综合物探对多煤层采空区综合勘查对比研究

杜贤军 牛浩 李明阳 韩冬

摘要：为了探明多煤层采空区分布，利用地震波频率谐振勘探法及可控源音频大地电磁测深法进行综合勘查。本文阐述了地震波频率谐振勘探法及可控源音频大地电磁法的方法原理以及采空区的地球物理特征，结合实际案例，从波阻抗断面图及视电阻率断面图，分析了采空区的异常特征并圈定采空区范围，后经钻探验证，推断结果与实际情况基本吻合，并对两种勘探方法的优缺点进行了分析。本次研究将地震波频率谐振勘探技术应用于多煤层采空区的探测取得了良好的效果，对多煤层采空区的探测有很重要的借鉴和指导意义。

关键词：采空区；波阻抗；视电阻率；地震波频率谐振勘探;可控源音频大地电磁法

中图分类号：P631    文献标识码：A    doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2024.02.005

引文格式：杜贤军，牛浩，李明阳，等.综合物探对多煤层采空区综合勘查对比研究［J］.山东国土资源，2024，40（2）：2732. DU Xianjun， NIU Hao， LI Mingyang， et al. Comprehensive Geophysical Exploration and Comparative Study of Multi-coal Strata Goaf Area［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（2）：2732.

0 引言

隨着我国工业进程的不断推进，对于能源的需求量不断加大。煤炭是我国今后一段时间的主要能源，但我国煤炭出产地煤层大多以多层结构赋存。我国很多煤矿由于历史原因建矿初期采煤方法不正规，为了出煤快，早见效益，首先开采的是主要大巷附近的煤层，而且没有遵循正规采煤顺序，形成多层采空区，为煤矿后期生产带来不少安全隐患。随着时代的发展，煤矿对安全生产意识的重视，查明历史采空区的范围及富水性尤为重要。对于多层采空区勘查是当今物探勘查研究的热点，常规电法及电磁法横、纵分辨低且易受地表干扰，不易对多层采空区进行解译。而地震波频率谐振能够同时对多层采空区具有良好的分辨能力。本次采用地震波频率谐振勘探技术（SFRT技术）和可控源音频大地电磁法（CSAMT）进行勘探，分析研究勘查区内采空区的地球物理特征，进而查明其空间分布情况，分析两种方法在多层采空区勘查的优缺点，为多层采空区勘查提供一种方案。

1 方法原理

1.1 SFRT勘探原理

地震波频率谐振勘探技术（SFRT技术）［112］是近几年来在传统地震勘探基础上发展起来的一种新的地球物理勘探方法，可以进行无源方式施工，具有勘探深度大，分辨率高、施工相对方便的特点。其基本原理是根据地下不同地层及地质体具有各自不同的频率谐振的特性进行勘探，通过提取地层的波阻抗参数（波速和密度），来分辨目标地质体的勘探方法。地下地层及地质体均具有其固有的频率，其频率特性由其形状、组分以及属性（波速和密度）不同而不同，自然界赋予了不同物体固有频率。物体会对不同的振动，做出不同的对应的反应，当物体的自身固有频率与其受到的振动频率相一致时，物体将发生类似于共振现象，放大振动的幅度，此时，可以说物体产生了共振（谐振），这些响应中包含了地下介质的信息。通过分析这些响应中的特征频率、幅度和相位等参数，可以建立地下模型，进而推测其物性参数、岩层分布、储层性质等地质信息。地震波频率谐振勘探技术主要用于矿产勘查、地质灾害勘查、油气资源勘查、井压裂勘查以及采空区勘查中，成为地质勘查中一种主要方法。

1.2 CSAMT法原理

CSAMT法是在AMT法及MT法基础上改进的一种人工控制场源的电磁测深法。该方法通过改变发射端的频率来达到探测不同深度的目的。该方法具有生产效率高，抗干扰能力强，勘探深度可达到2km，水平方向分辨率高且不受高阻层屏蔽等优点。近年来，广泛用于地热勘查及采空区勘查中［1320］。

2 勘查区地质及地球物理特征

2.1 地质概况

勘查区位于构造侵蚀堆积地形的Ⅱ级超河漫滩阶地之上，地势较为平坦，地面标高485～491m。区内以往地质勘查成果钻孔揭露，区内地层由老至新主要有中生界下白垩统九佛堂组、阜新组及新生界第四系。九佛堂组主要岩性：底部为一层厚层安山质砾岩夹砂岩、页岩，下部为薄层凝灰质粉砂岩、纸片状页岩、凝灰质页岩，中、上部为砂岩、粉砂岩与页岩、粉砂质页岩、泥岩不等厚互层；阜新组（为区内主要含煤地层）主要岩性为煤层及细砂岩；第四系主要岩性为砾石层及粘土，厚0～80 m（图1）。

勘查区含有6个煤组11个可采煤层，即42、4、52、5、62、61A、61、6、60、71及7煤层本次主要针对4、52、5、62煤层进行勘查。

勘查区煤矿初期由于采煤方法不正规，采用的是房柱式采煤方式，开采的是主要大巷附近的煤层，而且没有遵循由上而下的正规采煤顺序，主要开采4煤、52煤和5煤煤炭资源。

勘查区地层呈单斜构造，地层走向SN、倾向E、倾角8°～18°，一般为12°，地层平缓。勘查区外部有3条断层，勘查区内断裂及褶曲构造不发育。

2.2 地球物理特征

2.2.1 波阻抗特征

黏土的波阻抗一般小于1 000 kg/（m2·s）；玄武岩、砾石层的波阻抗一般在1 800～4 000 kg/（m2·s）；砂岩、泥岩、粉砂岩的波阻抗一般在1800～4 000 kg/（m2·s）之间；煤层、煤层采空区的波阻抗范围为500～2000kg/（m2·s），与围岩存在明显的波阻抗差异。

煤层采空区在地震上的地球物理特征主要取决于采空区与围岩之间存在波阻抗差异。当采空区形成后，顶板的岩层出现跨落、破碎并伴随裂隙产生，且采空冒落区域通常充填碎石、空气和水，造成与周围的岩层密度和速度发生变化，与原有岩层的密度和速度存在明显的差异。由于断裂带和弯曲带岩石上的应力的变化，这两个区域的岩石大多是松散的，其波阻抗在一定程度上降低。煤系地层与软弱岩石交错，与正常完整岩石相比，呈现低密度及低速度异常，其波阻抗异常相对明显［16］。

2.2.2 电性特征

第四系：岩性为砾石层及黏土，电阻率一般在50～500Ω·m;阜新组煤层及细砂岩，电阻率一般在100～1 000Ω·m;九佛堂组泥岩，电阻率一般在500～2000Ω·m。

当煤层采动形成采空区后，改变了围岩原有的电性特征，电阻率值与非采空区有明显的差别，当煤层采空区充水时形成低阻反映，从而为电法勘探寻找采空区提供了地球物理依据。

3 数据采集

本次物探采用CSAMT法和SFRT技术两种方法。地震波频率谐振勘探进行面积性勘探，网度为40 m×20 m，布置测线16条；CSAMT法主要用于采空区富水性进行评价，网度为80 m×20 m，布置测线8条。其中L1、L3、L5、L7、L9、L11、L13、L15线位置同时施工了地震波频率谐振勘探和CSAMT法施工。

SFRT技术采用北京派特森FRTIMGⅠ型采集站，本采集站内置频带宽度为0.05～150 Hz的检波器；施工前对道间幅度进行一致性试验，保证各道间幅度一致性及道间相位符合规范要求［16］，点距20 m，采集时长为18 min。

CSAMT法勘探采用仪器V8多功能电法工作站，野外采用赤道偶极装置。工作频率1～9 600 Hz，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8～9 km，发射偶极距AB为1 600 m；高频最小发射电流为9 A，低频最大发射电流为18 A；接收端偶极距为20 m，点距20 m。

4 资料处理

4.1 SFRT数据处理

本次地震波频率谐振主要经过以下处理步骤：

（1）波场整形及波场一致性校正：对采集的原始数据进行滤波处理。

（2）波场叠加及波场平衡：主要通过傅里叶变换将时间序列数据变换为频率域数据并进行多次叠加。

（3）波场频率分析及波场分离：对多次叠加的各分量频率数据进行噪音处理及磨光处理。

（4）深度与波阻抗率反演：进行谐振遴选和深度分析，最后获得测线的波阻抗断面图。

4.2 CSAMT法数据处理

本次CSAMT法数据处理包括以下几个步骤：

（1）对观测的数据进行预处理（包括数据解编、信号的回放检查等）。

（2）将各场量的时间域信号转换为频率域测深曲线。

（3）张量阻抗的性质及计算。

（4）进行场源校正以及靜态位移校正，对得到的数据进行二维反演生成视电阻率断面图。

5 资料解释

5.1 SFRT资料解释

图2b为地震波频率谐振视波阻抗成果图。在浅部，波阻抗小于1000kg/（m2·s），为第四系黏土的反映；在标高450m以浅，存在一层波阻抗高值条带，推断为砾石层波阻抗的反映；在标高430～440 m，波阻抗突变带，且波阻抗为相对低值，结合已知资料为第四系底界面的反映。在标高430 m以深，波阻抗等值线呈层状分布，与实际地层反映一致，呈单斜特征，整体地层倾角约为13°。图中存在数条高低相间的低波阻抗特征，为煤层低速、低密度的反映，结合已知资料，推断分别为4煤层、52煤层、5煤层、62煤层的反映，煤层之间的相对高波阻抗区域主要为砂岩、泥岩的反映。其中在标高220～280 m，桩号71 800～71 970 m位置，5煤层赋存位置，该异常区波阻抗值在1 200 kg/（m2·s）左右，呈现相对低值，推断该处煤层采空且塌陷，且该塌陷发育的裂隙影响至到52煤层；桩号71 860～72 140 m，52煤层赋存位置，波阻抗呈现相对低值，推断为52煤层采空区的影响；另在桩号71 850～72 140 m，4煤层赋存位置，存在相对低波阻抗区域，推断为4煤层采空区的影响范围。

5.2 CSAMT资料解释

在图2a CSAMT勘查断面图中，视电阻率整体从上往下呈现由低逐渐变高的趋势。整体视电阻率等值线呈层状分布，呈单斜特征，与实际地层反映一致，倾角约13°。标高450 m以浅，视电阻率小于50 Ω·m，呈现相对低阻，为第四系的电性反映。在标高450 m以深，视电阻率呈现相对高阻，为中生界下白垩统九佛堂组及阜新组的电性反映。在桩号71 800～72 140 m，标高200～350 m，视电阻率等值线梯度变化较大变化，推断为煤层采空区的影响范围，但该区域从上至下赋存4煤层、52煤层、5煤层，无法具体反映各煤层采空区的具体位置。

5.3 分析对比及成果验证

为验证采空区的真实情况，在6煤层掘进巷道（物探施工区间，该位置巷道还未开拓）沿上山桩号71 820～72 100 m向山上布置钻孔7个ZK01—ZK07，分别位于桩号71 820 m、桩号71 860 m、桩号719 00 m、桩号71 940 m、桩号72 040 m、72 080 m、桩号72 120 m钻孔间距不一，所有钻孔均钻至4煤层。其中ZK01只揭露了5煤层采空区，ZK02、ZK03、ZK04钻孔揭露了5煤层、52煤层、4煤层采空区，ZK05、ZK06、ZK07钻孔揭露了52煤层、4煤层采空区。

揭露采空区在地震波频率谐振呈现波阻抗低值闭合圈，在CSAMT法断面图中呈现相对低阻。在CSAMT法断面图中，5煤层在桩号71 970～72 140 m赋存完好，视电阻率与采空区无明显差异，煤层间距较小，CSAMT法在垂向上无法分辨采空区；在地震波频率谐振中，5煤层在桩号71 970～72 140 m与采空区位置差异明显。

7个钻孔揭露的采空区位置及深度，与地震波频率谐振勘探法解译相对吻合较好（图2c）。而可控源音频大地电磁法只反映该区域整体呈现相对低阻，控制了采空区的整体边界，无法具体确定异常的垂向深度。

6 结论

（1）CSAMT法具有施工便利，生产效率高，勘探深度最大可达2 000 m，水平方向分辨率高等特点，可以大致对地层进行层位划分、圈定采空区及构造的位置。但是由于采空区厚度小，体积效应影响，对于多煤层采空区勘查，能够确定采空区边界范围，垂向分辨能力达不到划分多层采空区，无法确定煤层具体采掘情况，需结合勘查区内其他资料或则其他方法补充勘查才能进行解释判断。

（2）地震波频率谐振勘探技术（SFRT法）具有施工灵活，可以单点施工，不受地形限制，抗干扰能力强，勘探深度大，水平方向和垂向都相对灵敏，尤其对煤层及煤层采空具有异于围岩低波阻抗响应，通过地震波频率谐振勘探可精准确定煤层及采空埋深、导水裂隙带发育高度以及采空水平边界。

相比可控源音频大地电磁测深法，地震波频率谐振勘探技术对多煤矿采空区勘探分辨率更高。地震波频率谐振不但能够解译多层煤层赋存位置，而且能够反映多煤层中每一层煤层采空区的边界及其影响范围，但可控源音频大地电磁测深法受体积效应影响无法查明多煤层采空区具体情况。

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Comprehensive Geophysical Exploration and Comparative Study of Multi-coal Strata Goaf Area

DU Xianjun， NIU Hao， LI Mingyang， HAN Dong

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

Abstract：In order to explore the goaf area and situation of multiple coal seams， the seismic wave frequency resonance exploration method and the controllable source audio geodetic electromagnetic bathymetry method are used for comprehensive exploration. In this paper， the method principle of seismic wave frequency resonance exploration method， controllable source audio geodetic electromagnetic bathymetry method and physical characteristics of the goaf have been explained. Combining with actual cases， the abnormal characteristics of the goaf have been analyzed from the wave impedance section and apparent resistivity section， and the goaf area has been delineated. The inferred results are consistent with actual situation after drilling verification， and the advantages and disadvantages of the two exploration methods have been analyzed. In this study， the application of seismic wave frequency resonance exploration technology to the detection of multi-coal seam goaf has achieved good results. It has important references and guiding significance for the detection of multi-coal seam goaf.

Key words：Goaf; wave impedance; apparent resistivity; seismic wave frequency resonance exploration; controllable source audio geodetic electromagnetic bathymetry

收稿日期：20230628；修訂日期：20231207；编辑：王敏基金项目：山东省煤田地质局“地震波频率谐振在煤田地质不良地质现象的研究与识别”，鲁煤地科字〔2023〕8号作者简介：杜贤军（1983—），男，江西抚州人，高级工程师，主要从事电磁法勘查工作；Email：187315076@QQ.com