可控源音頻大地電磁法在奧灰巖溶富水性探測的應用

亓增剛

（中國煤炭地質總局 物測隊，河北 邢臺 054000）

0 引 言

山西北部塔山礦地形及地質條件較為復雜，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，開采前需采用科學的探查手段對研究區內的奧灰巖溶富水性進行探測。當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用廣泛[1-4]，直流電法受地形影響較為嚴重[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，它是在大地電磁法（MT）和音頻大地電磁法（AMT）的基礎上發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]，是當前煤礦深部水害勘探的首選方法。結合水文、地質資料，利用可控源音頻大地電磁法對區內的奧灰巖溶富水區進行探測，為礦井的安全生產提供了可靠的地質依據。

1 地質及地球物理特征

研究區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，地形復雜，溝谷發育，最高點位于研究區西北部，標高1 554 m，最低點位于研究區東南部，標高1 330.6 m，相對高差264 m。

1.1 地質概況

研究區位于大同煤田中、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。此次研究區主采煤層為石炭系上統太原組的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。根據研究區水文地質資料、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巖溶含水層，巖溶發育層段為奧陶頂界以下7.84～209.24 m，多發育在距頂界面150 m范圍內，奧灰水位標高在920—1 040 m，3-5號煤層底板標高的變化范圍在954～1 086 m，8號煤底板標高變化范圍在926～1 036 m，3-5號煤大部分的區域帶壓，8號煤基本全區帶壓。

1.2 地球物理特征

研究區各地層之間（垂向上）均有較明顯的電性差異，該區內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；奧陶系為石灰巖，電性上反映為高阻，地層在縱向的電性反映上呈現明顯的“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構含水飽和度和水分礦化度，一般來說，巖溶富水區的電阻率遠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 采集參數的選擇

2.1 儀器及工作裝置

此次研究選用了儀器動態范圍大、儀器靈敏度高，發射機電流大，美國ZONGE公司生產的GDP-32II多功能電法儀。

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

2.2 收發距的確定

此次研究區的最大探測深度約為950 m，根據規范要求可知，最小收發距應大于4倍的趨膚深度[8]，共計3.8 km，最大收發距不超過15.6 km。結合以往工作經驗，選擇了4、6、8和10 km的收發距進行試驗。

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

圖1 不同收發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

此次研究區平均電阻率大于100Ω·m，探測深度預計為950 m，結合規范中有效探測深度的列線圖分析，對應的最低工作頻率約為16 Hz。常規情況下為保證不漏掉所要探測的地質目標體，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，當測到過渡區時（22.5 Hz），應再往低頻測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 數據處理及解譯

3.1 數據處理

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；其次進行靜態校正和進場校正，以消除靜態效應影響的電阻率數據不規則現象起到改正作用；最后對數據進行反演處理。3.1.1畸變點的處理

視電阻率與相位資料的處理是進行人機聯做來完成的。處理時以排列為單位，根據同一排列中視電阻率曲線形態變化不大且具有相似性的特點進行，圖3中該測線1252點32 Hz頻點數據發生畸變，通過軟件對該頻點數據進行刪除或擬合處理，可使得電阻率形態符合變化特征，保證資料的質量。

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

3.1.2 靜態效應校正

靜態校正中，對于相對誤差在10%以內的覆蓋點可以進行算術平均處理或不作處理，對于相對誤差大于10%但曲線形態一致的覆蓋點應作平移處理。圖4是此次靜態效應處理前后示意圖，圖中可看出，1202點因受到靜態位移影響，使得該測點視電阻率曲線也沿縱軸在雙對數坐標中發生下移，需通過軟件對該測點進行靜態校正后，使該點曲線沿箭頭上移至誤差范圍內，以滿足處理要求。

圖4 靜態校正示意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條件的影響，很難使測量區都滿足波區條件，測點處的電磁場常表現為近場或者過渡場特征，特別是當收發距小和頻率較低時，近場效應嚴重，近場效應表現為視電阻率曲線在雙對數坐標中呈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 數據反演

野外觀測數據得到磁場、電場曲線與地下的地電結構不是簡單的對應關系，而是一種復雜的非線性關系，因此需要用特定的反演方法把頻率域數據轉化成電阻率—深度的關系。這種把視電阻率隨時間的變化轉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異常體所引起的電性異常，為數據的解譯提供依據。

3.2 數據解譯

（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，該測線位于研究區的中部，11500點位于A24水文觀測孔之上，根據收集資料可知，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；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；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，標高700～960 m（虛線圈出的橢圓位置），呈現出低阻異常反應，視電阻率值小于220Ω·m，依據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，推斷這3條斷層在該測線控制范圍內富水，并具有一定的導水性；在三維地震解釋采空區位置，視電阻率值小于120Ω·m，相比同層位呈現出低阻異常反映，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，標高600 m—1 050 m；12 860～13 340點號，標高700—1 000 m，均存在明顯的低阻異常反映，在異常區內，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，推斷這2個區為富水區，在富水區內的，DF16斷層和DX3陷落柱具有一定的導水性。

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，同時有出水現象，為查明水源設計了探放水孔探測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），根據水溫和水質，判斷出水水源為奧灰水。結合該測線視電阻率綜合剖面圖分析，12780～13120點標高700—1 000 m（虛線橢圓標示位置），視電阻率呈現出低阻異常特征，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）在該異常區內，綜合分析，該區域為奧灰巖溶富水區，對應情況良好。

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），工作面煤壁出現滲水現象。結合該測線視電阻率斷面圖，12 260～12 580點，標高750—900 m，視電阻率呈現出低阻異常特征（圖中虛線橢圓標示位置）在該異常區內，分析該區域為奧灰巖溶富水區，3-5號煤底板附近無明顯異常反應，對應情況良好。

4 結 語

通過在研究區開展可控源音頻大地電磁法表明，該方法是當前煤礦深部水害勘探的首選方法，能夠有效的探測出奧灰巖溶富水所造成的低阻異常。施工時，收發距的選擇需通過試驗工作而確定。因該方法存在靜態效應，在資料處理時，需進行靜態校正和進場校正，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，在使用過程中需結合地質、水文、井巷采掘以及相關物探資料進行綜合對比解釋，以提高解釋精度。