李帝銓,肖教育,張繼峰,胡艷芳,劉最亮,張新

(1.中南大學 有色金屬成礦預測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點實驗室，湖南 長沙 410083; 2.有色資源與地質(zhì)災害探測湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410083; 3.中南大學 地球科學與信息物理學院，湖南 長沙 410083; 4.長安大學 地球科學與資源學院，陜西 西安 710000; 5.陽泉煤業(yè)(集團)有限責任公司 地質(zhì)測量部，山西 陽泉 045000)

0 引言

煤礦開采時，煤礦隱蔽致災地質(zhì)因素是影響煤炭安全開采的首要問題，這些地質(zhì)因素包括地質(zhì)構(gòu)造、礦井水、煤層瓦斯、頂?shù)装鍡l件等，煤層中富水區(qū)是煤礦開采中重大隱蔽地質(zhì)隱患之一。地球物理探測是查明這些地質(zhì)因素的重要手段，常用的電磁勘探方法有可控源音頻大地電磁法(CSAMT)、瞬變電磁法、巷道無線電波透視等。廣域電磁法是相對于傳統(tǒng)的CSAMT法和MELOS方法提出來的，使用人工場源發(fā)射電流，采用單分量或多分量測量和適合于全域的公式來計算廣域視電阻率，供電頻率的帶寬選擇較大，適合大深度勘探[1-4]，在油氣勘探、固體礦產(chǎn)勘探、地熱勘探[5-10]等領域應用較為廣泛。廣域電磁法有可能在煤炭水害富水區(qū)探測領域做出貢獻，但是之前還沒有具體實施應用。為了比較廣域電磁法和可控源音頻大地電磁法的探測效果，證實廣域電磁法在煤田中探查水的可行性，在山西沁水煤田新元煤礦進行了對比實驗。這是廣域電磁法在煤礦系統(tǒng)富水探測中的首次應用。

本次廣域電磁法采取了多維多分量的方式，即采用旁側(cè)裝置和軸向裝置分別測量電場的Ex、Ey分量，從而獲得同一測點4個不同的電場分量，每個電場分量均求出相應的廣域視電阻率。理論分析與試驗數(shù)據(jù)表明，在野外采用旁側(cè)裝置測量電場Ex分量，測線敷設和收攏方便，移動靈活，信號強度大，更適用于實際勘探[11]。本文主要對廣域電磁法的旁側(cè)裝置Ex、軸向裝置Ex的頻率視電阻率擬斷面圖和CSAMT的頻率視電阻率擬斷面進行對比；同時對信號強度較大、分辨效果好的旁側(cè)Ex裝置的反演結(jié)果與CSAMT的反演結(jié)果進行對比，從而說明廣域電磁法在煤炭領域富水區(qū)探測的可行性。

1 基本原理

廣域電磁法是一種采用2n序列偽隨機信號作為激勵信號的人工源頻率域電磁法，該方法采用水平電流源或者垂直磁偶源作為場源，通過測量電磁場的某個分量以獲得廣域視電阻率。

根據(jù)均勻大地表面水平電流源產(chǎn)生的電場Ex的精確表達式如下：

(1)

由式(1)得到廣域視電阻率表達式：

(2)

式中：I為發(fā)送電流；dL為場源尺寸；r為收發(fā)距；φ為方位角；k為波數(shù)；σ為介質(zhì)電導率；ΔVMN為觀測電位差，MN為電極距；KE-Ex是一個只與觀測裝置的幾何尺寸有關的系數(shù)；FE-Ex(ikr)是由發(fā)送電流頻率ω、地下電阻率ρ以及收發(fā)距r構(gòu)成的復函數(shù)。采用式(2)定義的廣域視電阻率可不受觀察點到場源距離的限制，因此，利用計算機迭代方法求解的視電阻率最佳值適用于廣大區(qū)域[10,12]。

可控源音頻大地電磁法是利用人工源激發(fā)地下巖石產(chǎn)生的電導率差異觀測一次場電位和磁場強度變化的一種電磁勘探方法，其頻率范圍一般為0.25～8 192 Hz。主要針對大地電磁測深法場源的隨機性和信號微弱，以致觀測十分困難的狀況提出的一種改進方案[12-13]。

CSAMT法采用水平電偶極子或垂直磁偶極子作為場源，在遠區(qū)測量一對相互正交的電場和磁場分量，沿用MT法采用波阻抗提取視電阻率的公式：

(3)

式中：ρa為視電阻率，ω為電磁波的頻率，μ為介質(zhì)的磁導率。

CSAMT和WFEM在野外施工場源布置和測線布置方面有所差異，相同的目標體探測深度下，WFEM所需的收發(fā)距較小。CSAMT測量相互正交的電場和磁場，WFEM只需測量單一的電場或磁場即可進行廣域視電阻率的換算以及反演。CSAMT和WFEM在數(shù)據(jù)處理方面由于各方法視電阻率的定義不同，處理方法也有所差異。

2 研究區(qū)地質(zhì)與地球物理概況

新元井田31004工作面屬華北石炭—二疊系煤田，井田基本形態(tài)為一單斜，井田位于沁水煤田的西北部，陽煤集團壽陽區(qū)中南部。新元井田范圍內(nèi)自上而下的含水層組主要包括：第四系砂礫石層孔隙含水層組，二疊系石盒子組、石千峰組、三疊系劉家溝組砂巖裂隙含水層組，二疊系下統(tǒng)山西組砂巖裂隙含水層組，石炭系上統(tǒng)太原組石灰?guī)r溶及砂巖裂隙含水層和中奧陶統(tǒng)峰峰組與上馬家溝組石灰?guī)r巖溶水含水層組(圖1)。

研究區(qū)主要地層從上到下依次有第四系(Q)、二疊系上石盒子組(P2s)、二疊系下石盒子組(P1x)、二疊系山西組(P1s)、石炭系太原組(C2t)、石炭系本溪組(C2b)、奧陶系峰峰組(O2f)、奧陶系上馬家溝組(O2s)、奧陶系下馬家溝組(O2x)。根據(jù)已有的測井電阻率信息統(tǒng)計分析，測區(qū)地層電阻率總體呈現(xiàn)高阻—低阻—高阻—低阻—高阻的趨勢(表1)。研究區(qū)主要可采煤層為3號煤、9號煤、15號煤。富水區(qū)的目的層位于山西組和太原組中,均表現(xiàn)為低阻特征。

表1 地層及圍巖物性參數(shù)統(tǒng)計

3 數(shù)據(jù)采集

此次在新元31004工作面所屬地面共布置2條廣域電磁法測線——280線、285線，其中280線為廣域電磁法和可控源音頻大地電磁法在相同地質(zhì)條件下的共同測線。280線總長3 km，點距20 m，共150個測點(圖2)。

圖2 測線布置示意Fig.2 Survey line layout

廣域電磁法野外采集使用中南大學自主研發(fā)的廣域電磁發(fā)射機和廣域電磁接收儀，采用旁側(cè)裝置(E-Ex、E-Ey)和軸向裝置(E-Ex、E-Ey)，發(fā)射電流為120 A、發(fā)射頻率為0.75～8 192 Hz，共28個頻點。此次采用的旁側(cè)裝置和軸向裝置(圖3)與傳統(tǒng)的廣域電磁法區(qū)別在于利用2個相互正交的源進行供電，例如：當采用軸向裝置進行觀測時，分別沿著平行于源的方向采集Ex分量，沿著垂直于源的方向采集Ey分量；旁側(cè)裝置亦是如此。CSAMT野外工作采用美國ZONG公司研發(fā)的GDP32- II電法工作站，信號發(fā)射和接收采用與之配套的裝置，發(fā)射電流20 A，測量頻率0.125～8 192 Hz，共30個頻點。廣域電磁法和可控源音頻大地電磁法收發(fā)距同為8.99 km，場源位置相同，供電電極距1.0 km。

圖3 廣域電磁法觀測裝置示意Fig.3 Schematic diagram of WFEM's observation device

4 資料處理解釋與對比

采用中南大學自主設計的廣域電磁法數(shù)據(jù)處理和反演一體化解釋平臺，經(jīng)過對數(shù)據(jù)進行預處理、“飛點”剔除、靜態(tài)校正、數(shù)據(jù)濾波、定性分析、參數(shù)點分析以及曲線類型分析，再建立模型作數(shù)據(jù)反演，最后依據(jù)其他物探成果進行綜合推斷解釋?？煽卦匆纛l大地電磁法采用Mtsoft2D軟件進行處理，包括近場校正、去除“飛點”、靜態(tài)校正以及反演電阻率斷面成圖，最后進行結(jié)果解釋。

依據(jù)勘探區(qū)地球物理特征，將上石盒子組(P2s)電性特征為高阻，下石盒子組電性特征為低阻(P1x)，以及山西組(P1s)、太原組(C2t)整體電性特征呈現(xiàn)高阻，本溪組(C2b)的電性特征為低阻，作為反演電阻率斷面圖的地質(zhì)解釋原則。

4.1 原始數(shù)據(jù)對比

圖4、圖5分別為新元礦31004工作面280線廣域電磁法和可控源音頻大地電磁法所測得山頂處4個號位的視電阻率曲線。可以看出：CSAMT法卡尼亞視電阻率曲線由于受到場源效應的影響在低頻段進入過渡區(qū)和近區(qū)，導致CSAMT法卡尼亞視電阻率曲線在低頻段出現(xiàn)明顯的上翹趨勢，在10～60 Hz處會出現(xiàn)一個電阻率極小值，此時處于過渡區(qū)，隨后CSAMT法卡尼亞視電阻率曲線由極小值呈45°上升的趨勢。CSAMT法卡尼亞視電阻率在235號點和237號點高頻處出現(xiàn)“飛點” 而廣域電磁法整體的電阻率曲線較為平滑，整體呈現(xiàn)高阻—低阻—高阻—低阻—高阻的趨勢，這與實際的地質(zhì)資料較為吻合。

圖4 235、237號點CSAMT和WFEM視電阻曲線對比Fig.4 Comparison of apparent resistance curve between CSAMT and WFEM at point 235 and 237

圖5 381、383號點CSAMT和WFEM視電阻率曲線對比Fig.5 Comparison of apparent resistance curve between CSAMT and WFEM at point 381 and 383

圖6為新元礦31004工作面280線廣域電磁法和CSAMT的視電阻率擬斷面對比?？梢钥闯鰪V域電磁法的旁側(cè)裝置Ex(圖6a)和軸向裝置Ex(圖6b)的原始數(shù)據(jù)頻率視電阻率擬斷面圖在低頻段依然有響應，說明受到場源效應的影響很小，不受過渡區(qū)和近區(qū)的影響;而CSAMT法卡尼亞視電阻率曲線(圖6c)由于受到場源效應的影響，在低頻段進入過渡區(qū)和近區(qū)導致CSAMT法卡尼亞視電阻率曲線在低頻段出現(xiàn)明顯的上翹趨勢，所以導致在低頻段無法對地層進行劃分。同時，可以認為廣域電磁法旁側(cè)裝置Ex和軸向裝置Ex對富水體分辨范圍更大；綜合比較圖6a和圖6b，可以認為旁側(cè)裝置Ex對富水體的分層能力優(yōu)于軸向裝置Ex。

圖6 280線WFEM和CSAMT視電阻率擬斷面對比Fig.6 Comparison of apparent resistivity of original data of WFEM and CSAMT

4.2 反演結(jié)果驗證

最新淋水點靠近輔助進風巷，285線與之較為接近。最新的31004工作面淋水點最大出水量達到25 m3/h,約靠近輔助進風巷60 m，與285測線距離為1 620 m。在285線電阻率反演斷面(圖7)中進行了標注，這與實際的淋水點較為吻合，證明了電阻率反演斷面的準確性；淋水點處電阻率約為35 Ω·m，這與我們統(tǒng)計的圍巖電阻率和出水點電阻率(ρs≤35 Ω·m)也是吻合的，推斷水來自3號煤層上部K8含水層。

圖7 285線反演結(jié)果與最大淋水點驗證Fig.7 285 line inversion results and water outlet verification

4.3 反演結(jié)果對比

在對CSAMT數(shù)據(jù)反演之前需要對原始數(shù)據(jù)進行整理，剔除個別畸變點，通過可視化MT-Pioneer5.1數(shù)據(jù)處理軟件進行下一步操作，不進行人為數(shù)據(jù)的平滑，對因干擾產(chǎn)生的“飛點”直接剔除以提高反演的準確性。選擇二維非線性共軛梯度法進行反演，模型光滑度設置為80，約束視電阻率的誤差為9%。

廣域電磁法資料處理解釋以巖石物性為基礎，通過對原始數(shù)據(jù)飛點剔除、靜態(tài)校正等預處理并結(jié)合原始數(shù)據(jù)“頻率—視電阻率”曲線完成定性分析，然后建立合理的地質(zhì)模型，進行一維連續(xù)介質(zhì)反演，并在一維反演的基礎上進行二維反演，結(jié)合電阻率測井資料解釋，提高廣域電磁法解釋成果的可靠性和解釋精度。利用一維反演的結(jié)果可進行斷層劃分，利用二維連續(xù)介質(zhì)反演結(jié)果可進行地層劃分[10]，最后綜合一維連續(xù)介質(zhì)和二維連續(xù)介質(zhì)反演結(jié)果，對富水區(qū)進行精確的識別。

圖8為WFEM和CSAMT的反演結(jié)果對比。通過對圍巖電阻率和巷道出水點的電阻率分析，可將ρ≤35 Ω·m劃為低阻異常區(qū)。從反演電阻率斷面看，K10含水層在WFEM反演斷面圖中距離0～500 m、1 300～3 200 m富水性較強，且該富水區(qū)連續(xù)性較強。從WFEM反演電阻率斷面看，K8含水層在WFEM反演斷面圖中距離0～1 200 m、1 300～1 700m、2 000～2 100 m處富水性較強。

圖8 280線WFEM(a)和CSAMT(b)的反演結(jié)果對比Fig.8 Comparison of inversion results of WFEM (a) and CSAMT (b) of line 280

通過對WFEM的反演斷面圖和CSAMT的反演斷面圖對比分析可看出：WFEM反演結(jié)果呈現(xiàn)低阻—高阻—低阻—高阻—低阻—高阻的關系，對第四系和上石盒子組、下石盒子組、山西組、太原組—奧陶系有很好的分辨能力，而CSAMT的反演結(jié)果呈現(xiàn)低阻—高阻—低阻—高阻的關系；WFEM反演結(jié)果對K10含水層和K8含水層的分辨較為清晰，而CSAMT的反演結(jié)果對K10含水層和K8含水層的分辨較為模糊，分辨不清。

5 結(jié)論

1)廣域電磁法是基于全區(qū)視電阻率來定義的，對視電阻率的求解公式?jīng)]有近似取舍，因此測量范圍大、測量精度高?？煽卦匆纛l大地電磁法受到場源效應和近區(qū)、過渡區(qū)的影響導致卡尼亞視電阻率曲線在低頻段產(chǎn)生45°上揚的趨勢。

2)廣域電磁法采用2n偽隨機信號多頻波發(fā)射，相對于可控源音頻大地電磁法的單頻波發(fā)射，其深部的分辨率較高。同時只需觀測單一電場Ex分量即可求得廣域視電阻率。

3)廣域電磁法首次在煤礦中進行富水區(qū)探查應用，經(jīng)過此次對比可發(fā)現(xiàn)廣域電磁法在煤礦中對富水體的探查高效、準確度高。也證實了廣域電磁法在煤炭領域富水區(qū)探測具有推廣應用的巨大潛力，可為煤炭領域富水區(qū)探測提供新技術。