可控源音频大地电磁法在奥灰岩溶富水性探测的应用

亓增刚

（中国煤炭地质总局 物测队，河北 邢台 054000）

0 引 言

山西北部塔山矿地形及地质条件较为复杂，主采煤层为3-5号煤和8号煤，为带压开采，因煤矿水害事故是仅次于瓦斯事故的煤矿“第二杀手”，水患问题较为突出，开采前需采用科学的探查手段对研究区内的奥灰岩溶富水性进行探测。当下可控源音频大地电磁法、瞬变电磁法、直流电法等地面电法在煤矿水害探查方面应用广泛[1-4]，直流电法受地形影响较为严重[5]，瞬变电磁法最佳勘探深度有限。可控源音频大地电磁法是20世纪80年代兴起的一种测量卡尼亚电阻和相位的电磁测深技术，它是在大地电磁法（MT）和音频大地电磁法（AMT）的基础上发展起来的一种人工源频率域测深方法，具有工作效率高、勘探深度范围大、分辨能力强、受地形影响小等特点[6-7]，是当前煤矿深部水害勘探的首选方法。结合水文、地质资料，利用可控源音频大地电磁法对区内的奥灰岩溶富水区进行探测，为矿井的安全生产提供了可靠的地质依据。

1 地质及地球物理特征

研究区位于位于山西地台的北端，地势总体是西南高、向东北渐低，大部分地带为基岩出露，地形复杂，沟谷发育，最高点位于研究区西北部，标高1 554 m，最低点位于研究区东南部，标高1 330.6 m，相对高差264 m。

1.1 地质概况

研究区位于大同煤田中、东部，地层由老至新有，寒武系；奥陶系；石炭系；二叠系、侏罗系和第四系。此次研究区主采煤层为石炭系上统太原组的3-5号煤和8号煤，3-5号煤平均煤厚15.64 m，8号煤平均煤厚5.71 m。根据研究区水文地质资料、钻孔资料及三维地震资料分析可知，对主采煤层开采影响较大的含水层是奥灰岩溶含水层，岩溶发育层段为奥陶顶界以下7.84～209.24 m，多发育在距顶界面150 m范围内，奥灰水位标高在920—1 040 m，3-5号煤层底板标高的变化范围在954～1 086 m，8号煤底板标高变化范围在926～1 036 m，3-5号煤大部分的区域带压，8号煤基本全区带压。

1.2 地球物理特征

研究区各地层之间（垂向上）均有较明显的电性差异，该区内第四系和侏罗系地层主要为沙土、砾石和煤层组成，电性上反映为中高阻；二叠系主要由砂岩、砂质泥岩、泥岩以及煤层组成，电性上反映为中低阻；石炭系主要由砂岩、泥岩、砂质泥岩及较厚的煤层组成，电性上反映为中高阻；奥陶系为石灰岩，电性上反映为高阻，地层在纵向的电性反映上呈现明显的“中高—低—中—高”的电性特征；纵向上各层位电性反映特征较为明显。岩层的电阻率主要取决于岩石的结构含水饱和度和水分矿化度，一般来说，岩溶富水区的电阻率远小于不含水围岩的电阻率，这是在同一层位横向上的电法勘探具备的前提条件，

2 采集参数的选择

2.1 仪器及工作装置

此次研究选用了仪器动态范围大、仪器灵敏度高，发射机电流大，美国ZONGE公司生产的GDP-32II多功能电法仪。

工作装置采用CSAMT的标量测量方式，水平方向电场（MN）平行于场源（AB），水平磁场垂直于场源布设。

2.2 收发距的确定

此次研究区的最大探测深度约为950 m，根据规范要求可知，最小收发距应大于4倍的趋肤深度[8]，共计3.8 km，最大收发距不超过15.6 km。结合以往工作经验，选择了4、6、8和10 km的收发距进行试验。

图1为4种收发距下探测卡尼亚电阻率曲线图，纵坐标为电阻率值，横坐标为频率，由图1可以看出，4 km收发距时，大约在32 Hz进入过渡区，6 km时在22.5 Hz进入过渡区，8 km时在16 Hz进入过渡区，10 km时在11.3 Hz进入过渡区，但10 km收发距时低频信号较弱，受信噪比和人文干扰因素的影响使得衰减曲线不圆滑，不适合该区施工。综合考虑此次选择6～8 km作为CSAMT勘探的收发距。

图1 不同收发距卡尼亚电阻率曲线Fig.1 Carnia resistivity curves of different sending and receiving distances

2.3 工作频段的确定

此次研究区平均电阻率大于100Ω·m，探测深度预计为950 m，结合规范中有效探测深度的列线图分析，对应的最低工作频率约为16 Hz。常规情况下为保证不漏掉所要探测的地质目标体，所选择的最低工作频率，比估算的最低工作频率低3～4个频点以确保探测深度。图2为试验工作卡尼亚电阻率曲线图，当测到过渡区时（22.5 Hz），应再往低频测3～4个频点，因此此次选用的最低工作频率为4 Hz。最高频率为仪器工作的最高频率即8 192 Hz。

图2 试验点卡尼亚电阻率曲线Fig.2 Carnia resistivity curves of test point

3 数据处理及解译

3.1 数据处理

可控源音频大地电磁法的资料处理，先是剔除或拟合那些明显的噪声和误差；其次进行静态校正和进场校正，以消除静态效应影响的电阻率数据不规则现象起到改正作用；最后对数据进行反演处理。3.1.1畸变点的处理

视电阻率与相位资料的处理是进行人机联做来完成的。处理时以排列为单位，根据同一排列中视电阻率曲线形态变化不大且具有相似性的特点进行，图3中该测线1252点32 Hz频点数据发生畸变，通过软件对该频点数据进行删除或拟合处理，可使得电阻率形态符合变化特征，保证资料的质量。

图3 畸变频点示意Fig.3 Aberration frequency point

3.1.2 静态效应校正

静态校正中，对于相对误差在10%以内的覆盖点可以进行算术平均处理或不作处理，对于相对误差大于10%但曲线形态一致的覆盖点应作平移处理。图4是此次静态效应处理前后示意图，图中可看出，1202点因受到静态位移影响，使得该测点视电阻率曲线也沿纵轴在双对数坐标中发生下移，需通过软件对该测点进行静态校正后，使该点曲线沿箭头上移至误差范围内，以满足处理要求。

图4 静态校正示意Fig.4 Static correction

3.1.3 近场校正

在CSAMT勘探工作中，由于受地表地形与地质条件的影响，很难使测量区都满足波区条件，测点处的电磁场常表现为近场或者过渡场特征，特别是当收发距小和频率较低时，近场效应严重，近场效应表现为视电阻率曲线在双对数坐标中呈45°上升[9]。近场校正方法有多种，此次工作近场校正采用全频域视电阻率法。

3.1.4 数据反演

野外观测数据得到磁场、电场曲线与地下的地电结构不是简单的对应关系，而是一种复杂的非线性关系，因此需要用特定的反演方法把频率域数据转化成电阻率—深度的关系。这种把视电阻率随时间的变化转化为电阻率随深度变化的过程就叫做反演处理，可以得到地下电阻率随深度的变化情况，从而研究由于各类地质异常体所引起的电性异常，为数据的解译提供依据。

3.2 数据解译

（1）L296线视电阻率综合剖面图—A24号钻孔对比分析。

图5为L296线视电阻率综合剖面图，该测线位于研究区的中部，11500点位于A24水文观测孔之上，根据收集资料可知，该孔在石炭系太原组的单位涌水量为0.003 41～0.027 43 L/s·m，富水性弱；在奥陶系顶界下70 m左右的单位涌水量为0.099 5～0.744 4 L/s·m，富水性中等；11720点标高1 062 m（3-5号煤附近），井下揭露Q=0.53/h。由图可以看出，该测线从横向上看视电阻率断面图基本呈层状分布，在巷道所在位置视电阻率值约为160Ω·m，无明显的低阻异常反应；A24号钻孔位置，8号煤附近视电阻率值为170～180Ω·m，无明显的低阻异常反应；奥陶系顶界至奥灰顶界下200 m地层视电阻率值为140～280Ω·m，图中测点号10 740～11 540，标高700～960 m（虚线圈出的椭圆位置），呈现出低阻异常反应，视电阻率值小于220Ω·m，依据水文孔资料综合分析为奥灰富水反映，DF4、DF5和DF6断层在该异常范围内，推断这3条断层在该测线控制范围内富水，并具有一定的导水性；在三维地震解释采空区位置，视电阻率值小于120Ω·m，相比同层位呈现出低阻异常反映，推断为采空富水反映。

图5 L296线视电阻率综合剖面图Fig.5 Apparent resistivity comprehensive profile of No.L296 line

（2）L176线视电阻率综合剖面图-T605号钻孔对比分析。

图6为L176线视电阻率综合剖面图，该测线位于勘探区的西北部，12520点位于T605水文观测孔之上，距8228工作面约为1 000 m，根据矿方反馈资料，该孔所在位置在奥灰含水层有富水情况。由图可以看出该测线从横向上看视电阻率断面图基本呈层状分布，A24号钻孔附近，11 240～12 580点号，标高600 m—1 050 m；12 860～13 340点号，标高700—1 000 m，均存在明显的低阻异常反映，在异常区内，8号煤附近视电阻率值为小于170Ω·m，奥陶系顶界至奥灰顶界下200 m地层视电阻率值为小于220Ω·m，且DF16断层和DX3陷落柱分别位于2个异常范围内，推断这2个区为富水区，在富水区内的，DF16断层和DX3陷落柱具有一定的导水性。

图6 L1 76线视电阻率综合剖面图Fig.6 Apparent resistivity comprehensive profile of No.L176 line

（3）L200线视电阻率综合剖面图-T605号钻孔对比分析。

图7为L200线视电阻率综合剖面图，该测线位于勘探区的中西部。

图7 L200线视电阻率综合剖面图Fig.7 Apparent resistivity comprehensive profile of No.L200 line

5234巷道位于该测线DF15断层北部的12780点附近（实心圆点位置），5234巷道里程1 740 m位于该测线15200点位置，已过DF17断层16 m，同时有出水现象，为查明水源设计了探放水孔探测DF16断层，1号孔（方位221°，倾角-25°）施工60 m见水，水量0.7 m3/h，水温28℃，2号孔（方位241°，倾角-25°）施工至45 m见水，63 m终孔，水量7.5 m3/h，水温29℃（位于断面图中12480点附近），根据水温和水质，判断出水水源为奥灰水。结合该测线视电阻率综合剖面图分析，12780～13120点标高700—1 000 m（虚线椭圆标示位置），视电阻率呈现出低阻异常特征，巷道出水位置以及DF16断层探放水孔位置（图中实心正方形位置）在该异常区内，综合分析，该区域为奥灰岩溶富水区，对应情况良好。

8234巷位于此测线12500点附近（实心圆点位置），8234顶板高抽巷掘进至里程1 610 m（图中8234巷道所在位置西北50 m左右），工作面煤壁出现渗水现象。结合该测线视电阻率断面图，12 260～12 580点，标高750—900 m，视电阻率呈现出低阻异常特征（图中虚线椭圆标示位置）在该异常区内，分析该区域为奥灰岩溶富水区，3-5号煤底板附近无明显异常反应，对应情况良好。

4 结 语

通过在研究区开展可控源音频大地电磁法表明，该方法是当前煤矿深部水害勘探的首选方法，能够有效的探测出奥灰岩溶富水所造成的低阻异常。施工时，收发距的选择需通过试验工作而确定。因该方法存在静态效应，在资料处理时，需进行静态校正和进场校正，以满足处理要求。需要注意的是，反演后获得的视电阻率值是相对的，在使用过程中需结合地质、水文、井巷采掘以及相关物探资料进行综合对比解释，以提高解释精度。