高分辨率CSAMT探测浅埋煤层采空区应用研究

张克聪张永超李宏杰李帝铨4

（1.甘肃靖远煤电股份有限公司王家山煤矿，甘肃省白银市，730917；2.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京市朝阳区，100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京市朝阳区，100013；4.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南省长沙市，410083）

高分辨率CSAMT探测浅埋煤层采空区应用研究

张克聪1张永超2，3李宏杰2，3李帝铨4

（1.甘肃靖远煤电股份有限公司王家山煤矿，甘肃省白银市，730917；2.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京市朝阳区，100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京市朝阳区，100013；4.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南省长沙市，410083）

以榆林市某矿为例，从施工参数、实测数据以及反演结果等方面对浅埋煤层采空区进行CSAMT高分辨率探测研究。通过对中高频进行优化以及采用多种抗干扰措施，在干扰较强的测区取得了可靠的实测数据，未采区和采空区的视电阻率曲线与相关资料吻合极好，证明了该方法的可行性。反演视电阻率断面与地质资料、采掘资料以及钻孔的吻合则进一步表明CSAMT探测浅埋煤层采空区具有较高的分辨率和良好的效果。

可控源音频大地电磁法 浅埋煤层 采空区 探测 高分辨率

晋陕蒙交界区域是我国煤炭的主要产区之一，由于历史原因，该区域的小煤窑遗留了众多分布和规模不明的采空区。这些采空区埋藏一般较浅，有的裂隙带甚至发育到地表，它们轻则影响煤矿生产计划，重则诱发突水、矿震等安全事故。为便于地质灾害预防治理、煤矿采掘计划规划，需探明采空区的位置和含水性。采空区探测常用的物探方法有高密度电法、瞬变电磁法、三维（二维）地震法等，这些方法在实践中有很多成功的范例，但在人文干扰强的地方其探测结果的可靠性往往会受到一定影响。

可控源音频大地电磁法（Controlled sourceaudio-frequency magnetotellurics，简写为CSAMT）采用大功率人工发射源，具有抗干扰能力强的优点，在一些人文干扰较强、传统物探方法难以实施的地区也能取得较好的结果。以榆林市某矿强人文干扰区域的实践为例，研究高分辨率CSAMT探测浅埋煤层采空区的施工参数选择、数据处理及探测效果。

1　CSAMT原理

基于电磁波传播理论和麦克斯韦方程组，可以导出水平电偶极源“远场区”的卡尼亚视电阻率ρs与平行电场Ex、垂直磁场Hy的关系式：

式中：ρs——视电阻率，Ω·m；

f——频率，Hz；

Ex——电场强度，μV/m；

Hy——磁场强度，n T。

通过地面上观测到两个正交的水平电磁场（Ex，Hy）可获得地下的卡尼亚视电阻率ρs。

根据电磁波的趋肤效应理论，可以导出探测深度的公式：

式中：δ——探测深度，m；

ρ——电阻率，Ω·m。

当电阻率一定时，频率与探测深度成反比，可以通过改变发射频率来改变探测深度，从而达到变频测深的目的。常用的CSAMT工作布置如图1所示。

图1　CSAMT工作布置示意图

2　工程概况

榆林市某煤矿建成伊始曾在测区内进行过开采活动，相关资料已大多佚失。测区内房屋较多且在西部有多条高压线，根据调查，邻近煤矿的采空区曾诱发过里氏3.0级以上的矿震，为消除安全隐患，需先查清采空区的分布。由于测区人文干扰较强，其它的物探方法在该区难以实施，因此选用CSAMT进行探测，共设计12条测线，线距为60 m，点距为30 m，测点分布见图2。仪器采用V8多功能电法仪。

3　地质条件和地球物理特征

3.1 地质条件

测区地层由下至上分别为侏罗系中统延安组（J2y）、新近系上新统静乐组（N2j）、第四系（Q）。其中，J2y岩性以砂泥岩互层为主，是测区主要的含煤地层，顶部受较强风化；N2j岩性为紫红色粘土，是本区重要的隔水层；Q下部岩性为砂土，上部以风积沙为主，其涵养的地下水是本区主要的饮用水源。区内无断层、褶皱等构造，地层呈近水平层状分布。

该矿开采3#煤层，是区内最上部的一个煤层，赋存于侏罗系中统延安组第三段顶部，煤层厚度大于6 m且稳定，埋深约105 m。

3.2 正常岩层的地球物理特征

根据相邻矿井的测井曲线（见图3），区内泥岩电阻率最低（小于50Ω·m），粉砂质泥岩、粉砂岩电阻率较低（约70Ω·m），细砂岩电阻率中等（70～90Ω·m），中—粗砂岩电阻率稍高（100～120Ω·m），3#煤层电阻率最高（大于300Ω·m），煤系地层平均视电阻率约90Ω·m。

根据地层分布和电性特征，可以推断测区由地表至煤层底板的地电结构应呈KHK型，即第四系含水层为低—中阻，静乐组或侏罗系顶部风化带为中—高阻，侏罗系砂泥岩互层为低—中阻，3#煤层为高阻，底板泥岩为低阻。

3.3 采空区的地球物理特征

煤层被采空后由于采空区和两带发育了大量的空洞和裂隙，其电阻率与正常岩层的电阻率会有明显的差异。采空区及两带不（弱）充水时，其电阻率会高于正常岩层；采空区及两带充水时，其电阻率会低于正常岩层。

图2　CSAMT测线及测点布置图

图3　侏罗系煤系地层特征及测井曲线

4　参数选择

合理的参数不仅能提高数据质量，还能简化数据处理的流程，因此应结合地质条件和探测目的详细分析。由于目标体埋藏较浅，根据式（2）计算其对应的频率较高，因此本次施工参数应针对高频进行优化。

（1）AB极距。在保证AB极所张的60°扇形区域能覆盖测区的基础上，选择较短的AB极距能减小接地电阻，提高发射电流，更好地激发高频信号，增强抗干扰能力。根据现场条件确定AB极距为750 m。

（2）收发距。收发距过小，信号易进入过渡场和近场，此时卡尼亚视电阻率发生畸变，即使做近场校正，也很难校正到和远场区一样；收发距过大则会造成信号强度小，抗干扰能力弱。满足高频频点的远场区条件不需要太大的收发距，还可保证信号强度，提高抗干扰能力。经现场试验后选择收发距最小为2.90 km。

（3）频段频点。选择中高频段，频率为9600 ～32 Hz。仪器的基础频点间隔较大，需加密频点以提高分辨率，但受体积效应的影响电法分辨率有一个上限，频点过密不一定能取得更好的效果反而会增加叠加时间。考虑施工效率，选择在2个基础频点间再插入1个频点，共18个频点。

（4）发射电流。在保证仪器稳定工作的基础上选择尽可能大的发射电流，可以提高抗干扰能力，本次发射电流为14 A。

上述参数为200 m深度范围内探测结果的可靠性奠定了良好的基础。

5　抗干扰措施

除施工参数有针对性地提高信号强度、增强抗干扰能力外，施工时还采取以下抗干扰措施。

（1）保证相邻电极间的接地电阻小于1 kΩ，以增强电场信号强度，提高信噪比。

（2）在每一个排列的测量中，将磁探头调整至干扰较小的测点处，尽量避免磁场受到干扰。

（3）测线沿途存在多条高压和民用输电线，由于干扰信号的强度大体上反比于距离的平方，因此除仪器设置50 Hz滤波外，还将部分测点偏离输电线一定距离以减小干扰。

6　数据分析

9号测线（简称9线）穿过已知采空区和未采区，且沿线存在电力线和多处民房，地质条件和干扰条件都具有代表性，因此选择该线上已知采空区（270号点）和未采区（690号点）的实测视电阻率曲线进行数据对比分析，如图4所示。图中横轴和纵轴均采用对数坐标。由实体煤层的视电阻率曲线可见，9600 Hz处视电阻率较低，反映了近地表的电阻率较低；7680～5120 Hz段视电阻率稍高；5120～2560 Hz段视电阻率逐渐降低；2560～1024 Hz段视电阻率缓慢升高；711.1 Hz和512 Hz处视电阻率稍低，可见原始数据非常好地反映了由地表至煤层底板的KHK型地电结构。采空区的视电阻率曲线的变化趋势与实体煤层基本相同，但部分频点的视电阻率高于实体煤层，其中1280 Hz和1024 Hz两个频点处的视电阻率高出未采区对应频点约60%。将煤系地层的平均视电阻率90Ω·m代入式（2）可得，1024 Hz对应的探测深度约108 m，接近煤层埋深，可见原始数据很好地反映了采空区的存在，高阻特征则说明该采空区基本不充水。

图4　实测视电阻率曲线对比

由原始数据曲线可见，由于采用多种措施来增强信号强度，提高信噪比，因此即使在干扰较强的测区，CSAMT的原始数据也有很高的可靠度。此外，若采用不加密的基础频点可能会丢失一些关键的转折点信息，致使分辨率降低。

7　资料处理

（1）去噪。本次工作虽采用了多种抗干扰措施，但个别测点难免会受到干扰。经对比五点三次平滑、五点二次平滑、五点汉宁窗滤波后，最终选用保持原始数据曲线趋势和去噪效果相对均衡的五点二次平滑算法进行去噪。

（2）静态校正。静态效应会使结果产生垂向条带状虚假异常，需进行校正。常用的静态校正方法有相位数据变换法、磁场数据变换法、空间滤波法和曲线平移法。经过对比，采用操作简便、实践效果较好的汉宁窗空间滤波与曲线平移相结合的人机联合方式进行静态校正。

（3）数据反演。由于参数设置得当，远场区的资料能很好地反映目标体，因此不做近场校正。传统的CSAMT（MT）反演算法纵向分辨率较低，难以满足探测浅埋煤层采空区的需要，本次采用计算速度快、分辨率高的非线性共轭梯度法进行数据反演。

8　成果分析

9线和2线的反演视电阻率断面图见图5和图6，图上煤层底板以粗虚线标示出。两条测线的反演断面都很好地反映了由地表至煤层底板的KHK型地电结构，反演结果的分辨率较高。已知采空区与高阻异常吻合较好，根据已知采空区的特征，将煤层附近视电阻率在450Ω·m（等值线以细虚线标示）以上的区域推断为采空区。推断采空区1的采出率可能较低，其两带反映不明显，推断采空区2的两带形态则在图上有明显反映。采空区的裂隙带均未发育到第四系含水层，表明采空区充水的可能性很小。

图5　9线反演视电阻率断面图

图6　2线反演视电阻率断面图

在9线的510号点和540号点之间布置了验证钻孔，由于矿民纠纷该孔进尺至62.7 m时被迫停止。根据打钻时的简易水文观测，钻进至约59 m后，漏水量开始显著增加，岩芯也出现裂纹，可以判定钻孔已揭露裂隙带顶部，与物探推断的结果基本相符，表明此次探测结果的可靠性较高。

9　结论

针对高分辨率CSAMT探测浅埋煤层采空区，从多方面进行了研究分析，结论如下：

（1）应充分掌握测区的地质条件和物性特征，这是取得良好探测结果的基础。

（2）施工参数应针对 中高频进行优化，选择合理但较小的AB极距和收发距，这样还有利于增强信号强度、提高抗干扰能力。在2个基础频点间再插入1个频点，可提高分辨率。

（3）通过采用多种抗干扰措施，在干扰较强的测区也获得了可靠的实测数据。视电阻率曲线很好地反映了测区的地电结构，未采区和采空区的视电阻率曲线对比也证明了该方法的可行性。

（4）采用合理的资料处理流程和反演算法，得到了分辨率较高的结果。与地质资料、采掘资料以及验证钻孔的吻合表明结果的可靠性很高。

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（责任编辑 郭东芝）

Research on application of CSAMT with high resolution for detecting goaf in shallow coal seam

Zhang Kecong1，Zhang Yongchao2，3，Li Hongjie2，3，Li Diquan4
（1.Wangjiashan Coal Mine，Gansu Jingyuan Coal Industry and Electricity Power Co.，Ltd.，Baiyin，Gansu 730917，China；2.Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute，Chaoyang，Beijing 100013，China；3.State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization，Chaoyang，Beijing 100013，China；4.School of Geosciences and Info-Physics，Central South University，Changsha，Hunan 410083，China）

Taking a coal mine in Yulin as an example，goaf in shallow coal seam was detected and researched with CSAMT with high resolution from different aspects such as construction parameters，measured data and invertion results.By optimizing the medium-high frequency and adopting various anti-jamming measures，reliable measured data had been acquired even in the heavy interference area，the apparent resistivity curves of unmined area and goaf perfectly fitted the related data，which validated this method.The sections of inverted apparent resistivity were consistent with the geological data，mining data and borehole data，which further showed that detecting the goaf in shallow seam with CSAMT had relative high resolution and favorable effects.

CSAMT，shallow coal seam，goaf，detecting，high resolution

P631.2

A

张克聪（1973-），男，甘肃会宁人，工程师，从事煤矿地质研究。