基于可控源音频大地电磁法的煤矿采空区勘查效果分析

张大明

(河北省煤田地质局 物测地质队，河北 邢台 054000)

城市建设步伐加快，导致土地资源越来越紧张，甚至在采空区场地进行工程建设，地面沉降、塌陷都会因为采空区的存在而产生，所以建筑在采空区上的建筑物是不牢固的，容易坍塌甚至引起人员伤亡及财产损失[1-13]。疑似存在采空区场地在工程建设之前进行勘查是必要的，查明是否存在采空区，以及对拟建建筑物是否存在影响，判定其是否适合作为工程建设场地[14]。结合工程实例，运用可控源音频大地电磁测深法对煤矿采空区进行勘查，查明了邢台市襄都区泉北大街与襄都路交叉口东南角地块建设场地采空区的分布情况，并通过矿方提供资料对物探成果进行验证，再次证明了可控源音频大地电磁法探测煤矿采空区是可行的、有效的。

1 工区的地质和地球物理特征

1.1 工区地质概况

工作区地处太行山断块中段东翼边缘，处于太行山拱断束与华北沉降带的结合部位上，构造复杂，断层发育。断裂以正断层为主，按其生成时间及产状可分2组：1组为燕山期生成的走向NW25°左右的井田边界断层，如邢台一号正断层及其近似平行的伴生断层；另1组生成的走向NE-NEE正断层，该组断层多为倾向断层，F19、F23等断层。区内总体构造为略有波状起伏的单斜构造，走向北西，倾向北东。除边界断层外小断层较为发育，且多为倾向断层、倾向或近倾向的断层加宽缓的波状起伏形成了区内构造的基本特点。

1.2 地球物理特征

勘探区位于太行山东麓，为冲积平原的一部分。测区地形西高东低，标高+57.343～+62.395 m，地表自然坡度约为3‰，地面冲沟不发育，区内植被密集。

勘探区内表、浅层地质条件一般，比较有利于本次勘探的野外施工。距离襄都路及泉北大街比较近，沿路有220、10 kV等高压线路通过，受其产生的电磁场干扰，将对测量数据产生较大影响。勘探区上部基本上被第四系覆盖，厚度约250 m。地表黄土层视电阻率值在15 Ω·m左右，第四系下伏地层由浅至深依次为第三系、二叠系、石炭系以及煤系基底奥陶系。地层由上至下地层时代变老、岩石密度总体呈变密实的趋势。

地层的结构及其完整性会因为采空区的存在而被破坏，原有地质体的地球物理特征也被改变，采空区与周围原岩体存在明显的电性差异，为采用可控源音频音频大地电磁法进行采空区探测奠定了物性基础。

2 可控源音频大地电磁法原理及工作参数

2.1 CSAMT原理简述

可控源音频大地电磁法(CSAMT法)为人工场源频率域电磁法[5]，交变电流通过电偶极向地下发送设定好的频率，在远区场通过观测相互正交的电场信号Ex和磁场信号Hy，地下介质的视电阻率由式(1)计算：

(1)

式中，f为发射频率；ρs为视电阻率。

根据趋肤效应理论，得到深度公式：

(2)

式中，H为趋肤深度；ρ为电阻率。

探测深度可由发射频率改变，这样便达到探测深部地层信息的目的[3-7]。可控源音频大地电磁法在市区等人工电磁干扰强的地方具有较好的抗干扰能力，且能够穿透高阻层，具有不受高阻层屏蔽等直流电法不具备的优势。

2.2 工作参数

野外数据采集采用V8多功能电法仪，发射极距AB=1 000 m，接收极距MN=40 m，频率范围设置为 1～3 840 Hz，频点间隔均匀分布，在估算的煤层采空区深度加密了频点，获得了更多该深度地质信息。CSAMT法装置如图1所示。

图1 CSAMT法装置示意Fig.1 CSAMT survey array

3 成果解译

3.1 解译原则

根据此次勘探任务，首先要依据所测得的反演电阻率变化规律，结合区内已知地质、钻孔等资料，遵循从已知到未知、从点到面、从简单到复杂，进行了综合对比分析[15-24]。资料的处理和解释工作同时进行，这是一种从实践到认识的提高过程。首先依据三维地震资料确定目的层所对应的电性层位，结合已知的采空区资料等，再通过综合分析及结合计算的反演电阻率反演解释结果，最终解释是否存在采空区。

3.2 成果分析

3.2.1 典型原始曲线形态分析

根据地质资料和场地因素情况，物探沿工区NS向及EW向按40 m×40 m测网完成可控源音频大地电磁测深剖面11条，测点227个，选择有代表性的1号和2号剖面曲线进行分析。曲线呈明显的高频段有一中低阻，表现为浅部中低阻；约16 Hz进入拐点，电阻率较低；进入低频段后电阻率变为平稳，后尾部逐步升高，浅层视电阻率相对较高，深部视电阻率升高，基本呈HA形曲线。

从电阻率曲线及相位曲线来看，主要分为3个电性层段，浅部中低电性层段，中部中阻层段和尾部高阻层段。整条剖面横向上曲线有细微变化，可能与局部存在构造有关(图2)。

图2 典型原始曲线类型Fig.2 Typical original curve type diagram

3.2.2 典型剖面解释

1号物探剖面位于工区西部，D2可控源音频大地电磁剖面方位角为0°，长度210 m，测深点28个。成果图见图3(a)中D1线反演电阻率剖面。

图3 D1线和D2线反演电阻率剖面Fig.3 D1 & D2 inversion of resistivity profile

D1线共布设28个测点，点距40 m，剖面长度为1 080 m。通过分析D1线可控源音频大地电磁剖面(图3(a))可知，剖面整体视电阻率均从上到下呈“低—中—高”形态反映，地下电性特征：上部反演电阻率较低，反演电阻率值较小，是第四系、第三系、煤系地层的电性反映；下部电性为高阻反映，电性分布相对均匀，是奥陶系灰岩的电性反映。反映出第四系、煤系地层、奥陶系基底反演电阻率从浅到深逐渐增大的基本电性规律。反映的地层序列比较清晰，无明显的高阻或低阻闭合异常区。分析认为不存在采空区。

2号物探剖面位于工区中部，D2线可控源音频大地电磁剖面方位角为0°，长度1 080 m，测深点28个。从反演电阻率剖面图(图3(b))上看，上部反演电阻率较低，反演电阻率值较小，是第四系、第三系、煤系地层的电性反映；下部反演电阻率较高，电性分布相对均匀，是奥陶系灰岩的电性反映。视电阻率呈低—中—高的趋势，反映出第四系、第三系、煤系地层、奥陶系基底反演电阻率从浅到深逐渐增大的基本电性规律。

通过分析可知，未有表现采空区和断裂的电性特征明显，视电阻率总体范围变化不大，与地层深度吻合较好，说明采集资料可信度较高。从2张剖面图上看，剖面反映的地层序列比较清晰，未发现高出围岩视电阻率3～5倍的高阻或低阻闭合异常区。分析推断不存在采空区，其余测线剖面与此类似。

3.2.3 平面图解释

沿2号煤层深度横切面切了平面图，从等值线图可以看出，在勘探区内，没有明显高阻异常和低阻异常，分析认为不存在采空区。在勘探区外平面图东南角，利用邻区资料，探得的采空区部分视电阻率值徒增到80 Ω·m以上，为高阻异常，且有闭合趋势，与采空区电性特征吻合。

4 效果验证

通过分析区域地质资料及物探结果可知，拟建建筑物下部不存在采空区，揭露和控制区内地层，揭示场区内低阻区的地质特征，查明采空区的分布情况，工区地层由新至老为第四纪、上二叠统上石盒子组、下二叠统下石盒子组、下二叠统山西组、上石炭统太原组、中石炭统本溪组、中奥陶马家沟组。岩性以泥岩和砂岩为主。据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》(安监总煤装〔2017〕第66号)，对翔蓝体育中心的建设用地西侧与北侧为已开发建设用地，故本次工作范围以建设用地东、南两个方向的煤炭压覆范围，反推采空区影响范围。其极值为：围护带范围+松散层水平移动值+基岩上山/下山方向移动值(最大值)≈440 m。如图4所示，采空影响范围为翔蓝体育中心边界向东延伸约440 m，向南约440 m。本次电法工作的勘探在勘探区内未发现采空区，翔蓝体育中心拟建高层建筑物距离勘探区外东南角已知2煤采空区的距离远大于440 m，故该处采空区不会对翔蓝体育中心的拟建高层建筑物产生影响。

图4 采空区影响范围示意Fig.4 Mined-out area scope

5 结论

(1)本文采用可控源音频大地电磁法，在拟建建筑区内煤矿采空区的位置进行了推测，明确了拟建建筑区域不存在采空区分布，表明应用可控源音频大地电磁法对煤矿采空区进行勘查效果良好。

(2)数据采集参数及频率范围正确选择获得高质量的原始数据。

(3)可控源音频大地电磁法在市区范围内受周边电磁干扰较明显，对地层规模较小的地质构造等需要进一步勘查。