多激勵源地空瞬變電磁法在煤礦隱蔽災害探測中的應用

孫海川，王文忠，劉 磊，王亞峰，張鵬寧，邵程龍，施望科，徐 劼，魏代杰

（甘肅煤炭地質(zhì)勘查院，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

煤礦隱蔽致災因素主要包括采空區(qū)積水、底板承壓水、陷落柱、煤與瓦斯突出、煤層自燃、封閉不良鉆孔等[1]，其中采空區(qū)積水是較為常見，對煤礦生產(chǎn)安全影響較大的因素。因此，超前、精細查明影響煤礦安全生產(chǎn)的隱蔽致災因素尤為重要，物探是實現(xiàn)該目標的重要手段之一[2]。瞬變電磁法作為一種重要的物探方法，以分辨力高、體積效應小等優(yōu)點廣泛用于資源勘查、礦山采空區(qū)、小窯積水勘探中[3]。本次以甘肅省白銀市H礦區(qū)為例，參考鄰區(qū)常規(guī)瞬變電磁探測效果并結(jié)合勘查區(qū)實際，采用多激勵源地空瞬變電磁法開展勘查工作，探測結(jié)果成功圈定了采空區(qū)積水的分布范圍，為礦井安全生產(chǎn)提供了保障。

1 多激勵源地空瞬變電磁法工作原理

多激勵源地空瞬變電磁方法，即在地面采用多個不同位置的電性源同時發(fā)射，在空中采用無人機掛載線圈接收磁場對時間的導數(shù)或采用磁探頭接收不同方向的磁場實現(xiàn)高密度數(shù)據(jù)采集。發(fā)射端調(diào)整源的位置、發(fā)射電流來削弱噪聲以增強信號強度，并減少體積效應的影響，進而提高探測深度及分辨率，達到實現(xiàn)精細地質(zhì)勘探的目的。該方法相較于傳統(tǒng)瞬變電磁法，能顯著提高野外工作效率及探測分辨率[4]。

2 勘查區(qū)概況

2.1 地質(zhì)特征

（1）地形地貌。H 礦區(qū)區(qū)位于靖遠礦區(qū)紅會一礦井田南部，地處平川區(qū)共和鎮(zhèn)境內(nèi)，大部分為第四系沖洪積層覆蓋的灘地，地勢開闊，相對平坦，從東北至西南緩緩降低，平均海拔1800m。

（2）地層。區(qū)內(nèi)地層自下而上包括：上三疊統(tǒng)延長群（T3yn），中侏羅統(tǒng)窯街組（J2y）、新河組（J2x），第四系（Q）。

（3）構(gòu)造。馬家寬溝向斜軸從礦區(qū)東部由北至南穿過，礦區(qū)大部分處于向斜西翼。

（4）含煤地層及煤層。含煤地層為窯街組，巖性為中、粗粒砂巖、砂礫巖及粉砂巖夾煤層，屬河湖沼澤相沉積，與下伏地層呈假整合接觸。1 煤層為井田內(nèi)主要可采煤層，埋深260～370m，平均300m；煤層底板標高1430～1520m。煤層傾角較緩為2°～17°，平均傾角6°。煤層真厚為6～26m，平均10.4m。

2.2 地球物理特征

礦區(qū)地層相對穩(wěn)定，瞬變電磁曲線基本為H 型[5]，結(jié)合區(qū)內(nèi)地質(zhì)資料，得出了本區(qū)地層電性特征，如表1所示。

表1 地層電性特征

3 數(shù)據(jù)采集及資料處理

3.1 數(shù)據(jù)采集

物探測線在礦區(qū)北西南三面重點區(qū)域布設，共布置18 條，線距20m，點距10m。采用地空瞬變電磁工作裝置，發(fā)射源為接地長導線源，電極使用鋁板與鋼釬并聯(lián)。工作電流20A，發(fā)射波形為25Hz 的方波。接收系統(tǒng)為無人機搭載接收機和線圈進行采集，連續(xù)自接收GPS 同步模式（CSR-GPS）。接收線圈有效接收面積3000m2，飛行高程均為90m，飛行速度8m/s。完成測線長度6.32km，物理點350 個。

3.2 資料處理

采集完成后，需將各測點各個時窗（測道）的瞬變感應電壓，換算成視電阻率、視深度等參數(shù)，從而進行下一步解釋。本次處理主要分4 步：①全波形數(shù)據(jù)基線校正。在無人機飛行的過程中，有可能受到風等影響，造成線框在空中晃動，使得全波形衰減電壓的衰減程度不一致，因此，需要對全波形原始數(shù)據(jù)進行基線校正，使得各個點的晚期都趨近于零。②數(shù)據(jù)預處理。③全域視電阻率定義。④時深轉(zhuǎn)換。

4 資料解釋

采空區(qū)裂隙帶充水或采空區(qū)積水時，破壞了層狀的電性結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為電阻率低值異常、等值線波動，可作為解釋本區(qū)采空區(qū)積水范圍的依據(jù)。圖1 為11 線反演電阻率推斷解釋剖面，剖面上自淺至深表現(xiàn)為中低阻-低阻-中高阻的電阻率特征，淺部（圖1 中黃色虛線以上）中低電阻率推斷為第四系黃土、砂礫巖的電性反映，高程變化在1720～1800m，視電阻率30～50Ω·m；中部（圖中黃色虛線至紅色虛線之間）低電阻率推斷為新河組泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖及砂巖的綜合電性反映，高程變化在1530～1720m，視電阻率25～40Ω·m；深部（圖中紅色虛線以下）中高電阻率推斷為窯街組粉砂巖、砂巖、煤層及采空區(qū)積水的綜合電性反映，高程變化在1400～1530m，視電阻率40～180Ω·m；圖中黑色虛線所示的煤層底板等高線附近電阻率橫向變化大，測點640～840 的電阻率變化在40～60Ω·m，電阻率較低，測點840～5-760 電阻率變化在70～180Ω·m，為高阻特征，推斷該高阻特征為煤層及其頂?shù)装鍑鷰r的綜合電性反映，電阻率低阻異常為采空區(qū)積水的反映（圖1 中虛線框所示），積水頂?shù)捉鐦烁?410～1490m。

圖1 11 線反演電阻率推斷解釋剖面

勘查范圍內(nèi)煤層底板等高線變化在1430～1470m，煤層埋深由北向南逐漸變深，煤層傾角變化不大。本次通過水平切片追蹤煤層及采空區(qū)積水的平面分布特征，分 別 抽 取 高 程1410m、1430m、1450m、1470m、1490m 水平視電阻率值，繪制視電阻率等值線平面圖。不同切片上視電阻率特征大體類似，圖2 為1450m 高程視電阻率等值線平面，表現(xiàn)為1～5 線720～960 測點呈高電阻率特征，500～720 測點間電阻率較低，6～13線640～880 測點呈低電阻率特征，僅在11～13 線測點860 附近呈局部的高阻特征，14～18 線700～920 測點呈高電阻率特征，500～700 測點電阻率較低。結(jié)合勘查區(qū)實際，認為低電阻率特征（30～80Ω·m）為采空區(qū)積水或煤層采空后形成的裂隙帶積水的電性反映。依據(jù)上述視電阻率的差異圈定了積水區(qū)的分布（圖2 中虛線框所示）。

圖2 高程1450m 視電阻率等值線平面

5 結(jié)論

本次水害普查采用多激勵源地空瞬變電磁法，工作方法正確，參數(shù)選擇合理。采用多個地面發(fā)射源系統(tǒng)，增強了采集信號強度，提高了數(shù)據(jù)信噪比，采用無人機空中接收系統(tǒng)，極大的提高了工作效率，節(jié)約了成本。圈定的采空積水區(qū)基本可靠，完成了地質(zhì)任務。主要取得了以下地質(zhì)成果。

（1）初步了解了勘查范圍內(nèi)地層的電性特征，第四系視電阻率約為30～50Ω·m，中侏羅統(tǒng)新河組視電阻率約為25～40Ω·m，中侏羅統(tǒng)窯街組煤層及其頂?shù)装鍑鷰r的視電阻率約為80～180Ω·m，煤層采空區(qū)積水后的視電阻率約為30～80Ω·m。

（2）大致圈定了積水區(qū)的分布范圍，主要劃分積水區(qū)2 塊，第一塊積水區(qū)主要分布在1～5 線測點500～720，6～10 線測點640～880 及11～13 線測點640～840，頂?shù)捉鐦烁?410～1490m，面積約為0.05km2；第二塊積水區(qū)主要分布在14～18 線500～700 測點，頂?shù)捉鐦烁?410～1510m，面積約為0.016km2。初步分析含水區(qū)主要是煤層采空區(qū)及其裂隙帶充水所致，另外含水區(qū)內(nèi)地勢較低，也是導致含水的原因之一。