白錦琳

(1．中國海洋大學(xué)，山東 青島 266100；2．山東省煤田地質(zhì)局物探測量隊(duì)，山東 濟(jì)南 250104)

采空區(qū)是人類活動(dòng)過程中產(chǎn)生的潛在地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅礦山的生產(chǎn)安全、工程建設(shè)安全和人類的生命財(cái)產(chǎn)安全，已經(jīng)成為制約礦山安全發(fā)展的一個(gè)重要問題。地下采空區(qū)具有空間分布特征規(guī)律性不明顯、隱蔽性高、塌陷情況難以預(yù)判的特點(diǎn)，如何查明地下采空區(qū)的分布范圍，為災(zāi)害評(píng)估和預(yù)測提供可靠資料，成為急需解決的問題。目前，主要采用瞬變電磁法和常規(guī)直流電法進(jìn)行采空區(qū)探測，但是大部分采空區(qū)內(nèi)都有村莊、公路和高壓線路等人文活動(dòng)的干擾，探測難以取得良好的效果。可控源音頻大地電磁法使用可控制的人工場源，是通過改變頻率來達(dá)到測深的目的，對(duì)在高干擾地區(qū)進(jìn)行勘探具有一定的優(yōu)勢[1-2]。

1 方法原理

可控源音頻大地電磁法又稱CSAMT法。采用人工場源供電，可以通過改變發(fā)射頻率來改變探測深度，達(dá)到頻率測深的目的，其頻率范圍為0.25～8192Hz。由于CSAMT法所觀測的頻率范圍、場強(qiáng)和方向由人工控制，其觀測方式與MT法相同，所以稱為可控源音頻大地電磁法。

可控源音頻大地電磁法具有使用可控制的人工場源，信號(hào)強(qiáng)度比天然場要大，且通過人工控制，精度較好，可在較強(qiáng)干擾區(qū)的城市及城郊開展工作。測量參數(shù)為電場與磁場之比，得出卡尼亞電阻率。由于是比值測量，可減少外來的隨機(jī)干擾及地形的影響?；陔姶挪ǖ内吥w深度原理，利用改變頻率進(jìn)行不同深度的電測深，避免了重復(fù)放線，提高了工作效率，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度?？碧缴疃却?，一般可達(dá)1～2km，橫向分辨率、垂向分辨率高。由于接收機(jī)在接收電場的同時(shí)還要接收磁場，因此高阻屏蔽作用小，高阻層穿透能力強(qiáng)。

2 采空區(qū)的形成

當(dāng)?shù)叵鹿腆w礦產(chǎn)被開采后，形成的空間及其圍巖失去穩(wěn)定性而產(chǎn)生位移、開裂、破碎垮落，直到上覆巖層整體下沉、彎曲所引起的地表變形和破壞的地區(qū)或范圍稱為采空區(qū)，垂直方向上分為：

(1)垮落帶：煤層采空上層出現(xiàn)坍落。

(2)裂隙帶：垮落帶上方巖體因彎曲變形過大，在采空區(qū)上方產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，兩側(cè)受到較大的剪應(yīng)力，因而巖體出現(xiàn)大量的裂隙，巖體整體性受到破壞。

(3)彎曲下沉帶：斷裂帶以上直到地面，在自重應(yīng)力作用下產(chǎn)生彎曲變形而不再破裂[3-6]。

圖1 采空區(qū)形成示意圖

3 地球物理特征及數(shù)值模擬

根據(jù)一般沉積巖地層巖石電性參數(shù)，沉積巖地層中各地層巖石電阻率沿地層方向差異較小，橫向成層性好。當(dāng)?shù)貙油暾瑳]有采空區(qū)或地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，地層電性呈現(xiàn)出規(guī)律均一的響應(yīng)特征。

圖2為5層沉積巖地層模擬視電阻率擬斷面圖，該地層分5層，第一層厚度為120m，電阻率為75Ω·m，第二層是煤層，厚度為3m，電阻率為300Ω·m，第三層厚度為50m，電阻率為90Ω·m，第四層是煤層，厚度為3m,電阻率為300Ω·m，第五層電阻率為170Ω·m，理論模擬圖顯示上地層的電性特征表現(xiàn)為規(guī)律均勻?qū)訝睢?/p>

圖2 完整地層數(shù)值模擬視電阻率擬斷面圖

當(dāng)?shù)叵碌V體被局部采出后，在巖體內(nèi)形成一個(gè)有一定規(guī)模的空間，使周圍的應(yīng)力平穩(wěn)狀態(tài)遭受破壞，產(chǎn)生局部的應(yīng)力集中，采空區(qū)頂板在上覆巖層壓力的作用下，發(fā)生變形、斷裂、位移、冒落，形成的冒落帶、斷裂帶、變形彎曲帶，其影響范圍比原采空區(qū)要大，且直接影響其電性分布狀，形成一個(gè)相對(duì)次高阻電性體，與圍巖電性形成較明顯的差異。當(dāng)?shù)叵滤偷乇硭亓芽p向采空區(qū)滲漏并充填采空區(qū)，其電阻率將明顯發(fā)生變化，形成一個(gè)低阻電性體，也與圍巖電性形成較明顯的差異。

圖3為5層沉積巖地層采空區(qū)模擬視電阻率擬斷面圖，該地層模型分5層：第一層厚度為120m，電阻率為75Ω·m，第二層是煤層，厚度為3m，電阻率為300Ω·m，煤層存在充水采空區(qū)，厚度為3m，電阻率為10Ω·m，第三層厚度為50m，電阻率為90Ω·m，第四層是煤層，厚度為3m，電阻率為300Ω·m，第五層電阻率為170Ω·m。當(dāng)?shù)叵滤偷乇硭亓芽p向采空區(qū)滲漏，采后在理論模擬視電阻率擬斷面圖上形成相對(duì)低阻異常區(qū)[7-9]。

圖3 采空區(qū)數(shù)值模擬視電阻率擬斷面圖

通過數(shù)值模擬可以得出在采空區(qū)域進(jìn)行可控源音頻大地電磁法探測，可在處理得到的視電阻率擬斷面圖上依據(jù)上述異常的特點(diǎn)圈定采空區(qū)位置及范圍，為采空區(qū)評(píng)價(jià)治理和塌陷范圍影響評(píng)價(jià)等提供有力依據(jù)[10-20]。

4 應(yīng)用情況

目前，山東省內(nèi)采空區(qū)面積較大的礦山為煤礦和石膏礦，而且山東為人口大省，大多數(shù)采空區(qū)位于人文活動(dòng)密集區(qū)域，不利于瞬變電磁法和常規(guī)直流電法的施工和采集，研究可控源音頻大地電磁法探測這兩種礦床的采空區(qū)具有重要意義。

4.1 煤礦采空區(qū)探測效果分析

工作區(qū)位于濟(jì)寧市區(qū)北部，距市中心8km。濟(jì)陽公路縱貫?zāi)媳保?27國道、鄉(xiāng)村公路縱橫交織，區(qū)內(nèi)村莊密集，輸電線路較多，人文活動(dòng)密集，電磁干擾較為嚴(yán)重。

工作區(qū)內(nèi)地層區(qū)劃屬華北地層區(qū)魯西地層分區(qū)濟(jì)寧地層小區(qū)。地層包括中、下奧陶統(tǒng)，石炭二疊系本溪組、太原組、山西組、石盒子組、侏羅系三臺(tái)組及第四系。當(dāng)?shù)貙油暾?，沒有采空區(qū)或地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，地層電性呈現(xiàn)出規(guī)律均一的響應(yīng)特征。

圖4為工作區(qū)內(nèi)正常地層視電阻率曲線。該區(qū)第四系平均厚度在75m，其下部分別為侏羅系中統(tǒng)三臺(tái)組、二疊系上統(tǒng)石盒子組、下統(tǒng)山西組、石炭系上統(tǒng)太原組及中統(tǒng)本溪組和奧陶系中統(tǒng)馬家溝組，視電阻率呈低—中—高的趨勢，奧陶系地層以灰?guī)r為主，其電性為高阻反映。L1線為正常地段視電阻率擬斷面圖，反映的地層序列比較清晰，無明顯的高阻或低阻閉合異常區(qū)，L2線—L3線視電阻率擬斷面圖反應(yīng)采空區(qū)附近視電阻率擬斷面圖上視電阻率明顯低于正常地層，且形成閉合的低阻異常區(qū)。采空區(qū)反映特征明顯，后經(jīng)礦方驗(yàn)證，探測情況與實(shí)際情況吻合程度高(圖4)。

圖4 何崗煤礦采空區(qū)CSAMT法反演視電阻率擬斷面圖

4.2 石膏礦采空區(qū)探測效果分析

石膏礦位于平邑縣東南，區(qū)內(nèi)人口稠密，勞動(dòng)力及電力充足，全省聯(lián)網(wǎng)的輸電線路已遍布所有村莊，電磁干擾較為嚴(yán)重。

區(qū)內(nèi)地層由淺到深為第四紀(jì)、古近紀(jì)地層。古近紀(jì)地層為官莊群卞橋組，由淺到深分為卞橋組三段、卞橋組二段、卞橋組一段。第四紀(jì)地層由黃褐、灰黃色粘土及砂質(zhì)粘土組成，該地層巖石電阻率較低。卞橋組三段由變質(zhì)巖、灰?guī)r組成，具有較高的電阻率。卞橋組二段由泥灰?guī)r、灰?guī)r、膏上灰?guī)r帶、石膏礦化帶、膏下灰?guī)r帶等組成，該段地層電阻率高。卞橋組一段為淺紫紅色礫巖與砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖互層漸變?yōu)闇\紫紅色含礫砂巖夾粉砂巖，灰綠色泥巖及泥灰?guī)r組成，該段地層電阻率較低。總體該次工作區(qū)內(nèi)地層視電阻率由淺到深表現(xiàn)為低阻—高阻—低阻的層狀特征。

從圖5可以看出，根據(jù)其電性特征，垂向上大致可劃分為3個(gè)大層：

(1)第一層：0～-50m，地層電性較為穩(wěn)定，電阻率較低，厚度較小。該層在電阻率擬斷面圖上主要表現(xiàn)為層狀電阻率等值線特征，橫向上分布較均一。根據(jù)區(qū)內(nèi)地質(zhì)特征分析，推斷該層為第四系的反映。

(2)第二層：-50m～-300m，電阻率較高，電阻率等值線密集，表現(xiàn)為層狀電阻率等值線，傾角等與實(shí)際地層較為吻合。根據(jù)其電性特征并結(jié)合已知資料分析，推斷該層位為下伏卞橋組三段與卞橋組二段地層反應(yīng)。

(3)第三層：-300m以深，視電阻率相對(duì)較低，橫向變化較小，顯示為層狀分布，其電阻率整體較上覆地層低。據(jù)其電性特征分析，推斷為卞橋組一段地層。但是視電阻率擬斷面圖在橫向上視電阻率值成層性變差，存在低阻或相對(duì)低阻異常。L20線和L30線橢圓圈位置處存在U型或者倒U型相對(duì)低阻和低阻異常，分析認(rèn)為是石膏礦局部采空區(qū)域。L40線和L50線橢圓標(biāo)注位置為相對(duì)低阻異常，且范圍較大，分析認(rèn)為是石膏礦采空區(qū)域且該地段采空時(shí)間較長，地層結(jié)構(gòu)發(fā)生較大改變。后經(jīng)過礦方驗(yàn)證，所劃定的采空區(qū)位置與礦方實(shí)際采空范圍吻合程度高，探測效果好，客觀反映了石膏礦地下采空情況。

圖5 視電阻率擬斷面圖

通過以上兩種礦床采空區(qū)視電阻率擬斷面圖的分析，正常完整地層可控源視電阻率斷面圖地層反應(yīng)清晰，為均勻?qū)訝罘植?。煤礦采空區(qū)埋深相對(duì)較深，多數(shù)采空區(qū)積水，在視電阻率斷面圖上為圈閉低阻異常，大面積采空地段在視電阻率擬斷面圖上整體為相對(duì)低阻且成層性差。石膏礦采空區(qū)埋深相對(duì)較淺，且石膏礦地層為電阻率高的地層，采空區(qū)在視電阻率斷面圖上為U型或者圈閉相對(duì)低阻異常。

5 結(jié)論

(1)經(jīng)過對(duì)煤礦和石膏礦區(qū)探測的分析，在測線斷面圖上圈定采空范圍，按照各測線視電阻率擬斷面圖解釋采空范圍將其投影到平面圖，可以得到礦區(qū)采空范圍分布情況，經(jīng)過檢驗(yàn)與實(shí)際采空區(qū)范圍吻合程度高，說明可控源音頻大地電磁法在采空區(qū)探測工作中采空區(qū)反應(yīng)清晰，探測效果較好。

(2)在人文環(huán)境較為復(fù)雜的勘探區(qū)進(jìn)行工作，CSAMT法較其他電磁法抗干擾能力相對(duì)較強(qiáng)，施工方便，表現(xiàn)出較為良好的探測能力。