可控音頻大地電磁法在采空區勘查中的應用

畢葉嵐

摘 ?要：煤層開采后形成采空區，隨著時間推移，采空區有水充填或塌陷。文章介紹CSAMT法在貴州某煤礦采空區勘查中的勘探實例。通過對實測資料進行處理與解釋推斷，基本查明了勘查區采空區的空間形態，取得了良好的勘探效果。

關鍵詞：采空區;視電阻率;CSAMT法

中圖分類號：P314 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）25-0179-02

Abstract： Goaf is formed after coal seam mining， with the passage of time， the goaf is filled with water or collapse. This paper introduces an example of CSAMT method in goaf exploration of a coal mine in Guizhou Province. Through the processing and interpretation of the measured data， the spatial form of the mined-out area in the exploration area is basically found out， and good exploration results have been achieved.

Keywords： goaf; apparent resistivity; CSAMT method

前言

在煤炭開采過程中，地下會形成采空區。采空區的塌陷，會造成地面的下沉及對環境的破壞。近年來，隨著國家對歷史遺留礦山環境的重視，利用地球物理方法對采空區勘查，取得了良好的效果。

花秋勘查區地表形成若干塌陷坑，歷史上區內分布數個煤礦，采空面積都相對較大，由于部分煤礦當時無完整的采空區資料，對采空區的邊界難以確定。探測清楚其準確位置，成為當地政府重要任務。

1 方法原理

可控源音頻大地電磁法其基本原理是以有限長接地電偶極子為場源，在距偶極中心一定距離處同時觀測電、磁場參數的一種電磁測深方法[1-3]。

本次探測采用赤道偶極裝置，標量測量，同時觀測與場源平行的電場水平分量Ex和與場源正交的磁場水平分量Hy，利用電場振幅Ex和磁場振幅Hy計算視阻抗電阻率ρs;觀測電場相位Ep和磁場Hp，計算視阻抗相位φ。用視阻抗電阻率和視阻抗相位聯合反演計算電阻率參數[1-5]。

2 勘查區地質及地球物理特征

2.1 勘查區地質

勘查區及附近出露地層有二疊系中統茅口組巖性以為灰、淺灰色厚層～塊狀石灰巖為主、統龍潭組巖性主要為泥巖、泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、粉砂巖夾數層灰巖及煤層、二疊系上統長興組（P3c）巖性主要為灰、深灰色中厚層石灰巖以及第四系（Q）粘土。

礦區斷裂構造不發育，采區內構造簡單，地層總體為一單斜構造，地層傾向135°，平均傾角11°左右。

2.2 地球物理特征

區內第四系電阻率較低，主要以沖積、坡積、殘積的砂礫、砂及含角礫亞粘土為主，一般小于100Ω·m，呈現相對低阻。二疊系上統長興組（P3c）巖性主要為灰、深灰色中厚層石灰巖，電阻率介于200～300Ω·m，呈現相對高阻。正常情況下，橫向上地層電阻率差異較小，但受采煤的影響，巖層的原始力學平衡被破壞，常出現橫向上的電性差異，假如采空區未塌陷，則電性上表現為相對高電阻率特征，當采空區塌陷、充填、充水時在電性上表現為相對低電阻率特征，等值線梯度變化相對較大。垂向上，由于地層巖性不同，通常表現為各層電阻率隨巖性及含水的豐富程度而不同。因此測區內地層之間不同情況下存在明顯的電性差異[2-5]。

3 施工技術

本次施工數據采集采用鳳凰地球物理有限公司的第八代地球物理數據采集系統V8 System 2000.ne，野外觀測采用AB=1300m的雙極源、旁側Ex/Hy裝置，標量TM測量模式，測量電極距MN=40m。

工作頻率：工作頻率范圍為0.52～5120Hz，原則上頻點間隔均勻分布，避開50Hz及60Hz工頻及其倍頻頻點。

4 數據處理

對CSAMT數據預處理主要使用Phoenix Geophysics V8-RXU Host Software-CMT Pro Version 4.2，將實測數據添加CMT Pro Version 4.2，檢查測線和排列命名、電極坐標，各曲線是否正常，并進行頻點分析和簡單的曲線編輯，導出SEC格式的文件，以便MTsoft2D讀取[1-8]。

對于CSAMT數據反演采用MTsoft2D數據處理反演軟件，對數據進行編輯，剔除明顯的干擾點和近場校正，對存在靜態影響的數據進行靜態校正及空間濾波等，形成卡尼亞電阻率-頻率等值線圖和阻抗相位-頻率等值線圖，再通過相關一、二維反演，繪制反演斷面圖[1-8]。

5 資料解釋

圖1為CSAMT法L5線的視電阻率斷面可以看出，縱向上視電阻率呈現低-高的變化特征，電性分層明顯，反映了第四系、二疊系地層的電性特征。淺部視電阻率值相對較低，為第四系地層的電性反映;圖中黑色實線分別為C1#煤層賦存位置。在M1#煤層賦存位置，從煤層露頭位置至樁號1800m左右，視電阻率呈現相對低阻，推斷該位置范圍內M1煤層采空;在M1煤層下部，部分區域視電阻率呈現相對低阻，推斷為茅口灰巖破碎相對富水的電性反映。

圖2為CSAMT法L7線的視電阻率斷面可以看出，縱向上視電阻率呈現低-高的變化特征，電性分層明顯，反映了第四系、二疊系地層的電性特征。淺部視電阻率值較高，為第四系地層的電性反映;圖中黑色實線分別為M1#煤層賦存位置。在M1#煤層賦存位置，從1550～2050m，視電阻率呈現相對低阻，推斷該位置范圍內M1煤層采空;在M1煤層下部，部分區域視電阻率呈現相對低阻，推斷為茅口灰巖破碎相對富水的電性反映。

根據視電阻率等值線的梯度變化、范圍、各測線的電阻異常的分布、在平面上的連通情況，圈定了兩個異常區，分別標記為C1、C2。其中異常區C1位于測區的中部位置，呈半橢圓狀，異常面積為25400m2，結合地表的塌陷坑及裂隙，推斷M1煤層采空區的電性反映;其中異常區C2位于西南部位置，條帶狀，異常面積為274400m2，推斷M1煤層采空區的電性反映。

6 結論

采用CSAMT法在山區開展煤礦采空區探測工作，揭示了該區采空區在呈現相對低阻且視電阻率等值線梯度變化相對較大，與上、下巖層形成明顯的電性差異。表明CSAMT法是探測采空區一種有效探測手段。

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