龜茲礦業老空區積水勘探技術研究

劉 濤 朱 偉

（新疆龜茲礦業有限公司，新疆 庫車 842000）

新疆龜茲礦業設計生產能力為3 萬t，可采煤層 5 層，首采煤層為A6 煤層，平均煤厚為3.02 m，煤層傾角3°～20°。煤層賦存比較簡單，適合機械化開采。區內主要含水層為下侏羅統塔里奇克組含水層，單位涌水量為0.097 L/s·m，滲透系數為0.268 m/d，為弱富水性含水層。為了提高煤礦生產的安全性，計劃對區域內老空區積水情況進行勘探，但傳統的高密度電法剖面測量效率低、精度差，難以滿足快速探測的需求。

龜茲礦業將無人機飛控測量和瞬變電磁測量進行有機結合，對半航空測瞬變電磁測量設備、測量流程和應用情況進行了分析。新探測技術的總均方相對誤差減少了11.4%，探測速度比傳統方案提高了2.1 倍，極大地提升了龜茲礦的勘探效率和精確性。

1 半航空測瞬變電磁法裝備分析

為了滿足對大范圍區域進行快速探測的目的，增加探測的效率和可靠性，龜茲礦業本次測量采用了半航空測量的方式，由BG-ME100 無人機飛行系統和電性源瞬變電磁系統構成。電性源瞬變電磁系統包括了發射系統（包括EMT6000 發射機和HJD25000T 大功率發電機）和TEM31 機載瞬變電磁接收系統[1]（其等效面積為3200 m2，繞線200 匝），BG-ME100 無人機飛行系統為純電動8 旋翼無人機，巡航速度大于10 m/s，爬升率大于2 m/s，巡航精度達到了±0.5 m/s。

半航空測量法以電磁發射機向鋪設在地面上的長導線發射給定頻率的電流，在其中激發出特定的電磁場，然后利用安裝在航空器上的接收吊艙來接收電磁場在不同方向、不同相位上的分量，根據對其分布情況的解析來確定探測區域內的水文分布情況。半航空測量法具有磁場分布強、探測均勻性好的優點。

該探測方式能夠利用無人飛行器快速到達測量地點進行測量，解決了傳統測量方案在復雜地形條件下人工現場測試勞動強度大、安全性差的不足。航空測量的方式能夠實現對測量區域的快速、多次測繪，提高測繪精度，很好地適應了野外復雜地形條件下的快速測繪需求，具有很高的靈活性。

2 半航空測量流程分析

2.1 觀測系統部署方式

野外工作采用長直導線AB 接地發射，在AB兩側近似平行2000 m 范圍內進行短偏移距范圍內多測線同時進行數據采集。電性源短偏移距瞬變電磁具有對有限導體的探測能力強、附加效應小、探測深度大等優點，在磁性源瞬變電磁發射框難以部署的復雜地形工區具有很好的地形適應能力，在人文電磁干擾較強的復雜礦區具有很好的抗干擾能力[2]。共41 條測線共26.398 km，測量線距50 m 點距8 m（3441 點），AB 發射導線長度783 m 布設在河灘以東距離L41 測線偏移距480 m 處，CD 發射導線長度518 m 布設在測區西邊距離L1 測線偏移距300 m 處。

2.2 礦區坐標校正

在施工之前由礦方技術人員帶領項目施工人員在電線桿5 和電線桿4 兩處已知控制點進行儀器坐標校正。現場采用GAR 米IN etrex209 手持GPS[3]和TEM31 機載瞬變電磁接收機同時在控制點進行坐標采集，經計算得本工區適用參數見表1 和表2。

表1 GARMIN etrex209 型手持型GPS 各控制點采集三組數據求平均值后結果

表2 TEM31 機載瞬變電磁儀各控制點采集三組數據求平均值后結果

經計算，兩型號儀器（采集的CGCS2000 坐標系坐標）在工區內坐標轉換參數為：GARMIN extrex209 手 持GPS 在 工 區 三 參 數 為：delta_x=73.95571355,delta_y=251.9096024;delta_z=32.35；TEM31 機載瞬變電磁儀在工區三參數為：delta_x=74.36903904，delta_y=245.0001166，delta_z=-1.15。

2.3 發射源布置

為了確保發射源布置的精確性，在區域內設置四個接地電極[4]，每個接地電極坑挖掘土方體積約1.5 m×1 m×1.5 m。為保證良好接地效果，在完成挖掘后坑底墊上細土使其平整松軟，采用6 mm2銅導線接頭接好1.2 m×1 m×1 mm 厚鋁箔鋪設于坑底，鋁箔上蓋上約20 cm 厚細土，再倒入50 L 飽和鹽水，待鋁箔上下表面與土壤耦合好后繼續填土，人員進入坑內踩踏壓實坑內土壤，再繼續填土使其恢復開挖前般平整。四個接地電極布置坐標點見表3。接地電極坐標點的確定需要采用GAR 米IN etrex209 手持GPS 布設，該型號手持GPS 有較強信號接收性能，工作前通過實地測量校正求得GPS 的各項參數，其在水平和垂直方向上的定位精度均達到了0.2 m。

表3 發射源接地電極布設坐標

在進行發射源布置時，6 mm2銅線材質的發射導線在放線時由測量人員前面引導方位后面人跟隨進行放線，以保證AB 和CD 按設計要求的0°方位進行比值布設。

2.4 瞬變電磁探測施工參數

為了提高探測效率、降低探測成本，項目根據“節能低碳、安全、有效”工作原則，從汽油燃料成本、發射機長期穩定工作、高分辨率探測方面綜合考慮調節發射電流至8.1～8.7 A 進行持續發射工作，疊加次數設置為16 次（保障機載瞬變電磁儀每秒保存1 個測點數據），發射基頻依據以往工作經驗設置為25 Hz，增益設置為4，飛行航速8 m/s，飛行高度100 m。在探測時瞬變電磁施工參數見表4。

表4 瞬變電磁施工參數匯總表

3 探測結果分析

項目組于2022 年04 月10 日進入施工駐地開展踏勘、瞬變電磁接地發射源AB 的布設，4 月11日進行試飛，4 月12 開始數據采集，4 月14 日完成半航空瞬變電磁野外數據采集。將獲取的測量數據進行處理形成區域探測視圖。根據工區地形地質圖與測線關系知由于本次航線設計方位與已知地質勘探線方位相同都為0°，2 號地質勘探線在L26與L27 測線之間，2 號地質勘探線與L26 的疊合如圖1，2 號地質勘探線與L27 的疊合如圖2。

圖1 2 號地質勘探線與L26 測線疊合分析

2 號地質勘探線剖面圖和L26、L27 測線疊合分析，測線視電阻率斷面圖對應的地層自上而下分別是：第四系上更新統風積層、侏羅系下統塔里塔里奇克組上段、侏羅系下統塔里塔里奇克組下段。煤層主要分布在侏羅系下統塔里塔里奇克組下段，分別是A6、A5、A3、A2。

疊合分析發現，燒變巖界限以上部分總體呈現出低電阻率特征，視電阻率范圍20～800 Ω·m，圍巖視電阻率范圍900～4000 Ω·m。由于A6、A5、A3 采掘完成后進行了抽干水和放頂（垮落法治理采空區），使用斜鉆對西側煤層采掘工作面上下煤層進行導通，排水至礦區西側泄水巷道引流至西南角水倉，水倉內水由南部的東西向泄水巷道進行引流至礦區東南側水倉抽排出礦井。煤層已開采區域放頂后煤層頂板垮塌形成松散堆積，堆積體存在賦水但未形成積水，圍巖呈現出低電阻率特征（500～1500 Ω·m，圍巖視電阻率范圍1700～3500 Ω·m），采掘工作中局部保留保安煤柱呈現高電阻率特征（視電阻率范圍4000～6000 Ω·m）。本次瞬變電磁物探檢查點采用同一測點、相同發射源和參數、不同時間觀測的方法，總均方相對誤差為5.4%，傳統測試方案的總均方相對誤差為6.02%，因此其測試誤差比傳統方案降低了11.4%。新方案的測試周期為3 d，而傳統的高密度電法剖面測量整個周期需要6.3 d，新方案的測試速度比傳統高密度電法剖面測量提高了2.1倍，有效提升了礦區地質勘探的效率和精確性。

4 結論

提出了一種新的老空積水快速探測技術，根據實際應用表明：

1）半航空測量由BG-ME100 無人機飛行系統和電性源瞬變電磁系統構成，靈活性高，可靠性好；

2）礦區坐標校正時采用GAR 米IN etrex209 手持GPS 和TEM31 機載瞬變電磁接收機同時在控制點進行坐標采集，具有操作簡單、定位精度好的優點；

3）新探測技術的總均方相對誤差減少了11.4%，探測速度比傳統方案提高了2.1 倍。