biāo)高750—900 m，視電阻率呈現(xiàn)出低阻異常特征（圖中虛線橢圓標(biāo)示位置）在該異常區(qū)內(nèi)，分析該區(qū)域為奧灰?guī)r溶富水區(qū)，3-5號煤底板附近無明顯異常反應(yīng)，對應(yīng)情況良好。

4 結(jié) 語

通過在研究區(qū)開展可控源音頻大地電磁法表明，該方法是當(dāng)前煤礦深部水害勘探的首選方法，能夠有效的探測出奧灰?guī)r溶富水所造成的低阻異常。施工時，收發(fā)距的選擇需通過試驗工作而確定。因該方法存在靜態(tài)效應(yīng)，在資料處理時，需進(jìn)行靜態(tài)校正和進(jìn)場校正，以滿足處理要求。需要注意的是，反演后獲得的視電阻率值是相對的，在使用過程中需結(jié)合地質(zhì)、水文、井巷采掘以及相關(guān)物探資料進(jìn)行綜合對比解釋，以提高解釋精度。