瞬变电磁法和高频大地电磁测深方法在煤下铝采空区的应用

任鸿飞，陈怀玉

(1.河南省有色金属地质矿产局第六地质大队，河南 郑州450016;2.河南省有色金属地质矿产局第二地质大队，河南 郑州450016)

煤下铝勘查中面临的一个主要问题就是煤矿采空区，如何确定采空区的空间位置、充填状态、连通性等，查明采空区的空间赋存特征，为煤下铝勘查提供保障，在地质勘查前期对采空区进行勘查与评价，是十分必要的。本次在关底沃矿区采用瞬变电磁法和高频大地电磁测深综合物探方法进行试验，以降低单一物探方法的多解性，提高物探异常解释的准确性。以便总结出适合陕渑煤下铝研究区内采空区调查评价技术方法，指导煤下铝勘查工作，也为今后全省采空区的探测提供技术支持。

1 研究区地质环境条件

1.1 地质环境条件

本研究区区域上处于华北地台南缘，属洛安地块渑池—确山陷褶断束，基底主要由太古界古老变质岩和元古界沉积—变质岩系组成，其上沉积有古生界、中生界、新生界地层。自上石炭世至二叠纪的沉积建造，是本研究区的主要赋矿地层。区内一系列与区域构造线相一致的呈北东—南西向展布的坳陷控制着煤、铝土矿、粘土矿及铁矿的生成与分布。

1.2 水文地质条件

研究区地势东南高西北低，海拔495.6～250.0 m。区内仅有一小溪自东向西贯穿矿区，流量约1 L/s，向西注入黄河。黄河流经矿区西北部，海拔约250 m，可视为当地最低侵蚀基准面。研究内大部分矿体位于侵蚀基准面以下。地下水水位标高150.00～439.98 m，矿体多位于地下水水位以下。黄河自工作区西部流过，势必会对矿坑充水产生影响，为岩溶或裂隙含水层充水为主的矿床，水文地质条件属复杂类型。

1.3 煤矿采空区基本特征

1.3.1 采空区地表变形特征

采空区地表变形一般分为地表连续变形和地表非连续变形两种。地表连续变形主要为地表移动盆地:对于水平煤层的矩形采空区，最终移动盆地直接位于采空区上方呈椭圆形，并与采空区互相对称;对于倾斜煤层的矩形采空区，则移动盆地呈不对称的椭圆形，并向采空区下山方向偏移。地表非连续变形破坏的主要表现形式为地表裂缝、台阶和塌陷坑、塌陷槽。

1.3.2 采空区水文地质特征

抽排地下水会导致地表浅部松散沉积物压实而引起地面沉降，其特征是下沉速度缓慢，不易察觉，且具有不可逆性，很难使沉降的地面回复到原来的标高。地面沉降对建筑物和农田水利设施危害极大。

从地层结构而言，透水性差的隔水层(亚粘土层)与透水性好的含水层(砂层、砂砾层、砂质土层)互层结构易于发生地面沉降，即在含水性较好的砂层、砂砾层内抽排地下水时，隔水层中的孔隙水向含水层流动就会引起地面沉降。

1.4 地球物理特征

1.4.1 物性参数特征

前人曾在河南省内多个铝土矿区进行过电参数测定工作，取得了较多的物性参数资料。本文通过收集整理河南省内部分铝土矿区主要地层岩性电阻率参数、河南省重要铝土矿区岩矿石的物性参数，并结合研究区物探工作取得的成果，将本区电性特点整理见表1。区内地层电阻率从新到老逐渐增大，下古生界奥陶系灰岩为明显的高阻层，石炭系、二叠系电阻率中等，第四系电阻率变化较大总体表现为低阻。总体上为2个明显的电性分界面，第四系与煤系地层界面，煤系地层与奥陶系灰岩界面。

1.4.2 地球物理异常特征

煤层顶、底板岩层完整时其电阻率较高，若地下煤层被采空，形成空洞或被地下水、冲积物充填，其上覆盖层因承压发生形变、坍塌，砂岩、灰岩常发育有破碎裂隙，电阻率就会迅速变化，若采空区内充水，则会呈低电阻率反映，若未充水，则会呈高电阻率反映。地层的层序及结构发生变化，与正常层序地层形成差异，岩层的电导率和介电常数随之改变，其电阻率差异明显，变化范围较大，分析对比电性参数、区分电性差异，寻找异常区来划分采空及积水范围，是瞬变电磁法和EH4大地电磁法应用的理论依据。

表1 工区地层岩性及岩矿石电性参数统计表

2 方法有效性研究

为了解瞬变电磁法和高频大地电磁测深两种技术方法的有效性以及两种方法在采空区不同位置的的异常响应特征，同时对工作精度要求、测网密度、工作装置等参数选择是否合理作出评价，为下一步的生产工作及深入研究提供技术支撑，在已知采空区即典型工区开展方法有效性研究。

2.1 已知采空区分布

通过收集以往地质资料、煤矿开采资料、钻孔资料及进行的现场访问和调查，在工作区内总共圈定了4个已知采空区，编号分别为Ⅰ#、Ⅱ#、Ⅲ#、Ⅳ#。其中Ⅳ#号采空区拐点坐标显示的是一个规则的矩形，而实际的采空区很难如此规则，Ⅱ#、Ⅲ#号采空区范围则是根据已知钻孔资料及对煤矿施工方的访问调查大致圈定的，因此Ⅱ#、Ⅲ#、Ⅳ#号已知采空区的范围存在很大的不确定性，本次选定Ⅰ#采空区为典型工区进行方法试验。

2.2 试验剖面选择

根据Ⅰ#已知采空区的分布，结合实地踏勘结果，跨越Ⅰ#采空区布设3条试验剖面，其中瞬变电磁剖面1条，EH4剖面2条。该已知试验区位于黄河岸边塌陷区，采空区充水情况比较普遍。瞬变电磁法采用100 m×100 m中心回线装置，剖面长700 m，点距100 m。EH4的1号剖面长760 m，100号点至760号点为两种方法剖面的基本重合段，试验剖面测点距40 m，电极距与点距相等。采用一通道采集低频信号、四通道采集中频信号、七通道采集高频信号;每个测点增益以满足放大信号而不过饱和的原则调整，范围在1～80倍;低频叠加4～8次，高频叠加10～14次。

在断面图上，浅部电性呈现横向比较均匀、纵向渐增的规律性变化，电阻率等值线的疏密变化明显，总体上为两个明显的电性分界面，第一个电性界面主要在200～800 m之间、标高300 m处，反映了第四系与二叠地层的分界面。第一与第二电性界面之间为一相对水平的高阻异常，并有异常间互现象，反映了二叠系下石盒子组地层的岩性变化特征，在第二个明显分界面以下出现大片低阻，为已知采空区的异常反应，影响深度范围在标高150～220 m，水平方向上在300～400 m之间异常比较弱。低阻异常有下延趋势，这与瞬变电磁测深的反演算法及区内地质地球物理条件不完全一致密切相关:瞬变电磁测深的反演算法是按照水平地层模型计算的，而实际采空区都是局部的，并不是无限大的水平层，因此反演计算结果不可能完全符合实际情况。推测采空区的低阻显示与其所处黄河堤岸塌陷区有关，沿裂隙渗水比较严重，电阻率较低。

在断面上，从电阻率变化规律看出其两个较为明显的电性分界面。由于高频段信号更易受人文干扰，且受静态效应影响，浅部电性横向和纵向均呈不均匀变化，因此第四系与二叠地层分界面并不很明显(第一个电性界面)，第二个电性界面为明显的煤系地层与奥陶灰岩界面。在已知充水采空区上显示低阻异常，影响深度范围在标高150～220 m，水平方向上在200～320 m之间异常比较弱。推测采空区的低阻显示与其所处黄河堤岸塌陷区有关，沿裂隙渗水比较严重，电阻率较低，与瞬变低阻异常区域基本吻合，深部低阻异常下延趋势不明显，基本上是封闭的，呈层状电性特征，这比瞬变电磁测深资料更接近实际地层情况。可以看出，EH4对充水采空区反应出明显的低阻异常，且深部分层较明显，由于它能同时接受X、Y两个方向的电场与磁场，反演X－Y电导率张量成像剖面，对判断二维构造较为有利。

通过上述试验，总体上看，在充水采空区上，瞬变电磁测深和EH4两种方法均反应为低阻异常，与已知采空区基本吻合，低阻异常对应高程差别不大，但异常较弱的横向位置稍有位移。由此可见，两种方法在探测充水采空区均是有效的，且各具特点:瞬变电磁法对富水采空区横向分辨较好，更有利于采空区范围的圈定;EH4大地电磁测深所反映的低阻异常向下基本上是封闭的，其深部电性变化较规律较接近实际地层起伏。

3 数据处理及综合解释

3.1 数据处理

数据处理分为预处理和处理两个阶段。预处理是指在主要的处理之前对数据进行的一些处理，主要是检验野外原始数据，从大量的数据中分析、查找有效信号或有用数据，根据信号和干扰频率的不同，有时要进行滤波、圆滑处理，对大部分地球物理面积性观测数据在进行转换或增强之前将不规则分布的测网经过插值转换成规则网的处理;处理阶段是把预处理后的数据绘制成各种曲线图和电剖面图，然后根据方法原理和解释要求进行各种定量计算。

3.1.1 瞬变电磁测深数据处理及结果

瞬变电磁测深数据采用V8仪器数据处理系统进行处理。首先载入原始数据，经挑选剔除之后，根据已知钻孔资料揭示的各电性层厚度和各电性层的电阻率参数，建立地质模型，反演程序自动地逐步修改层参数直到理论曲线与实测曲线拟合最好。根据已知钻孔资料，全区综合选取了一个反演参数，电性层数15层，起始电阻率均为50Ω·m，最小拟合深度10 m，最大拟合深度500 m，进行反演，这与在已知钻孔上进行的正演拟合是不同的。反演结果，地层电阻率变化规律与在已知钻孔上进行的正演拟合结果相同，但是反演的地层深度偏深。根据各已知钻孔正演拟合与反演深度差异，计算了反演深度的校正系数，反演结果显示，浅部电性均呈层状变化，断面整体上反应了区内地层电阻率从新到老逐渐增大趋势，深部局部出现低阻异常区，推断为采空积水影响区。

3.1.2 EH4电磁测深数据处理及结果

1)数据预处理

采用EH4自带IMAGEM处理系统，载入原始数据，对原始时间序列进行挑选，剔除有明显干扰的时间序列段，经过FFT变换得到互功率谱再计算阻抗，然后根据数据的相干度、偏离度、极化图以及视电阻率和阻抗相位的连续性来删除质量较差的频点，随后便可转入反演阶段。

2)剖面反演

利用IMAGEM软件进行二维反演时，需要选择圆滑系数，系统提供的圆滑系数范围比较大(0～999)，但一般情况下，在0.05～10之间选择足够了。多数情况下只选择一个圆滑系数是不能获得较理想的二维成图结果的，需要选择几个不同的圆滑系数，形成不同的.dat文件，比较它们的二维成图结果，找出其中较理想的一个作为最终结果，本次圆滑系数最终选定0.5。

表2 钻孔实际深度和反演结果深度对照表

3.2 资料综合解释

资料解释遵循从已知到未知、由点到面的原则，在大量收集掌握已知资料的前提下，对每条剖面进行逐一定性分析，并综合各线、点的定性分析结果，推断下伏地层的变化规律，将剖面逐点一维反演得到的相应岩层连接起来，后得到二维地电断面，并结合已知钻孔资料，对整个工区进行统一的半定量及定量解释。

首先对工区内瞬变电磁资料与已知钻孔ZK1608、ZK2400、ZK2404、ZK3000、ZK3208、ZK3212、ZK3216、ZK4016进行正演拟合，为其最终反演提供最适合的参数，后将反演结果断面解释与钻孔正演拟合及钻孔的实际信息进行对比分析如表5－1，从而计算出解释深度的平均校正系数 λ=0.66，利用该校正系数对该区瞬变电磁测深资料反演解释结果进行校正，然后结合EH4电磁测深反演的X－Y电导率张量成像剖面，对整个工区进行综合解释评价。

3.2.1 地层划分

通过上述数据处理，根据各测线反演电阻率断面的等值线疏密变化情况，可明显分出四个电性层，即表层电性不均匀层，中低阻层、中阻层和高阻层，这一特点与工作区内地层结构比较吻合，结合瞬变电磁资料与钻孔拟合的结果，对地层进行划分。

3.2.2 采空区地球物理模式及划分标准

根据水文地质调查提供的地下水位起伏信息，以及在已知采空区的试验结果和已知钻孔上瞬变电磁剖面显示，确定了区内采空区的电性特点，主要分为充水采空区和未充水采空的两种地球物理模式。

(1)充水采空区主要表现为低阻，一般影响范围较大，据上述的地层划分可见，其在剖面图上往往表现为连续多个测点在接近奥陶系灰岩的深度上的低阻异常，形成较大规模的低阻团块状，与已知采空区试验剖面所反映采空区的异常特征相符，结合对剖面异常的分析及钻孔资料的揭露得出，采空影响区电阻率对数值变化范围为0.6～2.6，其中瞬变电磁异常向下不封闭，结合地层情况可对其进行识别;在平面上，低阻异常形成边界较规则的区域。

(2)未充水采空区应该表现为高阻，但是从数值上来看与背景差别并不明显，等值线形态上也没有明显反应。

3.2.3 剖面综合推断解释

1)剖面解释

对瞬变电磁法和EH4电磁测深法的每条剖面进行逐一定性分析，依据典型工区试验剖面对采空区所反应的异常特征及采空区地球物理模式和划分标准，并结合钻孔资料，对剖面各异常情况做出合理的推断。

除对典型剖面分析解释外，还对研究区内所有相关的剖面进行了汇总分析。从对典型剖面及汇总的剖面解释情况可看出，两种方法对充水采空区的反应主要表现为低阻，影响范围较大，据上述的地层划分可见，其在剖面图上往往表现为连续多个测点在接近奥陶系灰岩的深度上的低阻异常，形成较大规模的低阻团块状，其中瞬变电磁异常向下不封闭，结合地层情况可对其进行识别，EH4由于信号更易受人文干扰，且受地形、静态效应影响，浅部电性呈不均匀变化，从剖面反演结果看，其等值线比较凌乱，异常的空间形态更不规则，但低阻异常向下基本上是封闭的，呈层状电性特征，其深部电性变化较规律更接近实际地层起伏。总体而言，瞬变电磁数据质量要优于EH4大地电磁数据质量，能更好地反应采空区异常，更有利于采空区范围的圈定。

2)采空区的平面分布特征

为进一步确定采空区的空间特征，从平面上了解工区内采空区的分布情况，结合采空区地球物理模式及划分标准，及对瞬变电磁和EH4电磁测深的各剖面反演结果进行分析解释，将剖面上确定的采空范围与煤系地层结合起来，在平面上最终圈定了2个采空影响区，其编号分别为T－1、T－2。

采空区的分布规律比较明显，所有采空区都被断层穿越，且T－1异常区受多个断层控制。这一现象说明，采空区虽然与采煤活动有关，但其后期的发展与空间分布受断层影响比较大，断层的存在容易导致岩层破碎，从而使原本规模较小的采空区崩塌形成较大规模的塌陷区。

通过对两种资料的分析解释，圈定的采空影响区均已得到了钻孔资料的验证，圈定的异常区内外均与实际的钻孔资料吻合，除对未充水采空区异常反应不明显外。

4 结语

本次研究工作，通过系统收集和综合分析研究以往地质资料、煤矿开采资料、钻孔资料、水文地质资料及野外实地调查，投入瞬变电磁与高频大地电磁法对采空区展开综合探测，并对地质、水文、物探调查资料进行综合研究、评价，最终证明了该方法组合在查明煤矿采空区的分布范围及空间特征的有效可行性，同时为今后全省煤下铝采空区的探测提供一些经验借鉴。

[1]梁芳敏，黄志强，等.陕县－渑池煤下铝勘查区采空区调查评价技术方法研究报告(河南省国土资源厅2011年探矿权采矿权使用费和价款地质科研项目)，河南省有色金属地质矿产局第六地质大队.20013.6.

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