综合物探方法在煤矿水文地质勘查中的应用

汤金柜

（贵州省地质矿产勘查开发局114地质大队，贵州 遵义 563000）

煤矿水文地质勘查可以初步查明矿区内主要含水岩溶裂隙发育带的分布位置及深度、采空区积水情况，为预防和避免矿坑涌水事故提供初步依据[1-3]。贵州省某煤矿位于上扬子地台大娄山背斜南翼，构造以褶曲为主。本次物探在测区共布置了高密度电测深法剖面5条（点距10 m，剖面总长6.5 km），可控源音频大地电磁法剖面3条（点距50 m，剖面总长5.8 km）。

由新至老，该煤矿矿区内及附近出露地层有第四系（Q）、三叠系下统夜郎组（T1y）、二叠系上统长兴组（P3c）、二叠系上统龙潭组（P3l）、二叠系中统茅口组（P3m）。根据以往的物探成果及测井资料，测区内各岩组的电阻率相对大小如表1所示。三叠系下统夜郎组（T1y）分为沙堡湾段（T1y1）和玉龙山段（T1y2）。积水采空区电性层为低阻体，未积水采空区为高阻体。

表1 煤矿地层电性特征

2.1 方法原理

高密度电测深法具有电阻率测深法和电阻率剖面法的双重功能[4-7]。其中，电阻率测深法测量原理是保持测点不动，不断改变电极距进行多次观测，随着供电电极的逐步增大，电流场逐步加深变广，通过观测视电阻率的变化，了解测点下部地下介质在垂向上的电阻率变化；
电阻率剖面法测量原理是保持供电电极及测量电极的距离不变，几个电极同时沿测线逐点移动，观测视电阻率的变化。它可以了解沿测线左右一定范围及向下某一深度范围内在测线方向上地下介质电阻率的变化。

可控源音频大地电磁法（CSAMT）是一种电磁测深法，针对大地电磁测深法场源随机性、信号微弱和观测困难的缺点，改用人工控制场源，以获得更好的探测效果[8-9]。它通过改变发射源的发射频率达到测深目的，通过测量相互正交的电场和磁场分量计算卡尼亚视电阻率。视电阻率的计算公式为

式中：ρ为视电阻率；
f为工作频率；
Ex为电场分量振幅；
Ey为水平磁场分量振幅。

CSAMT法采用的人工场源有磁性源和电性源两种。本次物探采用的电性源是在有限长（1～3 km）的接地导线中供以音频电流，产生相应频率的电磁场。电性源CSAMT法收发距长，因而探测深度大（通常可达2 km）。CSAMT法一般要求场源和测深点的距离达到3～5倍的趋肤深度，在平行于场源中垂线两边张角各30°的扇形区域内逐点观测电场分量和与之正交的水平磁场分量振幅和相位，进而计算卡尼亚视电阻率和阻抗相位。在音频范围内逐次改变供电频率，完成频率测深观测。趋肤深度的计算公式为

式中：δ为趋肤深度；
ρ均为测区内预期的平均电阻率；
f为工作频率。

2.2 技术参数设定

高密度电测深法使用了施伦贝尔排列。从主要技术参数来看，测量电极距为10 m，供电电极距为15～700 m，供电电压为400 V，供电时间大于500 ms。可控源音频大地电磁法采用横磁波（TM）标量测量模式，发射偶极布设在测区北边约10 km的黄泥堡、顾家码头附近，电偶极子与测线方向一致。收发距分别为9.4 km、10.2 km，接收偶极矩为50 m，发射偶极矩为1 208 m；
最低工作频率为1 Hz，最高工作频率为8 192 Hz；
发射电流为5～16 A。

2.3 资料处理

高密度电测深法数据进行100%的检查复核，删除个别畸变点，再进行反演和成图。本次物探资料的图示采用多种方式。可控源音频大地电磁法的数据采用SCS2D软件进行一维、二维圆滑模型反演。CSAMT数据处理流程如图1所示。

图1 CSAMT数据处理流程

一是数据编辑。对野外采集的数据进行整理，剔除干扰或者无用的数据，利用专业软件生成数据处理所需的文件格式。二是删除畸变点。在SCS2D软件中，再一次对畸变点数据进行直接删除。三是一维、二维反演。采用专业软件，对CSAMT数据进行一维、二维反演。该程序自动生成背景模型断面，对反演拟合参数进行多次拟合迭代，最终生成不同深度的拟电阻率断面模型。四是绘制一维、二维反演拟电阻率断面图。利用专业成图软件将程序生成的模型电阻率断面转换成Surfer网格化文件，经软件自动生成电阻率断面图，以dxf文件格式输出，最后将其转换为CAD格式成图。

该煤矿采用高密度电测深法与可控源音频大地电磁法对二采区进行物探。根据地层电性特征，本测区探测的目标体（岩溶发育带、充水采空区）为低阻体，因此低阻异常为有用异常。在视电阻率断面图中，总体来看，视电阻率不大于300 Ω·m的等值线反映了低阻异常的存在。因此，低阻异常区大致以视电阻率不大于300 Ω·m的等值线确定，对局部电阻率偏高或偏低的位置进行适当调整。本次物探工作的目的是查明二采区范围内煤矿采空区情况和含水岩溶裂隙的分布位置，因此物探解释工作围绕二采区范围内低阻异常进行。

3.1 测线1

物探测线315～493 m的位置存在一个向大号端倾斜的低阻带，推测其为岩溶裂隙发育带；
测线631～691 m的位置存在一个向小号端倾斜的低阻带，推测其为岩溶裂隙发育区；
测线783～821 m的位置有低阻封闭圈，且与下部低阻有连通趋势，推测其为岩溶裂隙发育区。结合这三处低阻异常形态与地表观测到的地裂缝，推测测线913 m以东为采空区（积水），三处岩溶裂隙发育带均由采空区垮塌引起。测线929～1 019 m的位置有一个带状低阻异常，推测其为岩溶裂隙发育区。

3.2 测线2

物探测线170～282 m的位置存在一个开口向上的低阻异常，推测其为岩溶裂隙发育区；
测线282～473 m的位置浅部有封闭低阻异常，但发育规模较浅，对二采区煤矿影响不大；
测线652～770 m的位置存在一个向下贯通的低阻异常，推测其为岩溶裂隙发育区；
测线793～939 m的位置存在一个低阻封闭圈，推测其为岩溶裂隙发育区。结合整个反演断面图低阻异常形态，推测测线915 m以东为采空区（积水）。

3.3 测线3

物探测线57～270 m的位置存在一个开口向上的低阻异常，推测其为岩溶裂隙发育区；
测线350～442 m的位置有一个带状低阻异常，推测其为岩溶裂隙发育区；
测线761～1 071 m的位置存在一个贯通地表的封闭低阻圈，推测其为岩溶裂隙发育区；
测线1 130 m附近存在一个贯通低阻带，推测其为断层破碎影响带。

经推测，在一定深度内，该煤矿二采区测线1、测线2以东均存在采空区引起的岩溶裂隙发育，测线3附近有断层发育，其为正断层，向东倾斜，倾角为73°左右。整个二采区灰岩岩溶裂隙比较发育，分布有多处岩溶裂隙发育区。因二采区茅口灰岩埋深较大，部分测线仅中心区域探深达到茅口灰岩，个别测线完全没有测到茅口灰岩。可测范围的物探结果显示，茅口灰岩岩溶裂隙发育一般。

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