WFEM与CSAMT在新元煤矿富水区探测效果对比

李帝铨,肖教育,张继峰,胡艳芳,刘最亮,张新

(1.中南大学 有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室，湖南 长沙 410083; 2.有色资源与地质灾害探测湖南省重点实验室，湖南 长沙 410083; 3.中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410083; 4.长安大学 地球科学与资源学院，陕西 西安 710000; 5.阳泉煤业(集团)有限责任公司 地质测量部，山西 阳泉 045000)

0 引言

煤矿开采时，煤矿隐蔽致灾地质因素是影响煤炭安全开采的首要问题，这些地质因素包括地质构造、矿井水、煤层瓦斯、顶底板条件等，煤层中富水区是煤矿开采中重大隐蔽地质隐患之一。地球物理探测是查明这些地质因素的重要手段，常用的电磁勘探方法有可控源音频大地电磁法(CSAMT)、瞬变电磁法、巷道无线电波透视等。广域电磁法是相对于传统的CSAMT法和MELOS方法提出来的，使用人工场源发射电流，采用单分量或多分量测量和适合于全域的公式来计算广域视电阻率，供电频率的带宽选择较大，适合大深度勘探[1-4]，在油气勘探、固体矿产勘探、地热勘探[5-10]等领域应用较为广泛。广域电磁法有可能在煤炭水害富水区探测领域做出贡献，但是之前还没有具体实施应用。为了比较广域电磁法和可控源音频大地电磁法的探测效果，证实广域电磁法在煤田中探查水的可行性，在山西沁水煤田新元煤矿进行了对比实验。这是广域电磁法在煤矿系统富水探测中的首次应用。

本次广域电磁法采取了多维多分量的方式，即采用旁侧装置和轴向装置分别测量电场的Ex、Ey分量，从而获得同一测点4个不同的电场分量，每个电场分量均求出相应的广域视电阻率。理论分析与试验数据表明，在野外采用旁侧装置测量电场Ex分量，测线敷设和收拢方便，移动灵活，信号强度大，更适用于实际勘探[11]。本文主要对广域电磁法的旁侧装置Ex、轴向装置Ex的频率视电阻率拟断面图和CSAMT的频率视电阻率拟断面进行对比；同时对信号强度较大、分辨效果好的旁侧Ex装置的反演结果与CSAMT的反演结果进行对比，从而说明广域电磁法在煤炭领域富水区探测的可行性。

1 基本原理

广域电磁法是一种采用2n序列伪随机信号作为激励信号的人工源频率域电磁法，该方法采用水平电流源或者垂直磁偶源作为场源，通过测量电磁场的某个分量以获得广域视电阻率。

根据均匀大地表面水平电流源产生的电场Ex的精确表达式如下：

(1)

由式(1)得到广域视电阻率表达式：

(2)

式中：I为发送电流；dL为场源尺寸；r为收发距；φ为方位角；k为波数；σ为介质电导率；ΔVMN为观测电位差，MN为电极距；KE-Ex是一个只与观测装置的几何尺寸有关的系数；FE-Ex(ikr)是由发送电流频率ω、地下电阻率ρ以及收发距r构成的复函数。采用式(2)定义的广域视电阻率可不受观察点到场源距离的限制，因此，利用计算机迭代方法求解的视电阻率最佳值适用于广大区域[10,12]。

可控源音频大地电磁法是利用人工源激发地下岩石产生的电导率差异观测一次场电位和磁场强度变化的一种电磁勘探方法，其频率范围一般为0.25～8 192 Hz。主要针对大地电磁测深法场源的随机性和信号微弱，以致观测十分困难的状况提出的一种改进方案[12-13]。

CSAMT法采用水平电偶极子或垂直磁偶极子作为场源，在远区测量一对相互正交的电场和磁场分量，沿用MT法采用波阻抗提取视电阻率的公式：

(3)

式中：ρa为视电阻率，ω为电磁波的频率，μ为介质的磁导率。

CSAMT和WFEM在野外施工场源布置和测线布置方面有所差异，相同的目标体探测深度下，WFEM所需的收发距较小。CSAMT测量相互正交的电场和磁场，WFEM只需测量单一的电场或磁场即可进行广域视电阻率的换算以及反演。CSAMT和WFEM在数据处理方面由于各方法视电阻率的定义不同，处理方法也有所差异。

2 研究区地质与地球物理概况

新元井田31004工作面属华北石炭—二叠系煤田，井田基本形态为一单斜，井田位于沁水煤田的西北部，阳煤集团寿阳区中南部。新元井田范围内自上而下的含水层组主要包括：第四系砂砾石层孔隙含水层组，二叠系石盒子组、石千峰组、三叠系刘家沟组砂岩裂隙含水层组，二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层组，石炭系上统太原组石灰岩溶及砂岩裂隙含水层和中奥陶统峰峰组与上马家沟组石灰岩岩溶水含水层组(图1)。

研究区主要地层从上到下依次有第四系(Q)、二叠系上石盒子组(P2s)、二叠系下石盒子组(P1x)、二叠系山西组(P1s)、石炭系太原组(C2t)、石炭系本溪组(C2b)、奥陶系峰峰组(O2f)、奥陶系上马家沟组(O2s)、奥陶系下马家沟组(O2x)。根据已有的测井电阻率信息统计分析，测区地层电阻率总体呈现高阻—低阻—高阻—低阻—高阻的趋势(表1)。研究区主要可采煤层为3号煤、9号煤、15号煤。富水区的目的层位于山西组和太原组中,均表现为低阻特征。

表1 地层及围岩物性参数统计

3 数据采集

此次在新元31004工作面所属地面共布置2条广域电磁法测线——280线、285线，其中280线为广域电磁法和可控源音频大地电磁法在相同地质条件下的共同测线。280线总长3 km，点距20 m，共150个测点(图2)。

图2 测线布置示意Fig.2 Survey line layout

广域电磁法野外采集使用中南大学自主研发的广域电磁发射机和广域电磁接收仪，采用旁侧装置(E-Ex、E-Ey)和轴向装置(E-Ex、E-Ey)，发射电流为120 A、发射频率为0.75～8 192 Hz，共28个频点。此次采用的旁侧装置和轴向装置(图3)与传统的广域电磁法区别在于利用2个相互正交的源进行供电，例如：当采用轴向装置进行观测时，分别沿着平行于源的方向采集Ex分量，沿着垂直于源的方向采集Ey分量；旁侧装置亦是如此。CSAMT野外工作采用美国ZONG公司研发的GDP32- II电法工作站，信号发射和接收采用与之配套的装置，发射电流20 A，测量频率0.125～8 192 Hz，共30个频点。广域电磁法和可控源音频大地电磁法收发距同为8.99 km，场源位置相同，供电电极距1.0 km。

图3 广域电磁法观测装置示意Fig.3 Schematic diagram of WFEM's observation device

4 资料处理解释与对比

采用中南大学自主设计的广域电磁法数据处理和反演一体化解释平台，经过对数据进行预处理、“飞点”剔除、静态校正、数据滤波、定性分析、参数点分析以及曲线类型分析，再建立模型作数据反演，最后依据其他物探成果进行综合推断解释。可控源音频大地电磁法采用Mtsoft2D软件进行处理，包括近场校正、去除“飞点”、静态校正以及反演电阻率断面成图，最后进行结果解释。

依据勘探区地球物理特征，将上石盒子组(P2s)电性特征为高阻，下石盒子组电性特征为低阻(P1x)，以及山西组(P1s)、太原组(C2t)整体电性特征呈现高阻，本溪组(C2b)的电性特征为低阻，作为反演电阻率断面图的地质解释原则。

4.1 原始数据对比

图4、图5分别为新元矿31004工作面280线广域电磁法和可控源音频大地电磁法所测得山顶处4个号位的视电阻率曲线。可以看出：CSAMT法卡尼亚视电阻率曲线由于受到场源效应的影响在低频段进入过渡区和近区，导致CSAMT法卡尼亚视电阻率曲线在低频段出现明显的上翘趋势，在10～60 Hz处会出现一个电阻率极小值，此时处于过渡区，随后CSAMT法卡尼亚视电阻率曲线由极小值呈45°上升的趋势。CSAMT法卡尼亚视电阻率在235号点和237号点高频处出现“飞点” 而广域电磁法整体的电阻率曲线较为平滑，整体呈现高阻—低阻—高阻—低阻—高阻的趋势，这与实际的地质资料较为吻合。

图4 235、237号点CSAMT和WFEM视电阻曲线对比Fig.4 Comparison of apparent resistance curve between CSAMT and WFEM at point 235 and 237

图5 381、383号点CSAMT和WFEM视电阻率曲线对比Fig.5 Comparison of apparent resistance curve between CSAMT and WFEM at point 381 and 383

图6为新元矿31004工作面280线广域电磁法和CSAMT的视电阻率拟断面对比。可以看出广域电磁法的旁侧装置Ex(图6a)和轴向装置Ex(图6b)的原始数据频率视电阻率拟断面图在低频段依然有响应，说明受到场源效应的影响很小，不受过渡区和近区的影响;而CSAMT法卡尼亚视电阻率曲线(图6c)由于受到场源效应的影响，在低频段进入过渡区和近区导致CSAMT法卡尼亚视电阻率曲线在低频段出现明显的上翘趋势，所以导致在低频段无法对地层进行划分。同时，可以认为广域电磁法旁侧装置Ex和轴向装置Ex对富水体分辨范围更大；综合比较图6a和图6b，可以认为旁侧装置Ex对富水体的分层能力优于轴向装置Ex。

图6 280线WFEM和CSAMT视电阻率拟断面对比Fig.6 Comparison of apparent resistivity of original data of WFEM and CSAMT

4.2 反演结果验证

最新淋水点靠近辅助进风巷，285线与之较为接近。最新的31004工作面淋水点最大出水量达到25 m3/h,约靠近辅助进风巷60 m，与285测线距离为1 620 m。在285线电阻率反演断面(图7)中进行了标注，这与实际的淋水点较为吻合，证明了电阻率反演断面的准确性；淋水点处电阻率约为35 Ω·m，这与我们统计的围岩电阻率和出水点电阻率(ρs≤35 Ω·m)也是吻合的，推断水来自3号煤层上部K8含水层。

图7 285线反演结果与最大淋水点验证Fig.7 285 line inversion results and water outlet verification

4.3 反演结果对比

在对CSAMT数据反演之前需要对原始数据进行整理，剔除个别畸变点，通过可视化MT-Pioneer5.1数据处理软件进行下一步操作，不进行人为数据的平滑，对因干扰产生的“飞点”直接剔除以提高反演的准确性。选择二维非线性共轭梯度法进行反演，模型光滑度设置为80，约束视电阻率的误差为9%。

广域电磁法资料处理解释以岩石物性为基础，通过对原始数据飞点剔除、静态校正等预处理并结合原始数据“频率—视电阻率”曲线完成定性分析，然后建立合理的地质模型，进行一维连续介质反演，并在一维反演的基础上进行二维反演，结合电阻率测井资料解释，提高广域电磁法解释成果的可靠性和解释精度。利用一维反演的结果可进行断层划分，利用二维连续介质反演结果可进行地层划分[10]，最后综合一维连续介质和二维连续介质反演结果，对富水区进行精确的识别。

图8为WFEM和CSAMT的反演结果对比。通过对围岩电阻率和巷道出水点的电阻率分析，可将ρ≤35 Ω·m划为低阻异常区。从反演电阻率断面看，K10含水层在WFEM反演断面图中距离0～500 m、1 300～3 200 m富水性较强，且该富水区连续性较强。从WFEM反演电阻率断面看，K8含水层在WFEM反演断面图中距离0～1 200 m、1 300～1 700m、2 000～2 100 m处富水性较强。

图8 280线WFEM(a)和CSAMT(b)的反演结果对比Fig.8 Comparison of inversion results of WFEM (a) and CSAMT (b) of line 280

通过对WFEM的反演断面图和CSAMT的反演断面图对比分析可看出：WFEM反演结果呈现低阻—高阻—低阻—高阻—低阻—高阻的关系，对第四系和上石盒子组、下石盒子组、山西组、太原组—奥陶系有很好的分辨能力，而CSAMT的反演结果呈现低阻—高阻—低阻—高阻的关系；WFEM反演结果对K10含水层和K8含水层的分辨较为清晰，而CSAMT的反演结果对K10含水层和K8含水层的分辨较为模糊，分辨不清。

5 结论

1)广域电磁法是基于全区视电阻率来定义的，对视电阻率的求解公式没有近似取舍，因此测量范围大、测量精度高。可控源音频大地电磁法受到场源效应和近区、过渡区的影响导致卡尼亚视电阻率曲线在低频段产生45°上扬的趋势。

2)广域电磁法采用2n伪随机信号多频波发射，相对于可控源音频大地电磁法的单频波发射，其深部的分辨率较高。同时只需观测单一电场Ex分量即可求得广域视电阻率。

3)广域电磁法首次在煤矿中进行富水区探查应用，经过此次对比可发现广域电磁法在煤矿中对富水体的探查高效、准确度高。也证实了广域电磁法在煤炭领域富水区探测具有推广应用的巨大潜力，可为煤炭领域富水区探测提供新技术。