可控源音频大地电磁法在千米深煤层防治水中的应用
摘 要：唐口矿井煤层埋藏深达千米，地质及水文地质条件较复杂，为查明矿井各含水层的富水性和含水构造的发育情况，在三维地震勘探的基础上，进行可控源大地电磁法勘探，取得了良好的效果，为生产提供了保证。
关键词：电磁；勘探；构造；富水性
1 矿井地质及水文地质概况
唐口矿井煤层深达千米，生产水平为-990m。矿井内含（隔）水层自上而下主要有第四系砂及砂砾层含水层和粘土、砂质粘土类隔水层，上侏罗统岩浆岩及砂岩含水层及泥岩、粉砂岩隔水层，二叠系石盒子组隔水层，山西组3煤层顶、底板砂岩含水层，太原组第三、第十层灰岩含水层及奥陶系灰岩含水层，本溪组隔水层等。目前矿井主要开采3煤层，在生产中主要受3煤顶底板砂岩、底板三灰及奥灰等含水层的影响。
1.1 3煤层顶底板砂岩含水层
3煤层顶底板砂岩含水层厚10～90m，平均50m，以中细砂岩为主，局部夹有粉砂岩，精查勘探期间有92个孔穿过，3个孔漏水，漏水孔率为3.3%，抽水试验单位涌水量为0.0083L/s.m。根据钻孔资料及井下揭露资料分析，3煤层顶底板砂岩是3煤开采过程中的主要充水水源，其富水性相对较弱，补给差，容易疏干，但局部地段富水，静水量大，对采掘工作面有一定的影响。
1.2 太原组第三层石灰岩含水层
三灰位于3煤层底板以下52.7～89.4m，平均间距73.3m，厚5.2m。根据抽水试验，三灰水位标高+36.07m，单位涌水量为0.00073～0.01032L/s·m，富水性弱，但煤层埋藏深，三灰原始水压高，局部地段三灰富水，因此不排除三灰水沿构造薄弱带出水的可能。
1.3 中奥陶统灰岩含水层
根据勘探期抽水试验资料，在嘉祥断层和嘉祥支三、支二断层之间块段，奥灰充水空间发育，抽水试验单位涌水量为0.1575L/s.m，富水性中等；矿井内大片地区富水性弱。
1.4 其它地质条件
矿井东以济宁断层为界，西以嘉祥断层为界，两断层附近附生大量的断层，部分落差较大的断层造成3煤局部与对盘的奥灰对接，边界附近地质及水文条件较复杂。且矿井生产中曾揭露过陷落柱，由于该陷落柱不具含导水性，未造成水害事故。因此，在矿井生产中须尽可能地查明断层及陷落柱等构造的含水性，为生产提供准确的资料。可控源音频大地电磁法就是与三维地震结合，根据三维地震解释的构造情况，查明各含水构造的发育情况，为生产提供依据。
2 可控源音频大地电磁法基本原理
由于矿井主要可采煤层3煤及奥陶系灰岩顶界面埋藏较深，采用对低阻反映灵敏、分层明显的可控源音频大地电磁法（CSAMT法）进行平面控制，能较准确地查明测断层、陷落柱的导水性及主要含水岩层的富含水情况。
可控源音频大地电磁法是以有限长接地导线为场源，在距偶极中心一定距离（r）处同时观测电、磁场参数的一种电磁测深方法。采用赤道偶极装置进行标量测量，同时观测与场源平行的电场水平分量EX和与场源正交的磁场水平分量HY。利用电场振幅EX磁场振幅HY计算阻抗电阻率ρS、电场相位EP和磁场相位HP，计算阻抗相位φ。阻抗电阻率和阻抗相位联合反演计算反演电阻率-深度参数，利用反演电阻率——深度资料进行地质解释。
CSAMT法是轻便快速的地球物理勘探方法，一次发射可完成3个点的频率测深，一次布极可完成几十个平方公里的面积测量，工作效率高，不受地形影响。可以实现电阻率的快速、自动采集，并可在现场进行数据实时监控，改变了电法勘探传统的工作模式，减轻了劳动强度，提高了资料采集的质量。CSAMT法具有如下的一些特点：
（1）使用可控制的人工场源，信号强度比天然场要大得多，因此可在较强干扰区的城市及城郊开展工作。
（2）基于电磁波的趋肤深度原理，利用改变频率进行不同深度的电测深，大大提高了工作效率，减轻了劳动强度，一次发射，可同时完成七个点的电磁测深。
（3）勘探深度范围大，一般可达1～2km，横向分辨率高，可灵敏地发现断层或富水异常。
（4）由于接收机在接收电场的同时还要接收磁场，因此高阻屏蔽作用小，可穿透高阻层。
3 工作方法
根据矿井的地质条件特点，野外试验工作的重点放在发射频率和发送电流大小的选择上，同时进行电磁干扰信号的调查。工作勘探线布置要求其垂直于区内地层或构造走向，并尽量穿过已知钻孔，测网布设采用点距40m，线距80m，最终形成40m×80m的测网，地震中间资料出来后，再针对探明的主要构造进行加密探测。
发射和接收的频率变化系列为2n系列和2/3*2n系列中间再插入4个频率，频率变化范围从9600～0.0077Hz。通过法试验，使用频率为9600～1Hz，共54个频点。收发距r的选择，既要考虑克服近场的影响，又要考虑接受的信号足够强，通过实验，r距选择为4～6.5km，保证了探测1km的深度要求。
供电电流的选择，由于工作区内的表土为沙质壤土，电阻率较高，接地条件不好，所以采用了挖大坑、浇盐水的方法，使供电电流保证在20A以上。
4 资料解释
本区的电性从区域上基本可分为三大类：新生界、侏罗系、石炭二迭系、奥陶系灰岩。新生界地层的平均电阻率约为20m；侏罗系平均电阻率约为30m；石炭二叠系砂泥岩地层加煤层平均电阻率约为50m；奥陶系灰岩地层平均电阻率大于150m。断层的电阻率不仅取决于断层落差的大小，更取决于断层破碎带宽度、含水量和水溶液矿化度。一般来说，含水断层和岩层的电阻率远小于不含水断层和岩石的电阻率，这也是电法评价断层、含水岩层富水性的物理依据。
对野外采集的数据首先进行剔野值、去噪、滤波及校正处理，然后进行反演成像处理，得到每条测线反演的电阻率剖面数据，用分等级彩色图显示电阻率的结果，绘制了各测线处理后的断面图，通过断面上的视电阻率变化情况，分析各构造的含水性（如图1）。
从图1可分析，该断面上发育有济宁断层、DF138、DF139断层，济宁断层和DF138断层间有一明显低阻异常，纵向发育较深，且靠近济宁断层，易形成导水通道，另外，上盘3煤底板几乎快与下盘奥灰顶相对接，煤层开采时必须高度注意，做好防治水工作。
图1 测线视电阻率断面图
然后由各断面图的数据构成了一个三维数据体，从该数据体中就可以根据煤层埋深的三维地震的成果，插值提取出3上煤底板、6煤底板、16煤底板、奥灰顶界面深度的电阻率数据。从而可以得到3上煤底板、6煤底板、16煤底板、奥灰顶界面的电阻率曲面图。图2是3煤层顶底板富水异常分布图。
图2 3煤顶底板富水异常分布图
从图2可以分析，3煤顶底板砂岩在边界断层济宁断层附近富水性相对较强，其他地方富水性相对一般，生产中必须留足防水煤柱，并按规定进行探放水。
5 勘探成果分析
根据勘探资料综合分析：矿井内新生界视电阻率较低，为含水地层，煤系地层视电阻率较高，变化也比较剧烈，反映煤系地层富水性不均一，构造发育也是造成视电阻率曲线扭曲变化的一个重要因素；煤系地层的基底奥灰视电阻率最高，但局部地段奥灰顶部附近视电阻率较低，反映出奥灰顶部局部地段岩溶或裂隙发育。
采用可控源音频大地电磁法（CSAMT）进行勘探基本上查明了电法勘探范围内各煤层特别是3煤、6煤、16煤、奥灰及边界断层的富水情况，是CSAMT法与三维地震勘探实现了合理组合，取得了较好地地质解释成果，为矿井的安全生产提供了保证。
作者简介：蔺成森（1986，12-），男，毕业于山东科技大学地质工程本科专业，助理工程师，现任山东唐口煤业公司地测科技术员。