可控源音频大地电磁法在采空区探测中的应用

白锦琳

(1．中国海洋大学，山东 青岛 266100；2．山东省煤田地质局物探测量队，山东 济南 250104)

采空区是人类活动过程中产生的潜在地质灾害，严重威胁矿山的生产安全、工程建设安全和人类的生命财产安全，已经成为制约矿山安全发展的一个重要问题。地下采空区具有空间分布特征规律性不明显、隐蔽性高、塌陷情况难以预判的特点，如何查明地下采空区的分布范围，为灾害评估和预测提供可靠资料，成为急需解决的问题。目前，主要采用瞬变电磁法和常规直流电法进行采空区探测，但是大部分采空区内都有村庄、公路和高压线路等人文活动的干扰，探测难以取得良好的效果。可控源音频大地电磁法使用可控制的人工场源，是通过改变频率来达到测深的目的，对在高干扰地区进行勘探具有一定的优势[1-2]。

1 方法原理

可控源音频大地电磁法又称CSAMT法。采用人工场源供电，可以通过改变发射频率来改变探测深度，达到频率测深的目的，其频率范围为0.25～8192Hz。由于CSAMT法所观测的频率范围、场强和方向由人工控制，其观测方式与MT法相同，所以称为可控源音频大地电磁法。

可控源音频大地电磁法具有使用可控制的人工场源，信号强度比天然场要大，且通过人工控制，精度较好，可在较强干扰区的城市及城郊开展工作。测量参数为电场与磁场之比，得出卡尼亚电阻率。由于是比值测量，可减少外来的随机干扰及地形的影响。基于电磁波的趋肤深度原理，利用改变频率进行不同深度的电测深，避免了重复放线，提高了工作效率，减轻了劳动强度。勘探深度大，一般可达1～2km，横向分辨率、垂向分辨率高。由于接收机在接收电场的同时还要接收磁场，因此高阻屏蔽作用小，高阻层穿透能力强。

2 采空区的形成

当地下固体矿产被开采后，形成的空间及其围岩失去稳定性而产生位移、开裂、破碎垮落，直到上覆岩层整体下沉、弯曲所引起的地表变形和破坏的地区或范围称为采空区，垂直方向上分为：

(1)垮落带：煤层采空上层出现坍落。

(2)裂隙带：垮落带上方岩体因弯曲变形过大，在采空区上方产生较大的拉应力，两侧受到较大的剪应力，因而岩体出现大量的裂隙，岩体整体性受到破坏。

(3)弯曲下沉带：断裂带以上直到地面，在自重应力作用下产生弯曲变形而不再破裂[3-6]。

图1 采空区形成示意图

3 地球物理特征及数值模拟

根据一般沉积岩地层岩石电性参数，沉积岩地层中各地层岩石电阻率沿地层方向差异较小，横向成层性好。当地层完整，没有采空区或地质构造时，地层电性呈现出规律均一的响应特征。

图2为5层沉积岩地层模拟视电阻率拟断面图，该地层分5层，第一层厚度为120m，电阻率为75Ω·m，第二层是煤层，厚度为3m，电阻率为300Ω·m，第三层厚度为50m，电阻率为90Ω·m，第四层是煤层，厚度为3m,电阻率为300Ω·m，第五层电阻率为170Ω·m，理论模拟图显示上地层的电性特征表现为规律均匀层状。

图2 完整地层数值模拟视电阻率拟断面图

当地下矿体被局部采出后，在岩体内形成一个有一定规模的空间，使周围的应力平稳状态遭受破坏，产生局部的应力集中，采空区顶板在上覆岩层压力的作用下，发生变形、断裂、位移、冒落，形成的冒落带、断裂带、变形弯曲带，其影响范围比原采空区要大，且直接影响其电性分布状，形成一个相对次高阻电性体，与围岩电性形成较明显的差异。当地下水和地表水沿裂缝向采空区渗漏并充填采空区，其电阻率将明显发生变化，形成一个低阻电性体，也与围岩电性形成较明显的差异。

图3为5层沉积岩地层采空区模拟视电阻率拟断面图，该地层模型分5层：第一层厚度为120m，电阻率为75Ω·m，第二层是煤层，厚度为3m，电阻率为300Ω·m，煤层存在充水采空区，厚度为3m，电阻率为10Ω·m，第三层厚度为50m，电阻率为90Ω·m，第四层是煤层，厚度为3m，电阻率为300Ω·m，第五层电阻率为170Ω·m。当地下水和地表水沿裂缝向采空区渗漏，采后在理论模拟视电阻率拟断面图上形成相对低阻异常区[7-9]。

图3 采空区数值模拟视电阻率拟断面图

通过数值模拟可以得出在采空区域进行可控源音频大地电磁法探测，可在处理得到的视电阻率拟断面图上依据上述异常的特点圈定采空区位置及范围，为采空区评价治理和塌陷范围影响评价等提供有力依据[10-20]。

4 应用情况

目前，山东省内采空区面积较大的矿山为煤矿和石膏矿，而且山东为人口大省，大多数采空区位于人文活动密集区域，不利于瞬变电磁法和常规直流电法的施工和采集，研究可控源音频大地电磁法探测这两种矿床的采空区具有重要意义。

4.1 煤矿采空区探测效果分析

工作区位于济宁市区北部，距市中心8km。济阳公路纵贯南北，327国道、乡村公路纵横交织，区内村庄密集，输电线路较多，人文活动密集，电磁干扰较为严重。

工作区内地层区划属华北地层区鲁西地层分区济宁地层小区。地层包括中、下奥陶统，石炭二叠系本溪组、太原组、山西组、石盒子组、侏罗系三台组及第四系。当地层完整，没有采空区或地质构造时，地层电性呈现出规律均一的响应特征。

图4为工作区内正常地层视电阻率曲线。该区第四系平均厚度在75m，其下部分别为侏罗系中统三台组、二叠系上统石盒子组、下统山西组、石炭系上统太原组及中统本溪组和奥陶系中统马家沟组，视电阻率呈低—中—高的趋势，奥陶系地层以灰岩为主，其电性为高阻反映。L1线为正常地段视电阻率拟断面图，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，L2线—L3线视电阻率拟断面图反应采空区附近视电阻率拟断面图上视电阻率明显低于正常地层，且形成闭合的低阻异常区。采空区反映特征明显，后经矿方验证，探测情况与实际情况吻合程度高(图4)。

图4 何岗煤矿采空区CSAMT法反演视电阻率拟断面图

4.2 石膏矿采空区探测效果分析

石膏矿位于平邑县东南，区内人口稠密，劳动力及电力充足，全省联网的输电线路已遍布所有村庄，电磁干扰较为严重。

区内地层由浅到深为第四纪、古近纪地层。古近纪地层为官庄群卞桥组，由浅到深分为卞桥组三段、卞桥组二段、卞桥组一段。第四纪地层由黄褐、灰黄色粘土及砂质粘土组成，该地层岩石电阻率较低。卞桥组三段由变质岩、灰岩组成，具有较高的电阻率。卞桥组二段由泥灰岩、灰岩、膏上灰岩带、石膏矿化带、膏下灰岩带等组成，该段地层电阻率高。卞桥组一段为浅紫红色砾岩与砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩互层渐变为浅紫红色含砾砂岩夹粉砂岩，灰绿色泥岩及泥灰岩组成，该段地层电阻率较低。总体该次工作区内地层视电阻率由浅到深表现为低阻—高阻—低阻的层状特征。

从图5可以看出，根据其电性特征，垂向上大致可划分为3个大层：

(1)第一层：0～-50m，地层电性较为稳定，电阻率较低，厚度较小。该层在电阻率拟断面图上主要表现为层状电阻率等值线特征，横向上分布较均一。根据区内地质特征分析，推断该层为第四系的反映。

(2)第二层：-50m～-300m，电阻率较高，电阻率等值线密集，表现为层状电阻率等值线，倾角等与实际地层较为吻合。根据其电性特征并结合已知资料分析，推断该层位为下伏卞桥组三段与卞桥组二段地层反应。

(3)第三层：-300m以深，视电阻率相对较低，横向变化较小，显示为层状分布，其电阻率整体较上覆地层低。据其电性特征分析，推断为卞桥组一段地层。但是视电阻率拟断面图在横向上视电阻率值成层性变差，存在低阻或相对低阻异常。L20线和L30线椭圆圈位置处存在U型或者倒U型相对低阻和低阻异常，分析认为是石膏矿局部采空区域。L40线和L50线椭圆标注位置为相对低阻异常，且范围较大，分析认为是石膏矿采空区域且该地段采空时间较长，地层结构发生较大改变。后经过矿方验证，所划定的采空区位置与矿方实际采空范围吻合程度高，探测效果好，客观反映了石膏矿地下采空情况。

图5 视电阻率拟断面图

通过以上两种矿床采空区视电阻率拟断面图的分析，正常完整地层可控源视电阻率断面图地层反应清晰，为均匀层状分布。煤矿采空区埋深相对较深，多数采空区积水，在视电阻率断面图上为圈闭低阻异常，大面积采空地段在视电阻率拟断面图上整体为相对低阻且成层性差。石膏矿采空区埋深相对较浅，且石膏矿地层为电阻率高的地层，采空区在视电阻率断面图上为U型或者圈闭相对低阻异常。

5 结论

(1)经过对煤矿和石膏矿区探测的分析，在测线断面图上圈定采空范围，按照各测线视电阻率拟断面图解释采空范围将其投影到平面图，可以得到矿区采空范围分布情况，经过检验与实际采空区范围吻合程度高，说明可控源音频大地电磁法在采空区探测工作中采空区反应清晰，探测效果较好。

(2)在人文环境较为复杂的勘探区进行工作，CSAMT法较其他电磁法抗干扰能力相对较强，施工方便，表现出较为良好的探测能力。