CSAMT在深埋隱伏斷層導(dǎo)水性探測(cè)中的應(yīng)用

杜明澤，張永超，黎 靈，牟 義，王國(guó)庫(kù)

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.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(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013；3.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧 阜新 123000)

我國(guó)煤炭資源豐富，礦井水文地質(zhì)條件復(fù)雜，水害事故常年居煤礦五大災(zāi)害第二位[1]。隨著西部煤炭資源開(kāi)發(fā)，煤炭水害又呈現(xiàn)出新的特點(diǎn)。西部深埋侏羅紀(jì)由于受沉積環(huán)境和構(gòu)造條件的影響和控制，其砂巖地層富水性不均，導(dǎo)致在煤層開(kāi)采過(guò)程中水害發(fā)生日益頻繁[2，3]。雖然近年來(lái)我國(guó)礦井水害防治取得了豐富的成果，但由于地質(zhì)條件類型多樣，開(kāi)采深度加大，隱蔽致災(zāi)因素多樣，煤礦水害防治形勢(shì)依然嚴(yán)峻，煤礦水害防治仍然是開(kāi)采面臨的技術(shù)難題[4，5]。

斷層是煤礦開(kāi)采中常見(jiàn)的地質(zhì)構(gòu)造，而斷層的導(dǎo)水性關(guān)系到煤礦的安全生產(chǎn)。因此，構(gòu)造的導(dǎo)水性探查是煤礦水害防治非常重要的環(huán)節(jié)。目前，常用的構(gòu)造導(dǎo)水性探查手段多為鉆探、物探[6]。鉆探技術(shù)作為最基礎(chǔ)最直接的探查方法，具有探測(cè)精確度高的優(yōu)點(diǎn)，但測(cè)量范圍通常為代表性地層的“點(diǎn)”測(cè)量，大面積探查成本較高。物探方法作為科學(xué)的探查方法越來(lái)越受到重視，其具有測(cè)量范圍大、對(duì)地層擾動(dòng)小的特點(diǎn)，近年來(lái)在構(gòu)造和地層富水性、采空區(qū)探查等方面也取得了一系列的研究成果，尤其是以瞬變電磁法(TEM)為主的探測(cè)在礦井構(gòu)造或工作面富水性方面應(yīng)用較廣。李宏杰等[7]采用瞬變電磁，結(jié)合三維地震勘探，探測(cè)斷層和陷落柱等隱蔽地質(zhì)構(gòu)造位置、分布范圍和富水情況；李文等[8]分析了地震類和電磁類物探方法的特點(diǎn)，并以晉城某礦為例，采用瞬變電磁法、直流電法，提高了礦井構(gòu)造探測(cè)的精確度；程久龍等[9]從方法原理、研究現(xiàn)狀、技術(shù)特點(diǎn)和儀器設(shè)備4個(gè)方面總結(jié)了地震方法、直流電法、瞬變電磁法等物探方法在超前探測(cè)的研究進(jìn)展，并提出了掘進(jìn)工作面地球物理方法超前探測(cè)的發(fā)展方向；牟義等[10]采用瞬變電磁法研究了淺埋深采空區(qū)不同線框尺寸、發(fā)射電流、發(fā)射頻率、增益等參數(shù)條件下單支曲線電磁響應(yīng)特征，并將參數(shù)優(yōu)化結(jié)果應(yīng)用到實(shí)際探測(cè)中，提高了采空區(qū)探測(cè)的精細(xì)化程度。

然而，各物探方法都具有優(yōu)劣性，瞬變電磁法雖然在斷層導(dǎo)水性探測(cè)、巷道超前探測(cè)、工作面頂?shù)装甯凰蕴綔y(cè)中應(yīng)用較廣，具有對(duì)低阻體敏感的優(yōu)點(diǎn)，但多集中在淺埋(<100m)地層富水構(gòu)造上，對(duì)于深埋隱伏斷層導(dǎo)水性的探查相對(duì)較差?？煽卦匆纛l大地電磁法(CSAMT)由于使用可控制的人工場(chǎng)源，具有抗干擾能力強(qiáng)、不受高阻層屏蔽等優(yōu)點(diǎn)，在深部地層富水性探測(cè)中有較好的應(yīng)用[11-14]，但在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用不多，對(duì)深埋斷層富水性的響應(yīng)特征研究較少。鑒于此，本文以內(nèi)蒙古某礦井田邊界斷層為研究對(duì)象，在斷層落差大、埋深大條件下，采用CSAMT手段對(duì)井田邊界斷層導(dǎo)水性的響應(yīng)特征進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上，探查了隱伏斷層的導(dǎo)水性，并與瞬變電磁結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)探測(cè)的目標(biāo)，以期為深埋構(gòu)造富水性探測(cè)提供參考。

1 地質(zhì)條件及測(cè)區(qū)概況

1.1 地質(zhì)條件

內(nèi)蒙古某礦井田地質(zhì)由老到新依次為三疊系延長(zhǎng)組(T3y)、侏羅系延安組(J2y)、侏羅系直羅組(J2z)、白堊系志丹群(K1zd)、古近系(E)及第四系(Q)。其中含煤地層為侏羅系延安組，蓋層為白堊系、古近系及第四系；三疊系延長(zhǎng)組為侏羅系含煤巖系的基底。井田內(nèi)2、2下、5、8、15、16、18、19、20、21煤為主采煤層。

DF20斷層位于井田西部邊界，為逆斷層，切穿所有煤層至白堊系，斷層落差大于150m，目前該斷層含導(dǎo)水性暫未探明，采掘期間可能是煤層頂?shù)装搴畬拥闹饕渌ǖ乐唬?煤和15煤位于該斷層的下盤(pán)。F2斷層位于井田東部邊界，為逆斷層，落差大于500m，斷層切穿所有煤層延至白堊系。FD5位于井田南部，西靠DF20斷層，F(xiàn)2斷層，為正斷層，落差0～25m，切割所有煤層。

1.2 測(cè)區(qū)概況

測(cè)區(qū)位于井田南部，井田西部邊界DF20斷層、東部邊界F2斷層及橫貫井田東西的FD5斷層上方。測(cè)區(qū)總體呈一東西長(zhǎng)約2520m、南北寬約480m的矩形，面積1.21km2。CSAMT測(cè)網(wǎng)密度為80m×20m，即線距80m，點(diǎn)距20m，本次勘查采用V8多功能電法儀，測(cè)區(qū)范圍及CSAMT測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 測(cè)區(qū)范圍及測(cè)點(diǎn)布置

1.3 地球物理特征

當(dāng)斷層為導(dǎo)水?dāng)鄬訒r(shí)，因?qū)ǖ辣坏妥璧乃w填充，一般呈低阻異常；與之相反，斷層不導(dǎo)水時(shí)，一般呈高阻異常。高/低阻異常的強(qiáng)度、范圍與斷層的埋深、斷距以及平面展布范圍等因素相關(guān)。DF20、F2這兩條邊界斷層和FD5斷層邊界斷層具有較大的斷距(大于100m)和一定平面展布，與圍巖介質(zhì)有明顯的電性差異，這為以電性差異為前提的可控源音頻大地電磁法提供了良好的應(yīng)用前提。

2 CSAMT、TEM原理及適用性分析

2.1 CSAMT、TEM原理

CSAMT是20世紀(jì)80年代末興起的一種地球物理新技術(shù)，是在大地電磁法(MT)和音頻大地電磁法(AMT)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的人工源頻率域測(cè)深方法?；陔姶挪▊鞑ダ碚摵望溈怂鬼f方程組，可以導(dǎo)出水平電偶極源遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的卡尼亞視電阻率公式：

式中，f為頻率，只要在地面上能觀測(cè)到兩個(gè)正交的水平電磁場(chǎng)(Ex，Hy)就可獲得地下的視電阻率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代表探測(cè)深度?？梢?jiàn)電磁波的探測(cè)深度與頻率成反比，通過(guò)改變發(fā)射頻率即可改變探測(cè)深度，達(dá)到測(cè)深的目的。

TEM是利用一個(gè)不接地的回線源或接地線源向地下發(fā)射脈沖電磁波作為激發(fā)場(chǎng)源，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，脈沖電磁波結(jié)束以后，大地在激發(fā)場(chǎng)的作用下，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生感生的渦流激發(fā)的新磁場(chǎng)(稱為“二次場(chǎng)”)。通過(guò)觀測(cè)和研究“二次場(chǎng)”的空間分布特性和時(shí)間特性，進(jìn)而推測(cè)解譯地層或地質(zhì)目標(biāo)體的幾何和物性特征，從而達(dá)到探測(cè)的目的。

2.2 適用性分析

CSAMT優(yōu)點(diǎn)：人工信號(hào)強(qiáng)度大，抗干擾能力強(qiáng)；分辨率高；工作效率高；勘探深度范圍大，一般可達(dá)1～2km。CSAMT分辨率更高，電磁場(chǎng)信號(hào)更強(qiáng)，對(duì)深部更加敏感。因此，采用可控源音頻大地電磁法對(duì)深埋大落差隱伏斷層的導(dǎo)水性進(jìn)行探查，提高解釋精度和可靠性，進(jìn)而達(dá)到復(fù)雜條件下斷層導(dǎo)水性的精準(zhǔn)探測(cè)。

TEM優(yōu)點(diǎn)：對(duì)低阻體敏感性強(qiáng)，對(duì)水體或低阻巖體的探測(cè)效果好；探測(cè)范圍大，可以實(shí)現(xiàn)從數(shù)十米至上千米的探測(cè)深度，淺部探測(cè)效果尤為突出；地形影響小，測(cè)量簡(jiǎn)單，工作效率高。鑒于此，對(duì)于深埋隱伏斷層的探測(cè)，CSAMT具有較強(qiáng)的適用性。

3 深埋隱伏斷層CSAMT參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

3.1 頻段設(shè)置與參數(shù)選取

此次物探施工探測(cè)的目標(biāo)體埋深較大(300～700m)，因此頻段選擇為5120～4Hz，根據(jù)式(2)，結(jié)合本區(qū)的地層平均電阻率估算，最小探測(cè)深度約為22m，最大探測(cè)深度約為800m，參數(shù)選取合理。

3.2 頻點(diǎn)個(gè)數(shù)選取

CSAMT試驗(yàn)頻段選擇為5120～4Hz，進(jìn)行了20個(gè)頻點(diǎn)和32個(gè)頻點(diǎn)的試驗(yàn)，不同頻點(diǎn)衰減曲線如圖2所示，部分測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。由圖2可知，兩者的曲線基本一致，但更多的頻點(diǎn)能提高探測(cè)結(jié)果的分辨率，因此選用頻點(diǎn)數(shù)為32個(gè)更為合理。此外，低頻數(shù)據(jù)并未出現(xiàn)受“近場(chǎng)效應(yīng)”影響而產(chǎn)生的視電阻率逐漸升高的現(xiàn)象，所有數(shù)據(jù)均位于遠(yuǎn)區(qū)，表明試驗(yàn)收發(fā)距設(shè)置合理。

圖2 不同頻點(diǎn)衰減曲線

表1 不同頻點(diǎn)視電阻率部分測(cè)試數(shù)據(jù)

3.3 疊加時(shí)長(zhǎng)的選取

疊加時(shí)長(zhǎng)分別為20min、30min、40min的疊加時(shí)長(zhǎng)衰減曲線如圖3所示，部分測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。由圖3可知，疊加時(shí)長(zhǎng)為20min時(shí)，由于疊加次數(shù)較少，個(gè)別頻點(diǎn)存在“飛點(diǎn)”現(xiàn)象，數(shù)據(jù)曲線圓滑度較差；疊加時(shí)長(zhǎng)30min和40min的數(shù)據(jù)基本一致，曲線都較為圓滑，考慮到施工效率，選擇的疊加時(shí)長(zhǎng)為30min最為合理。

圖3 不同疊加時(shí)長(zhǎng)衰減曲線

表2 不同疊加時(shí)長(zhǎng)視電阻率部分測(cè)試數(shù)據(jù)

4 現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)結(jié)果分析

4.1 處理方法

測(cè)區(qū)的地層具有一定的傾角，為了使物探成果盡可能真實(shí)的反映實(shí)際地層、構(gòu)造的位置、產(chǎn)狀，采用二維反演對(duì)可控源音頻大地電磁法的資料處理，流程如下：首先對(duì)對(duì)測(cè)點(diǎn)中偏離大、明顯畸變的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑，主要采用多點(diǎn)圓滑濾波處理；其次進(jìn)行近場(chǎng)影響分析，對(duì)有近場(chǎng)附加效應(yīng)的曲線進(jìn)行近場(chǎng)校正；再次對(duì)有受靜態(tài)影響的曲線進(jìn)行靜態(tài)位移校正；最后對(duì)數(shù)據(jù)行反演，并結(jié)合已知地質(zhì)、水文、鉆孔及采掘資料進(jìn)行綜合解釋與推斷。

4.2 探測(cè)結(jié)果對(duì)比

測(cè)區(qū)共有7條可控源音頻大地電磁法測(cè)線，選取0、3和6線視電阻率剖面圖進(jìn)行分析，同時(shí)，將3條線的瞬變電磁(TEM)視電阻率進(jìn)行對(duì)比，在視電阻率斷面圖上，橫坐標(biāo)表示測(cè)點(diǎn)距零點(diǎn)的距離，縱坐標(biāo)為深度，兩種方法的視電阻率剖面如圖4—圖6所示，其中(a)為CSAMT探測(cè)結(jié)果，(b)為T(mén)EM探測(cè)結(jié)果。

圖4 0線視電阻率對(duì)比圖

圖5 3線視電阻率對(duì)比圖

圖6 6線視電阻率對(duì)比圖

由圖4—圖6可知，兩種探測(cè)結(jié)果總體趨于一致，即視電阻率在縱向上整體呈“高阻～低阻～中低阻～低阻”的變化趨勢(shì)，與本區(qū)的測(cè)井曲線基本吻合。然而，CSAMT由于可以更好地反映了煤系地層傾角，煤層上下局部富水性不均，與TEM結(jié)果相比，提高了探測(cè)的精細(xì)化程度。例如，圖4(a)橫坐標(biāo)700～1700m之間(黑色橢圓框內(nèi))，15～21煤處的視電阻率明顯降低，較好的反映了各煤層頂?shù)装宓母凰潭?；圖5(a)橫坐標(biāo)700～1900m之間(黑色橢圓框內(nèi))，在上下低阻富水層之間有相對(duì)高阻層，為復(fù)雜條件下隱伏斷層及煤層導(dǎo)水性探測(cè)提供了參考依據(jù)。探測(cè)結(jié)果總體表現(xiàn)為DF20斷層處的視電阻率整體呈低阻，推斷DF20導(dǎo)水性較強(qiáng)；F2斷層處的視電阻率呈相對(duì)低阻，但視電阻率值高于DF20，因此推斷該斷層的導(dǎo)水性相對(duì)較弱；FD5斷層受左DF20、右F2斷層的控制，即左側(cè)導(dǎo)水性較強(qiáng)，右側(cè)導(dǎo)水性相對(duì)較弱。

根據(jù)地質(zhì)資料，將平面圖上視電阻率小于12Ω·m大于11Ω·m的區(qū)域劃為富水區(qū)(邊界為藍(lán)色線)，視電阻率小于11Ω·m大于10Ω·m的區(qū)域劃為較強(qiáng)富水區(qū)(邊界為黃色線)，視電阻率小于10Ω·m的區(qū)域劃為強(qiáng)富水區(qū)(邊界為紅色線)。由圖7可知，整體上看8煤的富水性最強(qiáng)，21煤次之，15煤和18煤再次之，這跟測(cè)區(qū)的煤層處于8煤頂板砂巖含水層和21煤底板砂巖含水層這兩個(gè)含水層之間的“三明治”地層結(jié)構(gòu)有關(guān)。

圖7 煤層順層視電阻率平面對(duì)比圖

5 結(jié) 論

1)基于CSAMT和TEM探測(cè)原理，分析了CSAMT和TEM在地球物理勘探中的優(yōu)缺點(diǎn)，得出CSAMT具有分辨率更高、電磁場(chǎng)信號(hào)更強(qiáng)、對(duì)深部更加敏感的優(yōu)點(diǎn)。采用可控源音頻大地電磁法對(duì)深埋地層隱伏斷層的導(dǎo)水性進(jìn)行探查，可提高解釋精度和可靠性，達(dá)到深埋隱伏斷層導(dǎo)水性探測(cè)的目的。

2)考慮探測(cè)地層埋深較大(300～700m)，進(jìn)行了CSAMT現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)，獲得了深埋地層探測(cè)頻段、頻點(diǎn)和疊加時(shí)長(zhǎng)的合理參數(shù)，即頻段選擇為5120～4Hz，頻點(diǎn)數(shù)為32個(gè)，疊加時(shí)長(zhǎng)為30min。

3)通過(guò)對(duì)比TEM和CSAMT探測(cè)結(jié)果表明，CSAMT可較好地反映出煤系地層傾角變化和局部富水程度，提高了探測(cè)的精細(xì)化程度。兩者結(jié)果整體趨于一致性，即DF20導(dǎo)水性較強(qiáng)，F(xiàn)2斷層處的導(dǎo)水性相對(duì)較弱，F(xiàn)D5斷層受左DF20、右F2斷層的控制，左側(cè)導(dǎo)水性較強(qiáng)，右側(cè)導(dǎo)水性相對(duì)較弱。整體來(lái)看，煤層富水性程度依次為8煤>21煤>15煤和18煤。