張克聰張永超李宏杰李帝銓4

（1.甘肅靖遠(yuǎn)煤電股份有限公司王家山煤礦，甘肅省白銀市，730917；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013；3.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013；4.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南省長(zhǎng)沙市，410083）

高分辨率CSAMT探測(cè)淺埋煤層采空區(qū)應(yīng)用研究

張克聰1張永超2，3李宏杰2，3李帝銓4

（1.甘肅靖遠(yuǎn)煤電股份有限公司王家山煤礦，甘肅省白銀市，730917；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013；3.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013；4.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南省長(zhǎng)沙市，410083）

以榆林市某礦為例，從施工參數(shù)、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以及反演結(jié)果等方面對(duì)淺埋煤層采空區(qū)進(jìn)行CSAMT高分辨率探測(cè)研究。通過(guò)對(duì)中高頻進(jìn)行優(yōu)化以及采用多種抗干擾措施，在干擾較強(qiáng)的測(cè)區(qū)取得了可靠的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，未采區(qū)和采空區(qū)的視電阻率曲線與相關(guān)資料吻合極好，證明了該方法的可行性。反演視電阻率斷面與地質(zhì)資料、采掘資料以及鉆孔的吻合則進(jìn)一步表明CSAMT探測(cè)淺埋煤層采空區(qū)具有較高的分辨率和良好的效果。

可控源音頻大地電磁法 淺埋煤層 采空區(qū) 探測(cè) 高分辨率

晉陜蒙交界區(qū)域是我國(guó)煤炭的主要產(chǎn)區(qū)之一，由于歷史原因，該區(qū)域的小煤窯遺留了眾多分布和規(guī)模不明的采空區(qū)。這些采空區(qū)埋藏一般較淺，有的裂隙帶甚至發(fā)育到地表，它們輕則影響煤礦生產(chǎn)計(jì)劃，重則誘發(fā)突水、礦震等安全事故。為便于地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防治理、煤礦采掘計(jì)劃規(guī)劃，需探明采空區(qū)的位置和含水性。采空區(qū)探測(cè)常用的物探方法有高密度電法、瞬變電磁法、三維（二維）地震法等，這些方法在實(shí)踐中有很多成功的范例，但在人文干擾強(qiáng)的地方其探測(cè)結(jié)果的可靠性往往會(huì)受到一定影響。

可控源音頻大地電磁法（Controlled sourceaudio-frequency magnetotellurics，簡(jiǎn)寫為CSAMT）采用大功率人工發(fā)射源，具有抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在一些人文干擾較強(qiáng)、傳統(tǒng)物探方法難以實(shí)施的地區(qū)也能取得較好的結(jié)果。以榆林市某礦強(qiáng)人文干擾區(qū)域的實(shí)踐為例，研究高分辨率CSAMT探測(cè)淺埋煤層采空區(qū)的施工參數(shù)選擇、數(shù)據(jù)處理及探測(cè)效果。

1　CSAMT原理

基于電磁波傳播理論和麥克斯韋方程組，可以導(dǎo)出水平電偶極源“遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)”的卡尼亞視電阻率ρs與平行電場(chǎng)Ex、垂直磁場(chǎng)Hy的關(guān)系式：

式中：ρs——視電阻率，Ω·m；

f——頻率，Hz；

Ex——電場(chǎng)強(qiáng)度，μV/m；

Hy——磁場(chǎng)強(qiáng)度，n T。

通過(guò)地面上觀測(cè)到兩個(gè)正交的水平電磁場(chǎng)（Ex，Hy）可獲得地下的卡尼亞視電阻率ρs。

根據(jù)電磁波的趨膚效應(yīng)理論，可以導(dǎo)出探測(cè)深度的公式：

式中：δ——探測(cè)深度，m；

ρ——電阻率，Ω·m。

當(dāng)電阻率一定時(shí)，頻率與探測(cè)深度成反比，可以通過(guò)改變發(fā)射頻率來(lái)改變探測(cè)深度，從而達(dá)到變頻測(cè)深的目的。常用的CSAMT工作布置如圖1所示。

圖1　CSAMT工作布置示意圖

2　工程概況

榆林市某煤礦建成伊始曾在測(cè)區(qū)內(nèi)進(jìn)行過(guò)開(kāi)采活動(dòng)，相關(guān)資料已大多佚失。測(cè)區(qū)內(nèi)房屋較多且在西部有多條高壓線，根據(jù)調(diào)查，鄰近煤礦的采空區(qū)曾誘發(fā)過(guò)里氏3.0級(jí)以上的礦震，為消除安全隱患，需先查清采空區(qū)的分布。由于測(cè)區(qū)人文干擾較強(qiáng)，其它的物探方法在該區(qū)難以實(shí)施，因此選用CSAMT進(jìn)行探測(cè)，共設(shè)計(jì)12條測(cè)線，線距為60 m，點(diǎn)距為30 m，測(cè)點(diǎn)分布見(jiàn)圖2。儀器采用V8多功能電法儀。

3　地質(zhì)條件和地球物理特征

3.1 地質(zhì)條件

測(cè)區(qū)地層由下至上分別為侏羅系中統(tǒng)延安組（J2y）、新近系上新統(tǒng)靜樂(lè)組（N2j）、第四系（Q）。其中，J2y巖性以砂泥巖互層為主，是測(cè)區(qū)主要的含煤地層，頂部受較強(qiáng)風(fēng)化；N2j巖性為紫紅色粘土，是本區(qū)重要的隔水層；Q下部巖性為砂土，上部以風(fēng)積沙為主，其涵養(yǎng)的地下水是本區(qū)主要的飲用水源。區(qū)內(nèi)無(wú)斷層、褶皺等構(gòu)造，地層呈近水平層狀分布。

該礦開(kāi)采3#煤層，是區(qū)內(nèi)最上部的一個(gè)煤層，賦存于侏羅系中統(tǒng)延安組第三段頂部，煤層厚度大于6 m且穩(wěn)定，埋深約105 m。

3.2 正常巖層的地球物理特征

根據(jù)相鄰礦井的測(cè)井曲線（見(jiàn)圖3），區(qū)內(nèi)泥巖電阻率最低（小于50Ω·m），粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖電阻率較低（約70Ω·m），細(xì)砂巖電阻率中等（70～90Ω·m），中—粗砂巖電阻率稍高（100～120Ω·m），3#煤層電阻率最高（大于300Ω·m），煤系地層平均視電阻率約90Ω·m。

根據(jù)地層分布和電性特征，可以推斷測(cè)區(qū)由地表至煤層底板的地電結(jié)構(gòu)應(yīng)呈KHK型，即第四系含水層為低—中阻，靜樂(lè)組或侏羅系頂部風(fēng)化帶為中—高阻，侏羅系砂泥巖互層為低—中阻，3#煤層為高阻，底板泥巖為低阻。

3.3 采空區(qū)的地球物理特征

煤層被采空后由于采空區(qū)和兩帶發(fā)育了大量的空洞和裂隙，其電阻率與正常巖層的電阻率會(huì)有明顯的差異。采空區(qū)及兩帶不（弱）充水時(shí)，其電阻率會(huì)高于正常巖層；采空區(qū)及兩帶充水時(shí)，其電阻率會(huì)低于正常巖層。

圖2　CSAMT測(cè)線及測(cè)點(diǎn)布置圖

圖3　侏羅系煤系地層特征及測(cè)井曲線

4　參數(shù)選擇

合理的參數(shù)不僅能提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，還能簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)處理的流程，因此應(yīng)結(jié)合地質(zhì)條件和探測(cè)目的詳細(xì)分析。由于目標(biāo)體埋藏較淺，根據(jù)式（2）計(jì)算其對(duì)應(yīng)的頻率較高，因此本次施工參數(shù)應(yīng)針對(duì)高頻進(jìn)行優(yōu)化。

（1）AB極距。在保證AB極所張的60°扇形區(qū)域能覆蓋測(cè)區(qū)的基礎(chǔ)上，選擇較短的AB極距能減小接地電阻，提高發(fā)射電流，更好地激發(fā)高頻信號(hào)，增強(qiáng)抗干擾能力。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件確定AB極距為750 m。

（2）收發(fā)距。收發(fā)距過(guò)小，信號(hào)易進(jìn)入過(guò)渡場(chǎng)和近場(chǎng)，此時(shí)卡尼亞視電阻率發(fā)生畸變，即使做近場(chǎng)校正，也很難校正到和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)一樣；收發(fā)距過(guò)大則會(huì)造成信號(hào)強(qiáng)度小，抗干擾能力弱。滿足高頻頻點(diǎn)的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)條件不需要太大的收發(fā)距，還可保證信號(hào)強(qiáng)度，提高抗干擾能力。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后選擇收發(fā)距最小為2.90 km。

（3）頻段頻點(diǎn)。選擇中高頻段，頻率為9600 ～32 Hz。儀器的基礎(chǔ)頻點(diǎn)間隔較大，需加密頻點(diǎn)以提高分辨率，但受體積效應(yīng)的影響電法分辨率有一個(gè)上限，頻點(diǎn)過(guò)密不一定能取得更好的效果反而會(huì)增加疊加時(shí)間?？紤]施工效率，選擇在2個(gè)基礎(chǔ)頻點(diǎn)間再插入1個(gè)頻點(diǎn)，共18個(gè)頻點(diǎn)。

（4）發(fā)射電流。在保證儀器穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)上選擇盡可能大的發(fā)射電流，可以提高抗干擾能力，本次發(fā)射電流為14 A。

上述參數(shù)為200 m深度范圍內(nèi)探測(cè)結(jié)果的可靠性奠定了良好的基礎(chǔ)。

5　抗干擾措施

除施工參數(shù)有針對(duì)性地提高信號(hào)強(qiáng)度、增強(qiáng)抗干擾能力外，施工時(shí)還采取以下抗干擾措施。

（1）保證相鄰電極間的接地電阻小于1 kΩ，以增強(qiáng)電場(chǎng)信號(hào)強(qiáng)度，提高信噪比。

（2）在每一個(gè)排列的測(cè)量中，將磁探頭調(diào)整至干擾較小的測(cè)點(diǎn)處，盡量避免磁場(chǎng)受到干擾。

（3）測(cè)線沿途存在多條高壓和民用輸電線，由于干擾信號(hào)的強(qiáng)度大體上反比于距離的平方，因此除儀器設(shè)置50 Hz濾波外，還將部分測(cè)點(diǎn)偏離輸電線一定距離以減小干擾。

6　數(shù)據(jù)分析

9號(hào)測(cè)線（簡(jiǎn)稱9線）穿過(guò)已知采空區(qū)和未采區(qū)，且沿線存在電力線和多處民房，地質(zhì)條件和干擾條件都具有代表性，因此選擇該線上已知采空區(qū)（270號(hào)點(diǎn)）和未采區(qū)（690號(hào)點(diǎn)）的實(shí)測(cè)視電阻率曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析，如圖4所示。圖中橫軸和縱軸均采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)。由實(shí)體煤層的視電阻率曲線可見(jiàn)，9600 Hz處視電阻率較低，反映了近地表的電阻率較低；7680～5120 Hz段視電阻率稍高；5120～2560 Hz段視電阻率逐漸降低；2560～1024 Hz段視電阻率緩慢升高；711.1 Hz和512 Hz處視電阻率稍低，可見(jiàn)原始數(shù)據(jù)非常好地反映了由地表至煤層底板的KHK型地電結(jié)構(gòu)。采空區(qū)的視電阻率曲線的變化趨勢(shì)與實(shí)體煤層基本相同，但部分頻點(diǎn)的視電阻率高于實(shí)體煤層，其中1280 Hz和1024 Hz兩個(gè)頻點(diǎn)處的視電阻率高出未采區(qū)對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)約60%。將煤系地層的平均視電阻率90Ω·m代入式（2）可得，1024 Hz對(duì)應(yīng)的探測(cè)深度約108 m，接近煤層埋深，可見(jiàn)原始數(shù)據(jù)很好地反映了采空區(qū)的存在，高阻特征則說(shuō)明該采空區(qū)基本不充水。

圖4　實(shí)測(cè)視電阻率曲線對(duì)比

由原始數(shù)據(jù)曲線可見(jiàn)，由于采用多種措施來(lái)增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度，提高信噪比，因此即使在干擾較強(qiáng)的測(cè)區(qū)，CSAMT的原始數(shù)據(jù)也有很高的可靠度。此外，若采用不加密的基礎(chǔ)頻點(diǎn)可能會(huì)丟失一些關(guān)鍵的轉(zhuǎn)折點(diǎn)信息，致使分辨率降低。

7　資料處理

（1）去噪。本次工作雖采用了多種抗干擾措施，但個(gè)別測(cè)點(diǎn)難免會(huì)受到干擾。經(jīng)對(duì)比五點(diǎn)三次平滑、五點(diǎn)二次平滑、五點(diǎn)漢寧窗濾波后，最終選用保持原始數(shù)據(jù)曲線趨勢(shì)和去噪效果相對(duì)均衡的五點(diǎn)二次平滑算法進(jìn)行去噪。

（2）靜態(tài)校正。靜態(tài)效應(yīng)會(huì)使結(jié)果產(chǎn)生垂向條帶狀虛假異常，需進(jìn)行校正。常用的靜態(tài)校正方法有相位數(shù)據(jù)變換法、磁場(chǎng)數(shù)據(jù)變換法、空間濾波法和曲線平移法。經(jīng)過(guò)對(duì)比，采用操作簡(jiǎn)便、實(shí)踐效果較好的漢寧窗空間濾波與曲線平移相結(jié)合的人機(jī)聯(lián)合方式進(jìn)行靜態(tài)校正。

（3）數(shù)據(jù)反演。由于參數(shù)設(shè)置得當(dāng)，遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的資料能很好地反映目標(biāo)體，因此不做近場(chǎng)校正。傳統(tǒng)的CSAMT（MT）反演算法縱向分辨率較低，難以滿足探測(cè)淺埋煤層采空區(qū)的需要，本次采用計(jì)算速度快、分辨率高的非線性共軛梯度法進(jìn)行數(shù)據(jù)反演。

8　成果分析

9線和2線的反演視電阻率斷面圖見(jiàn)圖5和圖6，圖上煤層底板以粗虛線標(biāo)示出。兩條測(cè)線的反演斷面都很好地反映了由地表至煤層底板的KHK型地電結(jié)構(gòu)，反演結(jié)果的分辨率較高。已知采空區(qū)與高阻異常吻合較好，根據(jù)已知采空區(qū)的特征，將煤層附近視電阻率在450Ω·m（等值線以細(xì)虛線標(biāo)示）以上的區(qū)域推斷為采空區(qū)。推斷采空區(qū)1的采出率可能較低，其兩帶反映不明顯，推斷采空區(qū)2的兩帶形態(tài)則在圖上有明顯反映。采空區(qū)的裂隙帶均未發(fā)育到第四系含水層，表明采空區(qū)充水的可能性很小。

圖5　9線反演視電阻率斷面圖

圖6　2線反演視電阻率斷面圖

在9線的510號(hào)點(diǎn)和540號(hào)點(diǎn)之間布置了驗(yàn)證鉆孔，由于礦民糾紛該孔進(jìn)尺至62.7 m時(shí)被迫停止。根據(jù)打鉆時(shí)的簡(jiǎn)易水文觀測(cè)，鉆進(jìn)至約59 m后，漏水量開(kāi)始顯著增加，巖芯也出現(xiàn)裂紋，可以判定鉆孔已揭露裂隙帶頂部，與物探推斷的結(jié)果基本相符，表明此次探測(cè)結(jié)果的可靠性較高。

9　結(jié)論

針對(duì)高分辨率CSAMT探測(cè)淺埋煤層采空區(qū)，從多方面進(jìn)行了研究分析，結(jié)論如下：

（1）應(yīng)充分掌握測(cè)區(qū)的地質(zhì)條件和物性特征，這是取得良好探測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)。

（2）施工參數(shù)應(yīng)針對(duì) 中高頻進(jìn)行優(yōu)化，選擇合理但較小的AB極距和收發(fā)距，這樣還有利于增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度、提高抗干擾能力。在2個(gè)基礎(chǔ)頻點(diǎn)間再插入1個(gè)頻點(diǎn)，可提高分辨率。

（3）通過(guò)采用多種抗干擾措施，在干擾較強(qiáng)的測(cè)區(qū)也獲得了可靠的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。視電阻率曲線很好地反映了測(cè)區(qū)的地電結(jié)構(gòu)，未采區(qū)和采空區(qū)的視電阻率曲線對(duì)比也證明了該方法的可行性。

（4）采用合理的資料處理流程和反演算法，得到了分辨率較高的結(jié)果。與地質(zhì)資料、采掘資料以及驗(yàn)證鉆孔的吻合表明結(jié)果的可靠性很高。

［1］ 曹靜，岳建華，劉英.多層采空區(qū)綜合物探方法研究［J］.中國(guó)煤炭，2012（8）

［2］ 牛跟彥.超淺層地震勘探技術(shù)在小煤窯采空區(qū)中的應(yīng)用研究［J］.中國(guó)煤炭，2012（6）

［3］ 李文，牟義，張俊英等.煤礦采空區(qū)地面探測(cè)技術(shù)與方法優(yōu)化［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2011（1）

［4］ 程輝，李帝銓，底青云等.基于CSAMT法的地基基礎(chǔ)評(píng)價(jià)［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010 （4）

［5］ 底青云，王若，石昆法等.CSAMT法在北京強(qiáng)干擾區(qū)深層地?zé)崽綔y(cè)中的應(yīng)用［A］.工程地質(zhì)力學(xué)創(chuàng)新與發(fā)展暨工程地質(zhì)研究室成立50周年學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集［C］.北京：中國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì)工程地質(zhì)專業(yè)委員會(huì)，2008

［6］ 底青云，王若.可控源音頻大地電磁數(shù)據(jù)正反演及方法應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2008

［7］ 詹少全，錢美平，馮戔戔.CSAMT全區(qū)視電阻率電場(chǎng)正演迭代擬合近場(chǎng)校正方法［J］.物探與化探，2011（5）

［8］ 李帝銓，王光杰，底青云等.基于遺傳算法的CSAMT最小構(gòu)造反演［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2008 （4）

［9］ 王若，王妙月.一維全資料CSAMT反演［J］.石油地球物理勘探，2007（1）

［10］ 王若，王妙月，底青云等.CSAMT三維單分量有限元正演［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2014（2）

［11］ 黃兆輝，底青云，侯勝利.CSAMT的靜態(tài)效應(yīng)校正及應(yīng)用［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2006（4）

［12］ 戴世坤，王順國(guó)，張錢江等.頻率域可控源電磁法2.5D正反演［J］.中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2013（9）

（責(zé)任編輯 郭東芝）

Research on application of CSAMT with high resolution for detecting goaf in shallow coal seam

Zhang Kecong1，Zhang Yongchao2，3，Li Hongjie2，3，Li Diquan4
（1.Wangjiashan Coal Mine，Gansu Jingyuan Coal Industry and Electricity Power Co.，Ltd.，Baiyin，Gansu 730917，China；2.Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute，Chaoyang，Beijing 100013，China；3.State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization，Chaoyang，Beijing 100013，China；4.School of Geosciences and Info-Physics，Central South University，Changsha，Hunan 410083，China）

Taking a coal mine in Yulin as an example，goaf in shallow coal seam was detected and researched with CSAMT with high resolution from different aspects such as construction parameters，measured data and invertion results.By optimizing the medium-high frequency and adopting various anti-jamming measures，reliable measured data had been acquired even in the heavy interference area，the apparent resistivity curves of unmined area and goaf perfectly fitted the related data，which validated this method.The sections of inverted apparent resistivity were consistent with the geological data，mining data and borehole data，which further showed that detecting the goaf in shallow seam with CSAMT had relative high resolution and favorable effects.

CSAMT，shallow coal seam，goaf，detecting，high resolution

P631.2

A

張克聰（1973-），男，甘肅會(huì)寧人，工程師，從事煤礦地質(zhì)研究。