基于CSAMT的贵州山区煤矿深部富水区探测研究

陈品雄 ，罗聪 ，徐林

(1.贵州煤田地球物理勘探有限责任公司， 贵州 贵阳 550014；2.贵州省煤田地质局一七四队， 贵州 贵阳 550014)

贵州山区，尤其是黔北地区的煤系地层上覆长兴组地层及玉龙山组为灰岩地层，下覆茅口组为灰岩地层，灰岩的岩溶、岩体节理裂隙、构造等是矿山开采的重要致灾因素。多数矿井开采深度为200～600 m，随着开采深度增加，直流电阻率法探测煤矿水害已经不能满足要求；而瞬变电磁法在贵州山区受地形起伏及植被影响，大发射框施测难度大、效率低。可控源音频大地电磁法（CSAMT）具有探测深度大、工作效率高、抗干扰性强、受地形影响相对较小、设备相对轻便和横向分辨率高等特点，将成为贵州山区煤矿水害勘探的重要方法[1-5]。

可控源音频大地电磁法（CSAMT）是在大地电磁法（MT）、音频大地电磁法（AMT）为基础发展起来的方法，其采用人工源，提高了信号强度，但由于低频数据的非平面波效应导致的近场效应，过渡带数据产生低谷，近场区数据陡升，使低频数据不能正常反映深部电性特征[6-8]。本文以黔北地区新田井田可控源音频大地电磁测深数据为基础，针对CSAMT低频数据进行近场校正分析处理，以期达到充分利用低频数据的目的[9-10]。

1 近场效应形成原因及处理方法

1.1 CSAMT（标量测量方式）原理

一般以长度为1～2 km接地导线向地下发送不同频率的交变电流形成交变电磁场，观测磁场振幅Hy和电场振幅Ex。根据Cagniard（卡尼亚）公式求得地下介质的视电阻率和阻抗相位：

式中，ρs为视电阻率，Ω·m；f为发射频率，Hz；Ex为x方向的电场强度，Ⅴ/m；Hy为y方向的磁场强度，A/m；φ为阻抗相位；φE表示电场相应；φH表示磁场相伴。

CSAMT法探测的深度与大地电阻率和信号频率有关，估算有效深度H的近似公式为：

式中，H为探测深度，m；σ为趋肤深度，m；ρ为大地电阻率，Ω·m。

由式（3）可知，当大地电性结构一定时，通过转换收发电磁信号的频率可测到不同深度的地电信息，从而达到勘探目标地质体的目的。

1.2 近场效应

因为采用人工源，接收机靠近场源（采集低频数据）时，收发距r不能远远大于趋肤深度，电磁波为非平面波，不满足平面波垂直地面的假设条件，利用卡尼亚公式计算得到的视电阻率及阻抗相位会发生畸变，表现为过渡区出现低谷，近场区低频段视电阻率以近45°陡升，阻抗相位下降趋于0，远场区以外数据不适合理论公式。近场区电场与磁场完全饱和且磁场按照1/r2衰减；远场区电场与磁场水平分量按照1/r3衰减。在近场区与过渡区曲线形态无法用MT或AMT方法进行解释，限制了低频段数据的使用。

1.3 近场数据处理方式

Kn在近场时为常数 0.63，Kf在远场时为常数1。根据实际f，r和测定的值，可以把研究区分为远场区、近场区及过渡区。

在远场区，因为Kf＝1，表明式（4）与式（1）相同，而在近场区和过渡区则必须用Kf和Kn系数进行校正。

2 研究区富水区特征

研究区地层出露地层有：三叠系下统夜郎组玉龙山段上部（灰岩）、三叠系下统夜郎组九级滩段下部（粉砂岩、泥岩）及第四系。未出露地层有三叠系下统夜郎组玉龙山段下部（灰岩）、沙堡湾段（主要为泥岩）、二叠系上统长兴组（灰岩）、龙潭组（含煤地层，主要由薄至中厚层状粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、泥岩及少量细砂岩组成）及下统茅口组（灰岩）。

研究区断裂和岩溶发育。T1y2含水层富水性强，部分区域直接裸露地表，沿节理密集带在T1y2含水层发育呈南北延伸的沟谷，沿沟谷形成季节性地表溪流，雨季沟谷中地表溪流在径流过程中多沿落水洞集中注入地下，成为T1y2地下水的补给来源。

主采煤层M4与P3c-T1y2含水层间隔水岩层厚度小于矿井顶板冒落导水裂隙带高度，未来开采过程中，P3c-T1y2岩溶地下水将通过裂隙或断层带进入矿井，造成矿坑涌水，特别是暴雨期间，大量地表水可能通过落水洞涌入矿坑，造成矿坑突水。P2m灰岩若存在岩溶裂隙发育，其对后续煤矿开采龙潭组底部煤层会造成水患威胁。研究区位于F5正断层附近。F5正断层位于井田西南部蒙家寨-梨子冲一带，长3.2 km，走向NE35°～45°，倾向SE，倾角为71°，地表出露清楚，落差30 m左右。

通过对研究区及附近区域进行野外踏勘和调查，研究区无采掘活动。结合该区地层及地层产状情况，地表泉点、岩溶、构造发育情况，研究区主要水患（富水区）为 F5正断层和 T1y2、P3c、P2m灰岩内形成的岩溶裂隙。

结合研究区附近钻孔的测井视电阻率曲线资料，将工区内地层视电阻率进行了统计，统计结果见表1。

表1 研究区附近钻孔岩心视电阻率测量统计

3 近场校正效果分析

本次 CSAMT探测布置一个发射源，长度为1990 m，收发距为8.25～8.65 km（大于探测深度10倍），接收偶极矩为20 m。采用标量测量方式。

图1为1号测线10 m、130 m、230 m测点卡尼亚电阻率和阻抗相位曲线，虽然1号测线收发距为 8.65 km，但从曲线可以看出近场效应明显。卡尼亚电阻率阻抗相位曲线均比较圆滑，未出现明显畸变点，在低频200～50 Hz左右，卡尼亚电阻率明显进入低谷，尾部明显升高；阻抗相位在200 Hz左右出现最高点，低频衰减逐渐趋近于0。200～50 Hz明显进入过渡带低谷，50 Hz以后明显进入近场区。表明在高频区域（远场区），卡尼亚视电阻率能够客观地反映出地电断面的垂向变化；但在过渡区和近场区，电场和磁场衰减的强度变化不一致，卡尼亚视电阻率不能正确反映地电断面变化情况。

图1 1号测线10 m、130 m、230 m测点卡尼亚电阻率和阻抗相位曲线

图2为1号测线10 m、130 m、230 m点位实测卡尼亚电阻率和近场校正后视电阻率曲线。近场校正后远区（高频段）无变化，过渡带低谷消失，近场区低频曲线不再陡升。表明近场校正效果良好，较好地解决了过渡带及近场引起曲线畸变的问题。

图2 1号测线10 m、130 m、230 m测点实测卡尼亚电阻率曲线（黑色）和近场校正后视电阻率曲线（蓝色）

4 剖面异常响应分析

图3为1号测线二维反演电阻率剖面图（横纵比例为1:5）。从电阻率剖面可以看出，T1y3地层整体呈相对低阻，符合砂岩和泥岩电性特征；T1y2地层呈相对高阻，符合灰岩电性特征；P2m地层整体呈相对高阻，符合灰岩电性特征；P3l地层呈相对低阻，符合粉砂岩、泥岩、煤层电性特征；尤其T1y1、P3c呈相对低阻（泥岩）—高阻（灰岩）薄互层，电性特征反应不明显。表明CSAMT在纵向对高阻及低阻地层分辨率均较好；由于厚度关系，对薄层高阻或低阻互层反应不明显。

F5断层为正断层，倾角为71°，断距约31 m，出露明显。在图3上显示上盘为相对高阻，下盘为相对低阻，推断下盘发育破碎带发育，F5断层电性特征反应明显。

图3 1号测线二维反演电阻率剖面

据图3推断岩溶发育范围6个，均呈相对低阻。T1y2地层发育4个，编号I至Ⅳ；P3c地层发育1个，编号Ⅴ；P2m地层发育1个，编号Ⅵ。该区域无煤层露头，煤层埋深，据调查该区域未发生过煤层采掘活动，无采空区。

图4为2号测线二维反演电阻率剖面图（横纵比例为1:5）。各地层电性特征与1号测线相似，表明CSAMT整体对高阻及低阻的地层均反应明显，对高低阻互层的薄地层反应不明显，对横向上 F5断层反应明显。

图4 2号测线二维反演电阻率剖面

据图4推断岩溶发育范围9个，均呈相对低阻。T1y2地层发育6个，编号I至Ⅵ；P3c地层发育1个，编号Ⅶ；P2m地层发育2个，编号Ⅷ和Ⅸ。该区域无煤层露头，煤层埋深，据调查该区域未发生过煤层采掘活动，无采空区。P2m地层发育较1号测线偏低，根据研究区附近302号钻孔，茅口灰岩发育裂隙及溶蚀，表明测线2区段岩溶裂隙较为发育。

根据以上两个剖面特征：表明通过近场校正后，CSAMT在纵向对高阻及低阻地层分辨率均较好；由于厚度关系，对薄层高阻或低阻互层反应不明显。F5断层断距30 m，从浅部至深部均反应明显，表明通过近场校正后，CSAMT在横向上从浅部至深部均有良好的分辨率。两条测线共推断的岩溶发育位置15个，其横向大小为15～30 m，表明通过近场校正后，可控源音频大地电磁法横向上区分岩溶异常也具有良好的效果。

5 结论

（1）对数据进行近场校正，近场校正后远场区（高频段）无变化，过渡度带低谷消失，近场区低频曲线不再陡升。近场校正效果良好，较好地解决了过渡带及近场引起曲线畸变的问题。

（2）对部分剖面进行分析，表明通过近场校正后，CSAMT在纵向对地层分辨率较好，其结果与测井曲线统计的视电阻率吻合度好；CSAMT对断层具有良好的分辨率，对岩溶异常也具有良好的地响应效果。

（3）通过实测资料，可控源音频大地电磁在按测量10倍深度选择收发距时近场效应相当明显，对其低频数据进行近场校正处理提取并应用十分有必要。通过对实测资料近场校正处理后，能很好地反映深部地层及富水区的异常特征，表明视电阻率数据相当于远区视电阻率数据，提高了 CSAMT深部低频数据的可靠利用程度，能更好地服务于贵州山区矿山复杂地质条件下的的深部防治水工作。