煤層采空區(qū)內(nèi)煤層氣儲(chǔ)氣構(gòu)造半航空瞬變電磁探測(cè)
——以沁水煤田為例

田忠斌, 馬玉龍, 李貅， 嵇艷鞠， 黎東升,6

1 山西省煤炭地質(zhì)物探測(cè)繪院， 山西晉中 030600 2 中國(guó)地球物理學(xué)會(huì)院士專家工作站， 山西晉中 030600 3 資源環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西晉中 030600 4 長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院， 西安 710054 5 吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院， 長(zhǎng)春 130026 6 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 中國(guó)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100029

0 引言

煤層氣是一種利用價(jià)值極高的氣體礦產(chǎn)資源.高效開發(fā)和利用煤層氣，在減少煙塵污染，發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)等方面具有重要的意義.山西省是煤層氣資源大省，截至2020年底，山西省煤層氣累計(jì)探明地質(zhì)儲(chǔ)量達(dá)1.06萬(wàn)億立方米，約占全國(guó)總探明地質(zhì)儲(chǔ)量的89.83%.煤層氣產(chǎn)量達(dá)到77億立方米，占全國(guó)的75.27%(鄭民等，2018).山西省中南部地區(qū)各大煤田采空區(qū)中蘊(yùn)藏著豐富的煤層氣資源，具有極大的經(jīng)濟(jì)效益.

我國(guó)煤礦煤層氣開發(fā)主要是以生產(chǎn)礦井的未采或卸壓煤層中抽取瓦斯為主，廢棄礦井采空區(qū)煤層氣開發(fā)尚處于探索階段.采空區(qū)煤層氣資源評(píng)價(jià)、計(jì)算目前還存在于理論研究階段.最常用的方法是基于“橫三區(qū)”和“豎三帶”理論，通過(guò)已知采空區(qū)的地質(zhì)、物性、采掘(方式、范圍、年限)和瓦斯抽采資料，建立模型，對(duì)已知采空區(qū)內(nèi)的煤層氣進(jìn)行評(píng)價(jià)計(jì)算(孟召平等，2016；李俊等，2018).然而，采空區(qū)煤層氣的評(píng)價(jià)與開發(fā)涉及構(gòu)造地質(zhì)、水文地質(zhì)、煤層氣地質(zhì)、采煤、通風(fēng)、流體力學(xué)等諸多因素的綜合學(xué)科理論和工程研究，國(guó)內(nèi)尚未建立系統(tǒng)性理論基礎(chǔ).同時(shí)，在實(shí)際評(píng)價(jià)過(guò)程中，采空區(qū)往往由于歷史原因存在基礎(chǔ)地質(zhì)資料缺失、剩余資源不清、采掘方式多樣、擾動(dòng)范圍不詳、導(dǎo)水裂隙不明、采空積水分布未知等局面，其中，部分因素的確定是極為困難的，導(dǎo)致煤層氣資源的評(píng)價(jià)指標(biāo)往往存在較大的誤差，甚至是盲目的、不準(zhǔn)確的.與未采煤層中的吸附態(tài)煤層氣可以通過(guò)基于地震勘探的屬性預(yù)測(cè)、尋找富集有利區(qū)相比(田忠斌等，2016)，采空區(qū)煤層氣的富集區(qū)顯然極為復(fù)雜，而當(dāng)前尚沒有相關(guān)理論或工程手段可以實(shí)現(xiàn)采空區(qū)煤層氣富集區(qū)或儲(chǔ)氣構(gòu)造的直接探測(cè).基于物探手段，首先了解采空區(qū)、采空積水區(qū)、采動(dòng)裂隙的賦存范圍，根據(jù)已知地質(zhì)資料和游離態(tài)煤層氣生產(chǎn)、運(yùn)移和賦存所需的基本條件，判斷該采空區(qū)是否具備煤層氣儲(chǔ)集條件，是建立采空區(qū)煤層氣地質(zhì)模型的基礎(chǔ)，由此，對(duì)高瓦斯礦井采空區(qū)煤層氣的地質(zhì)勘查就轉(zhuǎn)換為對(duì)采空區(qū)圈閉構(gòu)造的勘查.

采空區(qū)及采空積水區(qū)的勘查已經(jīng)在各大煤田中廣泛開展.傳統(tǒng)地面煤礦采空區(qū)探測(cè)技術(shù)主要依賴地震類及電磁法類勘探技術(shù), 薛國(guó)強(qiáng)等利用地面磁性源瞬變電磁法、電性源短偏移距瞬變電磁法等常規(guī)電磁法等做了大量的理論研究和實(shí)際觀測(cè)(Xue et al.，2013, 2018，2018b，2018c；何繼善和薛國(guó)強(qiáng), 2018)，王緒本等(2013)探討了利用可控源音頻大地電磁法(CSAMT)開展了采空區(qū)探測(cè)及煤層氣富集區(qū)的勘查的可行性.此外直流電測(cè)深法(DC)、頻率域測(cè)深法(FEM)也是采空區(qū)探測(cè)中較為常用的方法，在各地質(zhì)勘查單位中應(yīng)用也較為廣泛(Xue et al., 2015, 2018a).但是，目前傳統(tǒng)的地面采空區(qū)探測(cè)技術(shù)普遍存在探測(cè)能力不足及精度低的共性，同時(shí)高密度物探工作意味著施工成本的極速攀升和工作效率的下降.因此亟需開展多種地球物理探測(cè)技術(shù)的集成創(chuàng)新，形成多波場(chǎng)聯(lián)合探測(cè)技術(shù)，用于快速、精準(zhǔn)、低成本探測(cè)廢棄礦井不同煤層采空區(qū)的邊界及各類煤柱的具體位置、分布和規(guī)模大小，并準(zhǔn)確識(shí)別煤炭開采后“豎三帶”中裂隙帶和垮落帶的分布范圍和展布規(guī)律(王爭(zhēng)等，2021).

半航空瞬變電磁法(SATEM)采用地面發(fā)射空中接收的方式(Wu et al.,2019；張瑩瑩和李貅，2017)，極大地規(guī)避了復(fù)雜、困難地形對(duì)地球物理勘探的影響，工作效率較傳統(tǒng)地面電法勘探提升了數(shù)倍.同時(shí)，采集系統(tǒng)在空中自動(dòng)不間斷采集，使得采樣點(diǎn)距由傳統(tǒng)地面物探的幾十米加密至幾米，大數(shù)據(jù)的獲取，對(duì)于橫向分辨能力的提高具有十分重要的意義(Wu et al., 2019).通過(guò)波場(chǎng)變換技術(shù)將半航空電磁數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為虛擬地震波數(shù)據(jù)，借助于地震勘探的偏移成像技術(shù)進(jìn)行成像，顯然電磁數(shù)據(jù)越密集“成像”精度越高.這樣，可以實(shí)現(xiàn)利用一種物探方法實(shí)現(xiàn)快速、高密度探測(cè)，震、電兩種波場(chǎng)聯(lián)合解釋分析的目的，從而對(duì)采空區(qū)范圍、含水性、以及上覆巖層裂隙程度進(jìn)行定性分析，最終實(shí)現(xiàn)采空區(qū)煤層氣儲(chǔ)氣構(gòu)造的探測(cè).

1 采空區(qū)煤層氣儲(chǔ)氣構(gòu)造地質(zhì)特征

1.1 原生態(tài)煤層氣儲(chǔ)氣構(gòu)造影響因素及勘探方法簡(jiǎn)述

原生態(tài)的煤層氣賦存在煤層中，以吸附態(tài)為主(約占90%)，兼有游離態(tài)和水溶態(tài)兩種類型(楊浩, 2017).煤層氣與煤是同體共生、共存的礦產(chǎn)，具有相同的成因.煤層既是煤層氣的源巖，又是煤層氣的儲(chǔ)氣層.原生態(tài)煤層氣是當(dāng)前煤層氣開發(fā)的主要對(duì)象，煤層氣的有無(wú)以及儲(chǔ)量與地質(zhì)年代、巖性、構(gòu)造、水文地質(zhì)、埋藏深度、煤質(zhì)、煤厚、圍巖的封閉性以及煤層的地球物理和地球化學(xué)特征有關(guān).同常規(guī)天然氣資源勘探一樣，地球物理勘探是煤層氣資源勘探的主要地質(zhì)手段.對(duì)于原生態(tài)煤層氣儲(chǔ)藏構(gòu)造，儲(chǔ)層在速度和密度上具有明顯的差異，通過(guò)分析測(cè)井資料，采用地震勘探方法，利用巖石物理特征以及地震波場(chǎng)特征來(lái)研究煤層巖性、含氣屬性等煤層氣特性，根據(jù)煤儲(chǔ)層參數(shù)與井震數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，預(yù)測(cè)煤層氣的富集區(qū).如圖1，對(duì)于完整的原生吸附態(tài)煤層氣，通常通過(guò)壓裂的方式解析出煤層中的煤層氣，最終得以抽采.

圖1 吸附態(tài)煤層氣開采過(guò)程示意圖Fig.1 Schematic diagram of adsorption state CBM exploitation

1.2 采空區(qū)煤層氣儲(chǔ)集構(gòu)造特征及影響因素

隨著煤炭資源的開采，受應(yīng)力釋放的影響，在工作面周圍會(huì)產(chǎn)生不同的采動(dòng)影響區(qū)、帶，即：橫向上沿工作面走向的煤壁支承影響區(qū)、離層區(qū)、重新壓實(shí)區(qū)，縱向上由下往上的垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶和整體彎曲下沉帶，簡(jiǎn)稱“橫三區(qū)”和“豎三帶”.應(yīng)力的釋放會(huì)導(dǎo)致所采煤層的剩余煤炭以及鄰近煤層的吸附態(tài)煤層氣釋放，通過(guò)采動(dòng)裂隙進(jìn)入到采空區(qū)中形成游離態(tài)的煤層氣.煤層氣大量涌入采空區(qū)及采動(dòng)裂隙后，當(dāng)整個(gè)儲(chǔ)氣空間是密閉的，密閉良好的采空區(qū)就像一個(gè)充滿瓦斯氣體的“氣球”(孟召平等,2016).這個(gè)“氣球”的影響因素有四個(gè)：

(1)煤層中煤層氣的含量；(2)開采煤層所屬煤系地層鄰近煤層發(fā)育情況；(3)采掘位置、采動(dòng)破壞范圍、回采率等；(4)采空積水情況.

如圖2，當(dāng)?shù)貙铀錆M導(dǎo)水裂隙或采空區(qū)時(shí)，會(huì)阻礙煤層孔隙中吸附態(tài)氣體的逸散，對(duì)于采動(dòng)裂隙帶延伸至地表，或彎曲帶形變引起地裂縫時(shí)，采空區(qū)中的煤層氣會(huì)發(fā)生逸散.因此，采空區(qū)煤層氣的生成、運(yùn)移和儲(chǔ)集成藏，不僅需要有足夠的煤層氣生成，還需要保證采空區(qū)內(nèi)不存在積水、采動(dòng)裂隙范圍不足以到達(dá)地表形成地裂縫.

圖2 采空區(qū)煤層氣示意圖Fig.2 Schematic diagram of CBM in goaf

采空區(qū)中采動(dòng)裂隙的影響范圍是建立采空區(qū)煤層氣地質(zhì)模型的關(guān)鍵因素，也是采空區(qū)能否成為儲(chǔ)氣構(gòu)造的關(guān)鍵，但如何準(zhǔn)確確定上覆煤巖層和下伏煤巖層的擾動(dòng)影響范圍是一項(xiàng)極為困難的工作.不同地質(zhì)條件、開采層位的數(shù)量、不同采掘方式和開采年代的礦井可能有不同的擾動(dòng)影響范圍.通常長(zhǎng)臂工作面向上150～200 m，向下40～70 m均會(huì)有應(yīng)力釋放，裂隙帶的高度通常為垮落帶的1.3～2.5倍.淺埋深煤層群高強(qiáng)度開采會(huì)導(dǎo)致明顯的地裂縫，覆巖抗拉強(qiáng)度越小，開采范圍越大，開采深度小，地表易形成地裂縫，甚至?xí)纬傻孛嫠荩钊菀仔纬傻亓芽p的區(qū)域位于采區(qū)邊界(王來(lái)貴等，2010).煤層群開采覆巖內(nèi)裂隙主要為基巖中沿開采邊界向上發(fā)育的“上行裂隙”，表土層中自上而下發(fā)育的“下行裂隙”，當(dāng)兩者貫通，采空區(qū)不再密閉，采空區(qū)及裂隙帶中的煤層氣會(huì)通過(guò)裂隙通道發(fā)生逸散.

由于煤層氣的主要成分是甲烷，其電性特征、彈性特征等物性特征與采空區(qū)中的空氣基本沒有差別，因此直接利用物探手段尋找采空區(qū)煤層氣不具備地球物理勘探所需要的物性差異.然而，作為煤層氣的儲(chǔ)集構(gòu)造，采空區(qū)與原狀地層有著明顯的電性差異，根據(jù)以往地質(zhì)資料在華北煤系地層中，完整的煤系地層電阻率分布特征總體符合H型地電斷面，而當(dāng)煤層開采后根據(jù)采空區(qū)的含水性特征，電阻率曲線會(huì)發(fā)生變化(圖3).在含水采空區(qū)與非含水采空區(qū)具有較大的電性差異，含水采空區(qū)表現(xiàn)為低阻反應(yīng)，而不含水采空區(qū)表現(xiàn)為相對(duì)高阻反應(yīng).

圖3 煤層不同開采狀態(tài)下的電阻率曲線圖Fig.3 Resistivity curve of coal seam under different mining conditions

此外，地震勘探中裂隙帶的存在表現(xiàn)為彈性波能量的損失.這樣通過(guò)對(duì)電性和波阻抗特征的分析，尋找有利于煤層氣儲(chǔ)藏的采空區(qū).本文將圈閉的、不含水的采空區(qū)作為采空區(qū)煤層氣富集的主要甜點(diǎn)“地質(zhì)構(gòu)造區(qū)塊”，而將積水采空區(qū)以及明顯存在塌陷、裂隙等導(dǎo)水、導(dǎo)氣構(gòu)造的非圈閉采空區(qū)作為煤層氣非富集區(qū)塊.這樣，對(duì)于高瓦斯礦井，我們可以把具有一定規(guī)模的、圈閉的、不含采空積水的煤炭采空區(qū)認(rèn)為是良好的煤層氣儲(chǔ)氣單元，而將含水采空區(qū)或者不圈閉的采空區(qū)作為非有利區(qū)，對(duì)于大面積采空的礦區(qū)，通過(guò)排除非有利區(qū)，尋找有利區(qū)，可以幫助地質(zhì)人員建立采空區(qū)煤層氣儲(chǔ)藏構(gòu)造的地質(zhì)模型，指導(dǎo)煤層氣資源的預(yù)測(cè)和計(jì)算.

2 半航空電磁法及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 半航空電磁法簡(jiǎn)介

半航空瞬變電磁法(Semi-airborne transient electromagnetic method，SATEM)是一種航空類電磁法.它利用接地導(dǎo)線向地下供以階躍電流，在電流斷開的間隙，位于空中的無(wú)人機(jī)搭載接收系統(tǒng)采集二次場(chǎng)電磁信號(hào)(圖4)，又稱地空瞬變電磁法(李肅義等,2013； 張瑩瑩等, 2015; 張瑩瑩, 2016; 方濤等, 2015).與常規(guī)電磁方法類似，半航空瞬變電磁法以地下介質(zhì)的電、磁性特征作為物性差異，通過(guò)處理分析物性差異結(jié)果，實(shí)現(xiàn)地下目標(biāo)體的識(shí)別.該方法具有發(fā)射功率大，探測(cè)深度深，測(cè)量速度快，工作效率高，受地形影響較小的優(yōu)勢(shì)，兼具航空電磁法和地面瞬變電磁法各自的優(yōu)勢(shì)(Wu et al., 2019；殷長(zhǎng)春等, 2015a，2015b).

圖4 半航空瞬變電磁法示意圖Fig.4 Schematic diagram of SATEM

2.2 半航空電磁法全域視電阻率計(jì)算方法

瞬變電磁法在早期發(fā)展過(guò)程中，受當(dāng)時(shí)計(jì)算條件的限制，在電磁場(chǎng)整個(gè)衰減期內(nèi)，人為將視電阻率劃分為早、晚期，并作了簡(jiǎn)化處理，得到了視電阻率的解析表達(dá)式.但是無(wú)論早期還是晚期視電阻率，均有應(yīng)用條件.然而在實(shí)際生產(chǎn)中，晚期視電阻率被廣泛應(yīng)用，甚至是不考慮條件地應(yīng)用，把晚期視電阻率當(dāng)成了不分遠(yuǎn)近、不分早晚的“全期、全區(qū)視電阻率”使用，造成了處理成果與實(shí)際結(jié)果有較大的偏差.

為解決上述困局，李貅提出了瞬變電磁全域視電阻率的思想，通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法求解出電磁場(chǎng)中的電阻率，得到攜帶時(shí)、空信息的全域視電阻率(張瑩瑩等,2015；李貅等,2021).通過(guò)計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，感應(yīng)磁場(chǎng)B(t)關(guān)于電阻率參數(shù)的函數(shù)形態(tài)相對(duì)簡(jiǎn)單，尤其是垂直分量Bz(t)與電阻率的關(guān)系是一一對(duì)應(yīng)的單調(diào)關(guān)系，這就為基于反函數(shù)定理思想定義視電阻率創(chuàng)造了條件.但是由于Bz(t)與ρ之間是極為復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系式，無(wú)法利用反函數(shù)的思想求解得到ρ=f(Bz(t))的解析表達(dá)式，為此，將Bz(t)進(jìn)行泰勒展開，并取其線性主部(張瑩瑩等,2015；張瑩瑩,2016)，得到了公式(1)：

(p=x,z),

(1)

這樣就得到了Bz(t)與ρ的準(zhǔn)線性關(guān)系表達(dá)式.繼續(xù)對(duì)(1)式進(jìn)行變換.

(2)

將(2)式寫成迭代的形式：

(3)

其中，

(4)

(4)式的迭代終止條件為

(5)

其中，ε是給定的迭代終止誤差限，Bp(ρ,C,t)(p=x,z)是采集得到的磁感應(yīng)強(qiáng)度.這樣就可以通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方式得到全域視電阻率(張瑩瑩等,2015).

2.3 半航空瞬變電磁擬地震偏移成像技術(shù)

眾所周知，電磁場(chǎng)是擴(kuò)散場(chǎng)，滿足的擴(kuò)散方程，由于沒有所謂的“反射”，因此無(wú)法像地震勘探那樣進(jìn)行成像.為此，建立起擴(kuò)散方程與波動(dòng)方程之間的關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)兩種不同波場(chǎng)之間的變換(戚志鵬等,2013；Li et al., 2018)：

(6)

其中E為表達(dá)擴(kuò)散方程的場(chǎng)量，而U為表達(dá)波動(dòng)方程的場(chǎng)量.

根據(jù)此積分方程，即可完成擴(kuò)散場(chǎng)數(shù)據(jù)與波場(chǎng)數(shù)據(jù)之間的相互轉(zhuǎn)換.一般地，將由地震波場(chǎng)轉(zhuǎn)換到擴(kuò)散場(chǎng)的變換稱為波場(chǎng)正變換，由擴(kuò)散場(chǎng)變換到波場(chǎng)的變換叫做波場(chǎng)反變換.通過(guò)進(jìn)行波場(chǎng)反變換，求解一系列不適定問題，實(shí)現(xiàn)電磁場(chǎng)向虛擬波場(chǎng)的轉(zhuǎn)換.半航空瞬變電磁數(shù)據(jù)在空間上往往攜帶含有偏移距的空間信息，按照偏移成像的要求，在進(jìn)行偏移前，需要對(duì)虛擬波場(chǎng)進(jìn)行動(dòng)校正和初至切除，最后進(jìn)行克希霍夫偏移，從而實(shí)現(xiàn)半航空瞬變電磁的擬地震偏移成像(Li et al., 2018).具體步驟如下：

(1)將采集的半航空瞬變電磁場(chǎng)通波場(chǎng)變換方法變換為虛擬波場(chǎng)；

(2)對(duì)波場(chǎng)變換得到的虛擬波場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行初至地震波切除；

(3)對(duì)虛擬波場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)校正處理；

(4)通過(guò)數(shù)值積分和數(shù)值微分實(shí)現(xiàn)克西霍夫積分的數(shù)值計(jì)算，從而進(jìn)行自激自收數(shù)據(jù)的克西霍夫偏移，獲得深度偏移剖面(智慶全，2015).

3 測(cè)區(qū)概況與測(cè)線布置

勘查區(qū)位于山西省中部，區(qū)內(nèi)主要含煤地層為典型的華北地區(qū)石炭、二疊系煤系地層(表1).

表1 沁水煤田煤系地層各層平均電阻率簡(jiǎn)表Table 1 Table of average resistivity of coal strata in research area

由于勘查煤層埋藏較淺，區(qū)內(nèi)開采歷史悠久，開采程度較高，采空區(qū)分布極廣，除目前搜集到的采掘信息外，區(qū)內(nèi)分布有大量小窯破壞區(qū)，因此地質(zhì)信息較為復(fù)雜.勘查區(qū)主采煤層上覆砂巖一般為含水砂巖，伴隨著煤礦開采，尤其現(xiàn)代化采掘技術(shù)采用的放頂煤操作導(dǎo)致地層塌陷、破碎.結(jié)合以往地面瞬變電磁勘探成果，本區(qū)采空區(qū)往往含水，表現(xiàn)為中低阻異常.

本次勘查的主要目的是查明研究區(qū)內(nèi)采空(積水)的空間位置信息和含水情況，評(píng)估采空區(qū)是否具備煤層氣的儲(chǔ)集條件，為采空區(qū)煤層氣資源調(diào)查與評(píng)價(jià)提供技術(shù)支撐.

圖5 測(cè)線布置示意圖Fig.5 Schematic diagram of survey line layout

如圖5，根據(jù)已知地質(zhì)資料，測(cè)線布設(shè)方向與地層的走向垂直，測(cè)線方向?yàn)楸睎|向，測(cè)線間距為100 m.采用接地長(zhǎng)導(dǎo)線源作為發(fā)射源，發(fā)射源與測(cè)線方向平行.經(jīng)過(guò)施工前試驗(yàn)，本次采用的施工參數(shù)為：發(fā)射源長(zhǎng)度：2 km；發(fā)射電流：40 A；最大旁側(cè)距600 m；發(fā)射基頻：12.5 Hz；飛行速度8 m·s-1.

4 探測(cè)結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)的篩選、濾波和基線校正(黎東升，2016)，采用SATEM全域視電阻率算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理(李貅等，2015)，得到了該地區(qū)SATEM的視電阻率斷面.將預(yù)處理后的電磁數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為掃時(shí)虛擬波場(chǎng).基于克西霍夫偏移成像，得到了該地區(qū)SATEM擬地震偏移剖面.通過(guò)對(duì)兩類圖的綜合對(duì)比分析，達(dá)到了地質(zhì)目標(biāo)體解釋的目的.

圖6和圖7為研究區(qū)400線SATEM全域視電阻率剖面和擬地震偏移成像剖面.根據(jù)已知的開采數(shù)據(jù)，400線所覆蓋的區(qū)域幾乎全部為采空區(qū)，上部小窯開采分布不明，部分區(qū)域存在老空水.在圖6中，視電阻率由淺到深先減后增，為典型的H型地電剖面，與研究區(qū)地層電阻率變化特征相吻合.根據(jù)煤層深度，在視電阻率剖面中加入煤層線.在煤層線附近，視電阻率橫向變化較大，反映了不同開采階段煤層采空區(qū)的變化.在2800—4150點(diǎn)煤層線附近，視電阻率剖面表現(xiàn)為中-高電阻率異常，應(yīng)為無(wú)水采空區(qū).視電阻率在4250—5000點(diǎn)和5550—5850點(diǎn)之間呈低電阻率響應(yīng).根據(jù)已知采空積水區(qū)的位置以及視電阻率特征，本次勘查將視電阻率45 Ωm作為采空積水區(qū)的閾值，低于該閾值的區(qū)域推測(cè)為采空區(qū)積水聚集區(qū).

在圖7中，SATEM擬地震偏移成像圖與地震勘探中的地震剖面圖相似.當(dāng)?shù)貙泳哂休^好的橫向連續(xù)性，且不存在裂縫帶和陷落柱時(shí)，同向軸連續(xù)、具有較強(qiáng)的能量.當(dāng)斷裂區(qū)或斷裂區(qū)出現(xiàn)時(shí)，同向軸能量減小，連續(xù)性差，甚至能量消失.圖7中大部分點(diǎn)的同軸度是連續(xù)穩(wěn)定的.在2800—3100點(diǎn)之間，在縱向上同軸能量很弱甚至消失.通過(guò)與已知采空區(qū)位置的對(duì)比，同相軸能量缺失的位置位于采空區(qū)邊緣2800點(diǎn)附近.淺埋煤層群覆巖與地表裂隙發(fā)育規(guī)律，采掘引起的地表裂縫主要是區(qū)段煤柱邊界裂縫，區(qū)段煤柱邊界裂縫最長(zhǎng)，裂縫寬度和落差也最大，容易形成永久邊界裂隙與采動(dòng)裂隙貫通，根據(jù)上述理論結(jié)合圖7中2800點(diǎn)附近從近地表至主采煤層深度均出現(xiàn)能量缺失的特征，推測(cè)在采空區(qū)邊界處發(fā)生塌陷、沉降或斷裂，或出現(xiàn)地裂縫.由于裂縫的存在，這些地層不能形成圈閉環(huán)境，不是能夠存儲(chǔ)煤層氣的圈閉構(gòu)造.3200—4150點(diǎn)段，為已知采空區(qū)中段，并在視電阻率斷面圖上表現(xiàn)為高阻，擬地震剖面上顯示為較連續(xù)的波阻抗特征，因此推斷采空區(qū)上覆地層較為連續(xù)，具備儲(chǔ)層的圈閉特征.在4250—5800點(diǎn)之間同相軸能量發(fā)生不同程度上減弱，但具有良好的連續(xù)性，該段視電阻率顯示了低電阻響應(yīng)因此推斷為采空區(qū)積水區(qū)，亦不具備良好的煤層氣生成條件.

綜合分析了圖6和圖7的電阻率和波阻特征，400線在3200—4150點(diǎn)段，存在不含水采空區(qū)，且采空區(qū)上部巖層連續(xù)性較好，因此推斷3200—4150點(diǎn)段存在采空區(qū)煤層氣的有利儲(chǔ)氣構(gòu)造區(qū).2800—3100點(diǎn)段，為不含水采空區(qū)，但是在縱向上，采空區(qū)頂部到地表波阻抗同相軸能量消失、不連續(xù)，推測(cè)存在規(guī)模性塌陷或裂隙，因此不具備儲(chǔ)氣構(gòu)造需要的圈閉條件.4250—5050點(diǎn)5600—5800點(diǎn)段推測(cè)為采空積水區(qū)，亦不滿足采空區(qū)煤層氣的生成和儲(chǔ)集條件.

圖6 400線半航空瞬變電磁全域視電阻率斷面圖Fig.6 Section diagram of full domain apparent resistivity of SATEM at line 400

圖7 400線半航空瞬變電磁擬地震偏移成像斷面圖Fig.7 Section diagram of SATEM pseudo-seismic migration at 400 line

為驗(yàn)證波阻抗能量缺失的成因，在該異常區(qū)地表進(jìn)行了地表勘驗(yàn)，根據(jù)400線野外勘測(cè)驗(yàn)證結(jié)果，在400線2800點(diǎn)附近發(fā)現(xiàn)大量地裂縫(圖8)，地裂縫最大下沉高度約70 cm，裂縫寬度約30 cm，結(jié)合采空區(qū)分布范圍、擬地震波阻抗特征、推斷該處采空區(qū)不完整，不具備煤層氣儲(chǔ)氣庫(kù)所需的圈閉構(gòu)造.

圖8 400線2800點(diǎn)附近的地裂縫Fig 8 Ground fissure near point 2800 at Line 400

5 結(jié)論

采用半航空瞬變電磁法對(duì)采空區(qū)煤層氣構(gòu)造勘查具有較強(qiáng)的挑戰(zhàn)性.從勘探設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集、處理、解讀等方面都是一次全新的嘗試.經(jīng)過(guò)艱苦的嘗試，SATEM在煤層氣資源勘探中的應(yīng)用可歸納如下:

(1) 本文通過(guò)對(duì)采空區(qū)煤層氣的產(chǎn)生機(jī)理、物性特征、儲(chǔ)層構(gòu)造特點(diǎn)及影響因素進(jìn)行分析，認(rèn)為當(dāng)前在實(shí)際工作中采空區(qū)煤層氣地質(zhì)模型的建立存在一定的偏差，且尚沒有一種工程技術(shù)可以直接尋找采空區(qū)煤層氣.認(rèn)為可以通過(guò)物探技術(shù)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行勘查，并分析采空區(qū)的屬性，從而間接推斷該采空區(qū)是否具備煤層氣儲(chǔ)氣構(gòu)造的條件.

(2) 采用半航空瞬變電磁法對(duì)存在小窯破壞區(qū)、地質(zhì)資料完整礦區(qū)的采空區(qū)進(jìn)行了快速、高密度探測(cè)，分析了采空區(qū)的含水性特征.充分利用半航空電磁采樣密度高的特點(diǎn)，采用波場(chǎng)變換技術(shù)和擬地震偏移成像技術(shù)對(duì)半航空電磁技術(shù)進(jìn)行了“擬地震成像”處理，并分析了采空區(qū)上方蓋層的連續(xù)性情況.

(3) 勘探結(jié)果顯示了典型采空區(qū)和老空水的特征，在普查工作中具有良好的應(yīng)用效果.通過(guò)探明采空區(qū)是否積水和煤層氣儲(chǔ)層是否存在封閉的儲(chǔ)層環(huán)境，可以間接實(shí)現(xiàn)煤層氣的探測(cè)，這為電磁法探測(cè)采空區(qū)煤層氣資源提供了新的思路.

(4) 采空區(qū)本身是一種極為復(fù)雜的地質(zhì)異常體，當(dāng)前采空區(qū)煤層氣的調(diào)查與評(píng)價(jià)由于影響因素眾多、且部分影響因素的獲取極為困難，本文提出的采空區(qū)煤層氣儲(chǔ)氣構(gòu)造間接勘查方法，在采空區(qū)煤層氣普查初期初具效應(yīng)，但是仍然受地質(zhì)、采掘等因素的影響，要想完全滿足詳查目標(biāo)，仍然需要結(jié)合煤層氣地質(zhì)、構(gòu)造地質(zhì)、水文地質(zhì)、巖土力學(xué)、采礦工程、物探技術(shù)進(jìn)一步進(jìn)行多學(xué)科綜合研究.