张思远

（山西霍尔辛赫煤业有限责任公司，山西 长治 046699）

近年来水害依然是制约煤矿安全开采的主要因素之一。水害探测的主要方法有地质雷达、高密度电法、地震反射、电磁法等[1]，每种方法各自具有其优缺点，在埋深400 m 以内查找水害基本用瞬变电磁和可控源音频大地电磁法。肖勇[2]等通过CSAMT 法研究构造及地层的含水及富水特征；王如喜[3]将CSAMT 法应用于水工环地质调查；刘森[4]将CSAMT 法应用于青海省木里煤田，进行找煤效果研究；范剑[5]将CSAMT 法应用探测沈白铁路大安隧道岩体风化程度、完整性及断层发育情况；刘欢[6]等将CSAMT 测深法探查佛峪口-黄柏寺断裂。本文将CSAMT 法在霍尔辛赫煤业西三采区进行试验，对F99 断层富水性进行探测。

1 方法原理

可控源音频大地电磁法（CSAMT），它是基于AMT 法的人工源频率探测方法，能够人工控制观测电磁场的频率范围、方向及场强，是利用观测一次场电位以及磁场强度变化特征，用于研究岩石之间电导率差异。

视电阻率ρs计算公式：

根据电磁波的趋肤效应理论，导出了趋肤深度公式：

式中：H 为探测深度，m；ρ 代表地表电阻率，Ω·m；f 代表频率，Hz；E 为电场强度，N/C；H 为磁场强度，A/m。

从（2）式可知，当地表电阻率固定时，电磁波传播深度和发射频率互成反比例关系。高频探测距离短，低频探测距离远。可以通过改变发射频率来改变探测深度，从而通过变化频率实现测量不同深度的目的。

2 施工装置及主要参数选择

2.1 施工装置选择

CSAMT 测量包括张量、矢量和标量的三种方式，常用标量测量方式。标量（2 个分量）能测量简单层状介质，标量CSAMT 测量是否成功，取决于场源、方位的选取、采集密度。

根据地形及构造特征，本次选择标量CSAMT方式。它是把观测区域布置在梯形区域（如图1 所示），梯形的上底边为AB 发射偶极，收发距应至少大于三倍的趋肤深度，测线相互平行于AB，测线长度在梯形内。

图1 CSAMT 测量布置示意图

2.2 施工参数选择

（1）收发距r

CSAMT 法由于采用人工场场源，采集数据时既要避免收发距r 太小过早进入近区，又要避免因r 太大引起信噪比降低，无法保证探测精度。为充分协调二者关系，r 应同时满足公式（3），即同时满足远区和探测精度要求。

式中：r 为收发距，m；H 为探测深度，m；I为发射电流，mA；AB 为供电偶极长度，m；ρ1为地表电阻率，Ω·m；θ 为r 与AB 之间的夹角，°；Emin为接收机能观测到的最小信号，mV。

（2）发射偶极距AB

发射偶极距AB 相对收发距要足够小，一般取收发距的1/5～1/3。假如AB 较大，具有较好的低频特性，反之具有较好的高频特性。由于低频探测距离较远，因此在探测较深时选择较大发射偶极距，反之亦然。

（3）测量电场的电极距MN

测量电场的电极距MN 相对收发距要足够小，一般小于收发距的1/10。MN 太大会造成分辨力较低但工作效率相对较高，因此在探测较深时选择较大MN，探测较浅时选择较小MN，一般为20 ≤MN ≤50。

（4）频率段的选择

野外探测一般先进行全频段试验，发射偶极AB 布设好之后，根据试验曲线选取频率范围。高频点附近曲线开始出现蹦跳现象，尾支曲线一般在20 Hz 附近按45°角上升。根据选择尾支45°角上升4 到5 个点的频率的截止原则，对测点数据进行简单反演计算，要求反演深度超过最大测深。

3 建模及反演

3.1 建立地质模型

正演计算是频率域电磁测深理论分析和实际资料处理解释的基础。根据霍尔辛赫煤业西三采区地质断面图及测井曲线建立场地模型，对L7 线进行了大地电磁二维正演模拟。设定第四纪电阻率为40 Ω·m，煤系地层砂泥岩电阻率为75 Ω·m，煤层电阻率为400 Ω·m，煤层底板砂岩电阻率150 Ω·m，奥灰电阻率为1000 Ω·m，寒武系地层电阻率为600 Ω·m，F99 断层落差50 m，F98 断层落差20 m，DF15、DF13 断层落差10 m。图2 为5 煤顶板不含水场电模型，图3 为5 煤顶板含水场电模型。

3.2 反演计算

测量的磁场、电场曲线与地下的地电结构是一种复杂的非线性关系，需进行视电阻率计算和时深转换获取深度、视电阻率相关关系，研究视电阻率随深度的变化关系，进而研究异常的属性。图4 是L7 线5 煤顶板不含水正演模型反演成果图，图中可以看出F99 断层响应较明显，F98、DF15、DF13 断层的响应不是很明显，可以得知CSAMT 对大断层有较好的响应。图5 是L7 线5 煤顶板含水正演模型反演成果图，从图中可看出断层响应不明显，但对水平响应非常明显。

图2 5 煤顶板不含水场电模型

图4 5 煤顶板不含水场电模型反演

图5 5 煤顶板含水场电模型反演

4 应用实例

4.1 地质概况

霍尔辛赫煤业西三采区5#煤层为测区内主要可采煤层，总体上为一走向近东西、倾向北的单斜构造，煤层倾角不超过5°，局部地段受断层影响最高达到16°。测区内主要大断层为F99 断层，落差约50 m。本次探测测点间距40 m，收发距8000 m，探测主要目的是探查F99 断层富水情况。

4.2 处理解释

外业施工结束后，及时对相应的原始记录、班报和原始数据进行整理、归类，建立外业施工数据库。CSAMT 法测量记录的原始资料为电道的电位差幅值和相位，以及磁道的幅值和相位，通过公式计算视电阻率和相位。一旦资料合格后，即可进行CSAMT 资料的再处理，野外原始资料预处理采用CSAMT-PRE 软件完成, CSAMT-PRE 软件集剔除飞值、曲线圆滑、去噪、静校正为一体的CSAMT 预处理软件，CSAMT 实测数据进行点位校对、空间属性建立后进入预处理系统。

CSAMT 资料的解释以定性解释为主，同时进行半定量解释。资料解释是建立在资料处理后的频率—电阻率、相位断面图、电阻率断面图的基础上。首先对测区进行整体分析，并对较大的电性异常区域进行大概的分类；其次对反演电阻率断面图进行分析，着重分析地质异常体的平面位置及范围；最后综合圈定富水区域。

4.3 试验结果

对探测数据进行反演，结合地质、水文、钻探资料进行地电特征分析，结合本区的地球物理特征，对获得的资料进行地质解译，获得如图6 所示L7 线深度-电阻率综合解释图。图中横坐标为测线距离，m，纵坐标为高程，m，等值线为反演电阻率的对数，单位为log10 Ω·m。图中F99、F98 断层附近电阻率呈现明显变化，F99、F98 断层在测线700～1200 m 范围5 煤层附近有明显低阻区域，探测表明富水性较强。

图6 L7 线深度-电阻率综合解释图

5 结论

（1）可控源音频大地电磁法收发距要大于3～6倍探测深度，且同时满足大于3～5 倍发射偶极距和大于10 倍测量电场的电极距。

（2）区域大富水断层在可控源音频大地电磁法探测中呈现明显的低阻特性。