半航空瞬變電磁在煤礦隱蔽致災領域的應用

摘" 要：隱蔽致災因素普查對煤礦安全生產具有重要意義，致災因素的探查和辨識是確保煤礦安全生產的重要手段。本文以新疆庫拜煤田某煤礦為研究對象，采用半航空瞬變電磁法對礦區進行采空積水區和地下水補給通道的探測。經鉆探驗證及抽水試驗證實，綜合物探方法成效顯著。

關鍵詞：半航空瞬變電磁法；隱蔽致災因素普查；煤礦采空區；視電阻率

煤礦隱蔽致災因素具隱蔽性、時變性、脆弱性及可探查性，探測和預防難度大的特點[1]。隱蔽致災因素分為水源因素和通道因素2大類。其中，水源因素包括老空區積水、巖溶水、燒變巖積水、離層積水、基巖風化帶水；導水通道因素包括斷層、巖溶陷落柱、導水裂隙帶、隔水層缺失區（天窗）及封閉不良鉆孔。實際生產過程中老空區積水、燒變巖積水和導水裂隙帶往往面對礦區人文電磁環境復雜、地形條件復雜、地層傾角大、煤層采掘后頂板自然垮落后人員難以進入測量查證的實際情況。本文開展半航空瞬變電磁法對老空區積水和導水通道帶實現高分辨率探測，通過地面高密度電阻率法、水文鉆探抽放水試驗加以驗證，取得了良好的應用成果。

1" 地質概況與地球物理特征

1.1" 地質概況

研究井田位于天山西段南緣，為丘陵臺地、階地地貌，地勢具北高南低，西高東低的特點，地形標高為+1 894～+2 117 m，地形切割破碎嚴重，溝壑陡崖較多，地形較復雜，地形復雜類別劃歸3類。礦區西部為鐵列克洪積扇區戈壁荒灘，東部為低山，北部緊靠鐵列克河，地形較復雜。北側鐵列克河是該煤礦附近唯一地表水系，該河發源于天山南麓，靠融化雪水、大氣降水、山區泉水補給，常年有水，受季節影響，流量的動態變化顯著。該河自西向東從井田北部邊界流至東界，然后自北向南橫切整個煤系地層后流出本井田，改為EW向在鐵熱克鎮附近注入卡普斯朗河，屬卡普斯朗河水系。

研究井田總體構造為一向南傾斜的單斜構造，走向北東45°，地層產狀較陡，地層傾角為40°～59°，構造復雜程度劃屬中等類型（Ⅱ型）。井田及附近出露與分布的地層由老至新依次為三疊系、侏羅系和第四系（圖1）。研究區范圍內含煤地層為下侏羅統塔里奇克組，共含煤8層，其中3層可采（編號分別為A1、A2、A3），煤層平均總厚度累計12.25 m，地層平均厚度總和為164.30 m，含煤系數7.46%。具體巖性情況統計見表1。

鑒于以上地形地貌和構造地質條件的限制，傳統地面瞬變電磁工作無法全部覆蓋目標工作區，無法有效解決煤礦隱蔽致災因素普查中老空區積水、燒變巖積水和導水裂隙帶基本問題。本次采用半航空瞬變電磁法，較好解決了上述問題，通過實際工作，勘探效果較為優越，能形成示范效應。

1.2" 地球物理特征

據井田前期水文地質補充勘探工作中地球物理測井和地面磁性源瞬變電磁法成果可知，侏羅系含礫砂巖、泥巖視電阻率較低，煤系地層和三疊系粗砂巖、泥巖視電阻率范圍基本接近，破碎帶和富水區視電阻率最低（表2）。總體而言，不同巖性的視電阻率差異明顯，具備開展瞬變電磁法的前提條件。

2" 方法原理

半航空瞬變電磁（S-ATEM）是采用地面發射、空中接收的工作方式，通過布設在地面的接地導線向地下發射一次場，無人機搭載接收線圈接收地下感應渦流所激發的二次場，對觀測數據進行反演解釋以獲取地下電性結構信息的一種瞬變電磁方法，與傳統瞬變電磁法相比具更好的地形適應性和更大探測深度[2]。近年來在煤礦采空富水調查[3，4]、隧道勘查[5]、古河道結構探測[6]、滑坡探測中得到廣泛應用[7]。

3" 工作參數

團隊使用大載重旋翼無人機作為飛行平臺搭載等效面積3 200 m2接收線圈和TEM31機載接收機，在研究區域共布置116條測線（方位320°）。兩條發射源進行發射：AB發射源長度1 027 m，控制測線L01-L28、L45-L81；CD發射源長度1 418 m，控制測線L29-L44、L82-L116。經前期飛行試驗后確定發射基頻25 Hz，增益4，疊加次數16，發射電流8 A，飛行航速7 m/s，實際飛行測網50×7 m，工作面積4.31 km2，6天完成外業數據采集工作。

4" 成果討論

4.1" 工作思路

根據本研究井田隱蔽致災因素普查工作中采空積水區和河道的側向補給通道探測工作需求，半航空瞬變電磁工作成果分析的工作思路采用測線與已知地質勘探線疊合、順煤層底板切片與采掘工程平面圖疊合對采空區、采空區積水、河道側向補給通道引起的視電阻率異常進行識別分析，再進行鉆探驗證和抽放水試驗以達到工作目的。

4.2" 成果分析

選取1勘探線地質剖面（方位321°44′27″）位于半航空瞬變電磁L36與L37測線之間與L37測線斜交（圖2），于L37測線149號點東北側約6 m結束。L36測線起點位于1勘探線地質剖面起點方位距離約270 m處。通過對L36測線視電阻率等值線圖和1號地質勘探線剖面圖疊合分析，L36測線視電阻率斷面圖對應的地層沿地質勘探線分別是：第四系上更新統沖洪積層、第四系全新統沖洪積層、侏羅系下統阿合組、侏羅系下統塔里塔里奇克組下段、三疊系上統郝家溝組。煤層主要分布在下侏羅統塔里塔里奇克組下段，分別是A3（厚度5.38～6.36 m）、A2（厚度2.47～2.80 m）、A1（厚度1.80～2.74 m）。

將L36測線與1號勘探線地質剖面疊合分析發現：在A3、A2、A1沿煤層底板視電阻率斷面圖中，深部未開采煤層整體呈高視電阻率特征（1 000～3 000[ Ω?]m），沿測線方位橫向距離0～525 m、標高1 850～2 050 m范圍，第四系上更新統沖洪積層下界與L36測線視電阻率斷面圖中視電阻率沿第四系上更新統沖洪積層下界傾向變化相吻合，近地表呈現低阻特征（15～375[ Ω?]m）。沿測線方位橫向距離625～775 m、標高2 000～2 050 m范圍內，第四系上更新統沖洪積層整體呈低視電阻率特征（15～60[ Ω?]m），沿測線方位橫向距離800 m至測線結束標高1 950～2 025 m第四系全新統沖洪積層呈低視電阻率特征（15～60[ Ω?]m）。由于地層、煤層均是傾斜走向，近地表視電阻率受地形、大氣降水近地表裂隙補給、巖層賦水等因素綜合影響，使L36測線視電阻率斷面上近地表整體呈低視電阻率特征（15～375[ Ω?]m）。

通過選取順A2煤層底板視電阻率切片平面圖和井田井上下對照圖進行疊合分析發現（圖3）：已開采區域整體呈低視電阻率特征，深部未開采區域煤層呈高視電阻率特征。A3煤層采掘采用倉儲式回采方式。工作面采掘完成后對采空區進行了抽干積水排水和放頂（垮落法）治理。煤層頂板垮塌后在垮塌處會形成松散堆積，堆積體存在一定程度賦水但未形成大面積積水，已采掘的工作面區域在A3煤層底板視電阻率切片上呈低視電阻率特征（范圍750～2 000[ Ω?]m）。東翼未開辟巷道采掘施工的區域呈低視電阻率特征區域，推斷為煤層底板賦水，水的來源為煤層節理裂隙發育賦水。

對A2煤層底板共推斷采空區異常5個：A2-CK1（底界標高約+1 966.88 m）、A2-CK2（底界標高約+1 929.53 m）、A2-CK3（底界標高約+1 814.79 m）、A2-CK4（底界標高約+1 856.50 m）、A2-CK5（底界標高約+1 774.19 m）。該5處低阻異常區中A2-CK1和A2-CK2可能存在積水，其余A2-CK3、A2-CK4推斷由采掘后放頂煤層頂板垮塌后在垮塌處會形成松散堆積，堆積體存在一定程度賦水但未形成大面積積水。推斷賦水區4個：A2-FS1、A2-FS2、A2-FS3、A2-FS4，推斷為煤層底板賦水，水的來源方面A2-FS1、A2-FS2、A2-FS3為煤層節理裂隙發育賦水，A2-FS4為河漫灘側向補給引起低阻異常。同理，通過順A3煤層底板視電阻率切片與采掘工程疊合，推斷采空積水區異常2處，煤層底板裂隙賦水異常6處，未積水采空區3處。

針對A2-CK1異常區域開展鉆探工程驗證，布置ZK10-3和水文鉆孔swzk01、swzk-11和swzk-12，得到該區域第四系基底等高線平面圖，在半航空瞬變電磁反演結果三維視電阻率數據體中切出順第四系基底的等值線圖用于分析地下水補給通道的平面位置。

通過ZK10-3、swzk01、swzk-11、 swzk-12孔鉆探資料及以往施工鉆孔資料綜合分析，插值外推得到第四系基底等高線圖，據順第四系基底視電阻率等值線圖中視電阻率特征，推斷在礦區西部存在一個近EW向的第四系古沖溝，且沖溝內富水性較強。

5" 結論

通過采用半航空瞬變電磁法對礦區進行煤礦采空積水區和地下水補給通道的探測。經鉆探驗證實該方法效果顯著，對煤礦隱蔽致災因素普查工作具有重要指導意義。

（1） 通過半航空瞬變電磁測線與相同方位已知地質勘探線疊合、順煤層底板視電阻率切片與采掘工程平面圖疊合能夠很好地分析巖性與視電阻率之間關系、實際采掘工作面與順煤層底板視電阻率之間關系，便于物探成果與實際生產和物性相結合。

（2） 半航空瞬變電磁法較傳統地面瞬變電磁法用時更短，能夠適應復雜地形，經濟成本更低，工作效率更高。

（3） 鉆探證實，半航空瞬變電磁法在本文研究區域能夠達到隱蔽致災工作中對采空區積水和地下水補給通道的勘查目的，對后期致災因素治理具重要意義。

參考文獻

[1]" " 楊富.煤礦隱蔽致災因素普查技術指南[M].北京：煤炭工業出版社，2015：4.

[2]" " 朱文杰，劉麗華，柯振，等.半航空瞬變電磁探測能力及影響因素研究[J].電子測量技術，2022，45（9）：14-19.

[3]" " 李雄偉，高小偉，姜濤，等.航空瞬變電磁在煤礦采空區探測中的應用[J].中國煤炭地質，2021，33（9）：78-81.

[4]" " 武欣，潘冬明，于景邨.煤礦采空區地球物理探測方法綜述[J].地球物理學進展，2022，37（3）：1197-1206.

[5]" " 吳啟龍.半航空瞬變電磁視電阻率成像及在復雜地形區域隧道勘察中的應用[D].山東大學，2019.

[6]" " 謝小國，魏良帥，王緒本，等.半航空瞬變電磁法在古河道結構探測中的應用[J].地球物理學進展，2021，36（4）：1734-1742.

[7]" " 趙思為，尹小康，張振雄，等.半航空瞬變電磁法在某滑坡探測中的應用研究[J].物探化探計算技術，2021，43（6）：767-774.

[8]" " 林君，薛國強，李貅.半航空電磁探測方法技術創新思考[J].地球物理學報，2021，64（9）：2995-3004.

Application of S-ATEM for the Survey of Hidden Disaster Factors

in Coal Mine

Liu Shunbin1，Li Wenxiang1， Ran Junlin2， Liu Caihua2

（1.NO.8 Geological Party， Xinjiang Bureau of Geology and Mineral Resources Exploration and Development， Aksu，Xinjiang，843000，China;2.Sino Shaanxi Nuclear Industry Group 214 Brigade Co， Ltd， Xi’an，Shaanxi，710100，China）

Abstract： The exploration and identification of disaster factors is an important means to ensure the safety of coal production， therefore the survey of hidden disaster factors has a significant for safety production of colliery. In this article， the authors devoted to apply Semi-airborne electromagnetic method（S-ATEM） for detecting goaf water and recharging channel by groundwater as the research of a colliery of Kuqa—Baicheng coal field in Xinjiang Uygur Autonomous Region. Notable successes have been achieved significant effectiveness based on drilling and pumping test. So， It has guiding significance for the later survey of hidden disaster factors.

Key words： S-ATEM; Survey of hidden disaster factors; Coal mine goaf; Apparent resistivity