可控源音频大地电磁法在采空区勘探中的应用

李江华 刘超林，2 柳 杰 张小波

（1.中国矿业大学 （北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083；2.保利能源控股有限公司高家庄煤矿，山西省中阳县，033400）

可控源音频大地电磁法在采空区勘探中的应用

李江华1刘超林1，2柳 杰1张小波1

（1.中国矿业大学 （北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083；2.保利能源控股有限公司高家庄煤矿，山西省中阳县，033400）

通过采用可控源音频大地电磁法对国兴煤矿4-1号煤层进行采空区勘探，介绍了可控源音频大地电磁法的工作原理及其野外数据收集过程，并结合地质条件综合分析了采空区及积水区范围，说明了可控源音频大地电磁法在采空区勘探中的有效性，进而为评价老空水对工作面的开采影响以及制定出合理的探放水方案和探放水技术措施提供可靠依据。

可控源音频大地电磁法 视电阻率 采空区勘探 积水异常区

1 地质概况

国兴煤矿位于朔州市平鲁区下面高乡境内，由山西朔州兴泰源煤业有限公司、山西万成煤业有限公司和山西朔州三家窑煤业有限公司兼并重组而成，重组后矿井设计生产能力为1.2 Mt／a。

1.1 地层分布特征

国兴煤矿井田范围内在沟谷中有少量基岩出露，其余均为黄土覆盖，根据井田范围内地层及钻孔揭露情况并结合精查资料，井田地层由老到新为：奥陶系中统上马家沟组 （O2s）、石炭系中统本溪组 （C2b）、石炭系上统太原组 （C3t）、二叠系下统山西组 （P1s）、二叠系下统下石盒子组 （P1x）、第四系中上更新统 （Q2＋3）。

井田内4-1煤层已有大面积采空区，4-1煤层上覆砂岩裂隙含水层通过砂岩裂隙、采空裂隙、导水裂隙进入采空区，形成采空区积水。在开采9＃煤层前必须对4-1煤层采空区积水面积及水量进行落实，并进行探放。为查明国兴煤矿的4-1煤层老空区分布范围及采空区的赋水状况，利用可控源音频大地电磁法对采空区进行地面勘探。

1.2 地层电性特征

地球物理勘探方法是以各岩层的物性差异为勘查对象及解释依据，所以勘查的目的层与围岩的物性、电性差异的大小及明显与否直接影响物探成果的精度，决定物探方法的可行性。

煤层采出后，采空区周围原岩应力受到破坏，引起应力重新分布，使得上覆岩层发生变形、破坏和移动，由下向上形成 “三带”，即垮落带、裂缝带和弯曲带，使残留巷道或采空区产生大量孔洞、裂缝及离层，从而导致覆岩电阻率值发生明显的变化。

在覆岩破坏区，当残留巷道或覆岩破坏冒落带和裂缝带中未充水或少量充水，采空区将表现为高电阻率异常特征，一般要比正常岩层的电阻率高3～5倍，可达几百甚至上千欧姆·米；而当采空区完全充水后，水体不仅充填了老采空区，而且也充填了冒落带和裂缝带，因而在岩体破坏区电阻率有明显降低，呈现低电阻率异常特征。

在断层发育区，断层破碎带与正常连续地层在电性上具有明显差异，当断层破碎带不含水时，将呈现出高电阻率特征，而当断层破碎带含水时，将呈现出低电阻率特征。

据此，通过探测地下岩层的电阻率及其变化，可以判定岩层的结构状态和含水状况，这也是本次采用可控源音频大地电磁法探测采空区的物理前提和依据。

2 可控源音频大地电磁法基本原理

可控源音频大地电磁法 （CSAMT）是一种人工源频率域电磁法，CSAMT工作示意图见图1，其原理与常规大地电磁测深 （MT）类似，是针对天然电磁场信号弱的特点，采用可控制人工发射源方式，利用发射电偶极A、B （一般1～2 km）向地下发送不同频率的交变电流，形成交变电磁场，在距离场源足够远的地方通过测量相互垂直的电场信号Ex和磁场信号Hy，根据Cagniard公式求得地下介质的视电阻率和阻抗相位：

式中：f——发射频率，Hz；

ρs——视电阻率，Ω·m；

Ex——X方向的电场强度，V／m；

Hy——Y方向的磁场强度，A／m；

φ——阻抗相位，rad；

φE——电场信号相位，rad；

φH——磁场信号相位，rad。

由于CSAMT采用主动源的地球物理方法，其具有很多优点，因而在采空区调查等地球物理勘探方面得到了广泛应用。

CSAMT法探测的深度D与频率f、卡尼亚电阻率ρ之间有以下关系：

式 （2）说明，当大地电阻率结构一定时，通过改变接收与发送电磁信号的频率，可得到不同深度的地电信息，从而达到电阻率垂向测深的目的。

CSAMT工作频率一般在0.25～8192 Hz范围内，探测深度可自地表到地下几公里，测量电极距决定了横向分辨率，通常电极距约为最小探测目标体的一半。

图1 CSAMT法工作示意图

3 野外数据采集、处理及解释

3.1 野外工作布置

施工采取标量CSAMT方式。标量CSAMT测量为布置一个供电场源，在距其5倍勘探深度以外测点上同时测量互相垂直的水平磁场分量和电场分量，并以式 （1）、（2）计算卡尼亚视电阻率及阻抗相位。标量CSAMT法用于一维或已知构造主轴方向的二维地区，一般采用垂直构造走向观测。

3.2 使用参数设置

（1）发射极距的选择：发射极距 （A、B极距）选择为1.0 km，保证测线方向基本平行A、B极连线方向，测线方向与A、B极方向偏差角度小于3°，测线处于A、B极连线的垂线张角60°的扇形区域内。

（2）收发距的选择：供电电极A、B主要是向地下供入某一频率f的谐变电流，在一侧60°张角的扇形区域内观测。收发距选择大于5倍的探测深度。在了解该区电阻率和干扰源的情况下，选择收发距最小4.5 km、最大7.0 km来布设发射源。该距离通过试验分析，没有发现观测曲线有近场效应且电场信号强度达到几十微伏，信号强度满足观测要求。

（3）本次野外施工供电偶极距1.0 km，最小收发距均大于4.5 km，接收MN极距40 m，测量点距为40 m，满足 《可控源声频大地电磁法勘探技术规程》要求。A、B两极各由两个电极坑组成，各坑长约3 m，宽约0.5 m，下面铺设铝箔纸，野外数据采集过程中A、B极接地视电阻始终控制在30～40Ω。本次物探野外发射最高电流14 A，发射频率范围30～9600 Hz，布设22个频点。每站测量循环为26 min，接收系统通过GPS与发射系统保持同步。

3.3 数据处理

对采集原始合格资料进行资料预处理，包括曲线的圆滑、校正 （静校正、地形校正、场源校正）以及突出某些有用信息等处理。视电阻率与相位资料编辑时以排列为单位，根据同一排列中视电阻率曲线形态变化的连续性和相似性的特点进行编辑，保证了资料的编辑质量。

本次CSAMT法资料处理采用美国ZONGE公司的二维圆滑模型SCS2D软件进行一维反演，最终绘制出反演电阻率断面图。

3.4 代表性探测剖面解释

采用可控源音频大地电磁法物探手段对国兴煤矿4-1煤层进行采空区勘探，共布置测线近18条，测点638个。通过探测数据处理后，可在每条测线上得到一份可控源音频大地电磁视电阻率等值线拟断面图。根据二维反演电阻率断面所呈现的地质电性异常特征解释，各测线清楚地反映了4-1煤层电阻率分布特征。当采空区岩体裂隙发育并且充水时表现为低阻异常，但岩体裂隙发育而没有充水时则表现为高阻异常。

（1）C9测线：该测线4-1煤底板深度在150～200 m左右，CSAMT法反演的卡尼亚C9线可控源音频大地电磁视电阻率等值线拟断面图见图2，从图2可看出，在测线1650～1980 m范围内，深度约160 m左右，有一低阻异常反映，推断4-1煤采出后，采空区顶板破坏垮落，部分区域含水，部分区域不含水，含水区域低阻特征明显。

（2）C10测线：该测线4-1煤底板平均深度在80～180 m左右，其中南部深，北部浅。CSAMT法反演的C10线可控源音频大地电磁视电阻率拟断面图见图3，从图3可看出，在测线的1060～1180 m范围，深度约180 m左右，有一处低阻异常反映，推断该区域为4-1煤采空后充水引起的低电阻异常反映。在测线的1250～1480 m范围，深度约80 m左右，有一处高阻异常反映，推断该区域为4-1煤采空后，引起上覆岩层破坏冒落充填采空区，有较大的裂隙，但未充水，因此高阻异常明显。

由上可知，通过采用可控源音频大地电磁法对国兴煤矿4-1煤层进行采空区勘探后，将得出的视电阻率等值线拟断面图 （图2、图3）所圈定的采空区及积水区范围刻画在采掘工程平面图上，见图4，可得出采空区及积水区的范围。通过比较所圈定的采空区及积水区范围与原采掘工程平面图中已采工作面所布置的范围，可看出可控源音频大地电磁法在国兴煤矿4-1煤层采空区勘探中的应用可靠、有效。

4 探测成果

（1）通过采用可控源音频大地电磁法（CSAMT）对国兴煤矿4-1煤层进行采空区勘探后，根据采空区地质电性异常特征并结合地质资料进行综合分析，刻画出了4-1煤层采空区在平面上的大体形态。经过与采掘平面图对比分析后，表明可控源音频大地电磁法在国兴煤矿4-1煤层采空区勘探中的应用可靠、有效。

（2）通过综合分析各测线的多测道曲线及视电阻率拟断面图并由采空区所表现的强高电阻率异常特征，得出国兴煤矿4-1煤层采空区未充水范围；根据含水异常区在电阻率拟断面图上表现为电阻率低的特点，即低阻异常区，最终圈定了采空区积水分布范围。

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［7］张国鸿，李仁和，张良敏.可控源音频大地电磁法若干方法技术问题的探讨 ［J］.安徽地质，2009（2）

［8］吕英.可控源音频大地电磁法在水源勘测中的应用［J］.地下水，2011（6）

Application of CSAMT in exploration of goaf

Li Jianghua1，Liu Chaolin1，2，Liu Jie1，Zhang Xiaobo1
（1.Faculty of Resources and Safety Engineering，China University of Mining＆Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China；2.Gaojiazhuang Coal Mine，Poly Energies Holding Co.，Ltd.，Zhongyang，Shanxi 033400，China）

By using the CSAMT to explore the goaf in 4-1coal seam of Guoxing Mine，the paper introduces the working principle and process of field data collection of the CSAMT，and makes a comprehensive analysis on the goaf and accumulated-water area combining with the geological conditions，and elaborates the effectiveness of the CSAMT in goaf exploration，which thereby will provide reliable basis for evaluating the impact of the goaf water on the mining face and making the reasonable scheme and technology on the water detection and drainage.

CSAMT，apparent resistivity，goaf exploration，accumulated-water anomaly area

P631

A

李江华 （1987-），男，山西闻喜人，硕士研究生，主要从事近水体采煤方向研究。

（责任编辑 张毅玲）