可控源音频大地电磁测深法在大倾斜煤层采空区勘查中的应用

摘要：采空区的塌陷、涌水等地质灾害因素给煤矿正常采掘带来极大的安全隐患，也严重威胁煤矿设备及其人员的安全。大倾斜煤层采空区的勘查解释较倾斜、缓倾斜煤层采空区的勘查解释复杂。通过正演模拟验证了可控源音频大地电磁测深法探测大倾斜煤层采空区的可行性，结合可控源音频大地电磁测深法在贵州六盘水某煤矿和遵义某煤矿大倾斜煤层进行采空区勘查，从理论和实例验证了该方法在大倾角煤层采空区勘探中的可行性和有效性。

关键词：CSAMT；大倾斜煤层；采空区；正演模拟

中图分类号：P631文献标识码：Adoi：10.12128/j.issn.16726979.2023.05.008

引文格式：杜贤军，李海波，韩冬.可控源音频大地电磁测深法在大倾斜煤层采空区勘查中的应用［J］.山东国土资源，2023，39（5）：5458.DU Xianjun， LI Haibo， HAN Dong. Application of Controllable Source Audio Magnetotelluric Sounding Method in the Exploration of Goaf in Highly Inclined Coal Strata［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（5）：5458.

0引言

煤矿采空区的塌陷、涌水是严重危害矿山安全的地质灾害因素，不明采空区给煤矿正常开采带来了极大的安全隐患，严重威胁煤矿设备和人员的安全［1］。随着采掘工程的延伸，已探明的缓倾斜煤层及倾斜煤层越来越少，许多地方开始开采大倾斜煤层，因此对于大深度大倾斜煤层采空区的勘查研究尤为重要［24］。目前，用于采空区勘查的方法主要有：高密度电法、瞬变电磁法（TEM）、可控源音频大地电磁测深法（CSAMT法）、地震勘探等。可控源音频大地电磁测深法具有分辨率高、探测深度范围大、抗干扰强、横向及纵向分辨相对高、对低阻反映敏感以及工作效率高等优点［59］。目前，广泛应用于地质勘查和工程勘探、金属矿产勘探和石油勘探、水文地质勘探等领域［515］，也成为了煤矿采空区勘探的一种常用方法。

目前，有限差分法（FDM）、积分方程法（IEM）和有限单元法（FEM）是用于三维电磁正演的主要的3种数值模拟方法［16］。有限单元法因为其模拟网格的多样性，可精确模拟地形起伏、不规则异常体形态而备受关注，国内外诸多学者采用非结构化网格开展了三维电磁有限元正演模拟，相关理论已比较成熟［1620］。首先研究大倾斜煤层采空区的可控源音频大地电磁测深法响应，采用汤文武等［15］发展的基于电场方程和非结构化四面体网格的矢量有限元算法进行正演模拟，该方法结合非结构化四面体网和散度校正技术，具有高精度、高计算效率、可精确模拟任意复杂模型等特点。然后，利用大倾斜煤层采空区的可控源音频大地电磁测深法正演模拟结果作为理论指导依据，分析了大倾斜煤层采空区的可控源音频大地电磁测深法响应特点，应用到2个具有大倾斜煤层采空区的案例中，探讨了可控源音频大地电磁测深法对大倾斜煤层及其采空区的勘探效果及其可行性。

大倾斜煤层模型如图1所示，场源设为沿着x方向的电偶源（置于原点），第一层为低阻覆盖层，电阻率为30Ω·m，厚度为100m。下层基岩层电阻率为200Ω·m，有陡倾斜三层煤层，煤层厚度均设为5m，煤层沿x方向（垂直yz平面向內）展布为1km。为了模拟采空区（充水）和未采空（煤层）时的可控源电磁响应特征，通过煤层区设置不同电阻率数值来改变模型：无采空区时；某一煤层采空；三层煤层采空。

1正演模型

采用基于电场方程和非结构化四面体网格的矢量有限元算法，正演各个测点的观测数据，模型非结构化四面体网格剖分如图2所示。将各个测点的观测数据综合形成了图3，3种情况下正演模拟获取的视电阻率拟断面图。断面图横轴为y，纵轴为以覆盖层电阻率通过换算得到的趋肤深度。分析图3（a）可知，在无采空区的断面中，视电阻率呈现层状无明显变化；当煤层采空且充水时，视电阻率值明显变小，与围岩存在较大的电性差异，从图3（b）可知，中间区域对应的低阻区域与采空区赋存位置吻合。当多层煤层同时开采形成采空区时，视电阻率等值线梯度变大。从视电阻率断面上，正常情况下煤层未采动情况下，地层的电性具有一定的规律，在视电阻率断面图（图3）视电阻率等值线呈层状分布。若存在煤层采空区时，视电阻率值会发生急剧变化，视电阻率等值线呈现“U”“V”字形或“串珠”形等梯度变化带。从理论上可通过可控源电磁方法可探测大深大倾斜煤层采空区。从图3可知采空区影响的视电阻率异常带沿着深度方向延伸且范围比实际要大。

2应用案例

我国大倾斜煤层主要分布在贵州、新疆、甘肃等地，这些地方大部分地形相对复杂，研究CSAMT法在大倾斜煤层采空区勘查中的应用有重要的意义。

2.1六盘水某煤矿

研究区地层老至新有二叠纪峨眉山玄武岩组、龙潭组、三叠纪飞仙关组及第四系。

研究区内发育大田坝向斜，大田坝向斜位于矿区内北东部，走向NW、倾向NE；该向斜NE翼地层倾向SSW，地表倾角30°～40°，但55～66号钻孔一线，沿T1f1与T1f2分界线出现一岩层变陡带，一般倾角60°～80°。向斜轴面倾向NE，倾角75°左右。

研究区煤层沉积系列清晰，地层相对稳定。在正常的地层组合条件下，横向与纵向的电性变化相对稳定。煤矿采动后，形成采空区，上部岩层结构容易受采动破坏，出现松动、开裂和崩塌现象，造成原始地层的也必然会受到破坏，这些地区的电阻率值发生变化，显示原有地层电性的差异。其地球物理特征如表1：

本次CSAMT法施工参数为：工作频率1～9 600Hz，共选择了44个避开50Hz工频及其倍频的频点，并且频率点分布均匀，每个频点采集时间为60 s，收发距r为8～9km，发射偶极距AB为1600m；高频最小发射电流为9 A，低频最大发射电流为18A；接收端偶极距为20m，点距20m。

在图4为该矿开展的采空区CSAMT法勘查断面图。该区地层整体倾角相对较大，在整个视电阻率断面图中，地层分层信息清晰，其电性分层与本区的实际地层倾向一致。但从上至下视电阻率断面呈现高—低—高的变化趋势，对应地层分别为三叠纪飞仙关组、龙潭组，二叠纪峨眉山玄武岩组地层的电性反映（粗黑线为地层界限）。根据地质资料和煤层视电阻率变化特征，该大倾斜煤层采空区位置的视电阻率明显低于正常煤层，结合大倾斜煤层采空正演模拟图3（b）和图3（c）结果分析，在桩号1440～1840m，标高1120～1480m，视电阻率等值线梯度变化较大且呈现相对低阻，推断该处煤层已采空并有积水；浅部及深部相对高阻层推断为正常煤层的反映，深部有玄武岩组地层与龙潭组地层呈现明显电性分层界面，清晰反映了探测区地层的倾向。该解释成果比矿方实际的采空区略大，主要为大倾斜煤层采掘引起附近围岩发生塌落、破碎，从而导致了其地球物理特征发生变化。另在飞仙关组存在一低阻闭合圈，推断为裂隙发育区。

后期在L21线桩号1630m附近，布置一钻孔，在深度10m以浅主要为第四系的黏土，10～360.5m主要为砂岩、泥岩、粉砂岩以及煤层，360.5～364m采空区，与断面解释基本一致。

2.2遵义某煤矿

研究区出露地层主要为：二叠纪茅口组、龙潭组、长兴组，三叠纪夜朗组，低洼及缓坡地带有第四系冲积、残积、坡积物分布。

研究区位于黔北煤田中部、金沙向斜北西翼南段，北部外围为长岗向斜南西翼，金沙向斜呈NE—SW向展布。总体呈一宽缓的单斜构造，地层走向为近NE向，倾向SE；地层倾角50°～67°，一般60°，勘查区内仅有小型褶曲及断层发育。其地球物理特征如表2：

研究区CSAMT法施工参数为：工作频率1～9 600Hz，共选择了44个避开50Hz工频及其倍频的频点，并且频率点分布均匀，每个频点采集时间为60 s，收发距r为6～8 km，发射偶极距AB为2 000 m；高频最小发射电流为6 A，低频最大发射电流为15 A；接收端偶极距为20 m，点距20 m。

从图5可以看出：视电阻率等值线总体倾向SE，由浅到深，视电阻率逐渐增大，分别为第四系、夜郎组、长兴组灰岩、龙潭组含煤地层、茅口组灰岩地层的电性反映。长兴组的岩性电性，视电阻率在30～1500 Ω·m；龙潭组煤系地层，视电阻率在3000～6000Ω·m。

在整个视电阻率断面图中，地层分层信息清晰，其电性分层与本区的实际地层倾向一致。在测线中部，标高1600～1800m，其上方视电阻率等值线呈梯度变化，水平方向等值线呈“U”字形异常且视电阻率值呈现相对低阻，推断为煤层采动的电性反映。由于视电阻率的体积效应，视电阻率异常区比煤层采动区要大，采空区在CSAMT法反映的视电阻率异常带沿着深度方向延伸范围比实际要大。

后期在该线桩号250m附近，布置一钻孔，深度580m。在深度40m以浅岩性主要第四系及夜郎组的黏土及泥岩、粉砂岩，深度40～220m主要长兴组的泥岩、灰岩，深度220～570m为龙潭组的粉砂岩、泥岩，其中深度440～443m揭露采空区，与断面解释基本一致。

通过以上2个案例：CSAMT法反映采空区明显，在煤层整体埋藏深度相对较大时，采空区位置，断面图中视电阻率曲线相对凌乱且视电阻率相对低阻，能够较好反映出采空区的电性特征。

3讨论

通过探测实践分析，CSAMT法探测大倾斜煤层采空区反映明显，经矿方钻探验证可靠。

（1）从理论正演模拟和实际勘查结果说明CSAMT法探测大采深大倾斜煤层采空区是可行的。

（2）在物性剖面方面，表现出的物探异常形态与煤层不能简单的直接对应，其综合了采动对地层的综合影响，可能异常范围大于煤层采空区实际范围，主要为大倾斜煤层采掘引附近围岩易受2个方向重力作用发生坍塌、破碎，从而导致了其原有的地球物理特征发生变化。

（3）采空区在CSAMT法反映的视电阻率异常带上沿着深度方向延伸范围比实际要大，成果分析应结合采掘资料，圈定采空区的实际边界。

（4）正常情况下，视电阻率等值线呈现层状分布；当深部存在采空区后，视电阻率等值线形态发生扭曲变形。

（5）对于大倾角煤层采空区探测，测点距离不宜过大，必要时应对局部边界进行加密探测，确保探测的精度。

4结论

（1）建立了切合实际的大倾斜煤层采空区模型，并采用了三维有限元法正演了其CSAMT响应特征。

（2）应用六盘水某煤矿和遵义某煤矿2个实例说明，CSAMT法探测大倾斜煤层采空区是可行的，可以在同类煤矿中推广应用。

参考文献：

［1］翟盛锐，张思敏，陈纬.基于三维激光扫描技术的采空区稳定性分析［J］.华北科技学院学报，2020，17（6）：5764.

［2］段建华，刘士君，许超，等.大倾角多煤层采空区的探测研究［J］.中国煤炭地质，2016，28（1）：7580.

［3］肖柏勋，徐佩，张钊，等.TEM探测急倾斜煤层采空区应用研究［J］.能源与环保，2017（2）：1824.

［4］张永超，程辉，张克聪，等.CSAMT探测大采深急斜煤层采空区研究［J］.地球物理学进展，2016，31（2）：877881.

［5］柳建新，郭振威，郭荣文，等.CSAMT和重力方法在狮子湖温泉深部地球物理勘查中的應用［J］.地球物理学进展，2009，24（5）：18681873.

［6］吴燕清，王世成，丁园，等.氡气及CSAMT联合探测在内蒙古五十家子盆地铀矿勘查中的应用研究［J］.物探与化探，2019，43（4）：726733.

［7］李帝铨，肖教育，张继峰，等.WFEM与CSAMT在新元煤矿富水区探测效果对比［J］.物探与化探，2021，45（5）：13591366.

［8］柳建新，麻昌英，孫丽影，等.可控源音频大地电磁测深法在地热勘探中的应用［J］.工程地球物理学报，2014，11（3）：319325.

［9］杜贤军.CSAMT法在费县地热勘查中的应用［J］.山东国土资源，2017，33（10）：7478.

［10］韦乖强.CSAMT对含煤地层岩浆岩侵入体探测的有效性分析［J］.煤炭技术，2017，36（4）：121123.

［11］白锦琳.可控源音频大地电磁法在采空区探测中的应用［J］.山东国土资源，2018，34（9）：8286.

［12］雷达，孟小红.复杂地形条件下的可控源音频大地电磁测深数据二维反演技术及应用效果［J］.物探与化探，2004，28（4）：323326.

［13］郭国强，郭朋，张超，等.可控源法在海阳市郭城地区鑫泰金矿床成矿规律中的应用［J］.山东国土资源，2014，30（6）：7780.

［14］黄力军，陆桂福，刘瑞德.可控源音频大地电磁测深法应用实例［J］.物探化探计算技术，2006，38（4）：337341.

［15］汤文武，邓居智，黄清华.非结构化网格与散度校正技术结合的三维CSEM矢量有限元正演［J］.石油地球物理勘探，2021，56（4）：891901.

［16］刘颖，李予国，韩波.可控源电磁场三维自适应矢量有限元正演模拟［J］.地球物理学报，2017，60（12）：48744886.

［17］刘寄仁，汤井田，任政勇，等.基于Lanczos-模型降阶算法的三维频率域可控源电磁快速正演［J］.地球物理学报，2022，65（6）：23262339.

［18］李海波.CSAMT法在地热资源勘探中的应用［J］.煤炭技术，2020，39（7）：5758.

［19］白新飞，张军，王涛，等.土壤氡气测量与CSAMT测量在铜冶店：孙祖断裂勘查中应用［J］.山东国土资源，2021，37（11）：6066.

［20］王宁，李正，田光彩，等.物探方法在检测采空区注浆充填效果中的应用：以山东章丘某建设场地为例［J］.山东国土资源，2022，38（12）：4247.

Application of Controllable Source Audio Magnetotelluric Sounding Method in the Exploration of Goaf in Highly Inclined Coal Strata

DU Xianjun， LI Haibo， HAN Dong

（No.5 Exploration Brigade of Shandong Coalfield Geology Bureau， Shandong Provincial Mine Disaster Prevention and Emergency Rescue Survey Center， Shandong Ji'nan 250100， China）

Abstract：The mined-out areas will not only bring great hidden dangers to normal mining of coal mines， but also seriously threaten the safety of coal mine equipment and its personnel. The exploration and interpretation of large inclined coal layers in mined-out areas is more complex than that in inclined and gently inclined coal layers. Through forward simulation， the feasibility of CSAMT method in detecting the mined-out aeras of large acute inclined coal layers has been verified. Combining with controllable source audio geodesymetry， exploration in a large inclined coal layers in coal mines in Liupanshui and Zunyi has been carried out. It will verify the feasibility and effectiveness of the method in the exploration of large inclination coal layers in mined-out areas theoretically and practically.

Key words：CSAMT；highly inclined coal strata；mined-out areal；forward modeling