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]，其中采空區積水是較為常見，對煤礦生產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的隱蔽致災因素尤為重要，物探是實現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、體積效應小等優點廣泛用于資源勘查、礦山采空區、小窯積水勘探中[3]。本次以甘肅省白銀市H礦區為例，參考鄰區常規瞬變電磁探測效果并結合勘查區實際，采用多激勵源地空瞬變電磁法開展勘查工作，探測結果成功圈定了采空區積水的分布范圍，為礦井安全生產提供了保障。

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射，在空中采用無人機掛載線圈接收磁場對時間的導數或采用磁探頭接收不同方向的磁場實現高密度數據采集。發射端調整源的位置、發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，達到實現精細地質勘探的目的。該方法相較于傳統瞬變電磁法，能顯著提高野外工作效率及探測分辨率[4]。

2 勘查區概況

2.1 地質特征

（1）地形地貌。H 礦區區位于靖遠礦區紅會一礦井田南部，地處平川區共和鎮境內，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。區內地層自下而上包括：上三疊統延長群（T3yn），中侏羅統窯街組（J2y）、新河組（J2x），第四系（Q）。

（3）構造。馬家寬溝向斜軸從礦區東部由北至南穿過，礦區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

礦區地層相對穩定，瞬變電磁曲線基本為H 型[5]，結合區內地質資料，得出了本區地層電性特征，如表1所示。

表1 地層電性特征

3 數據采集及資料處理

3.1 數據采集

物探測線在礦區北西南三面重點區域布設，共布置18 條，線距20m，點距10m。采用地空瞬變電磁工作裝置，發射源為接地長導線源，電極使用鋁板與鋼釬并聯。工作電流20A，發射波形為25Hz 的方波。接收系統為無人機搭載接收機和線圈進行采集，連續自接收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，從而進行下一步解釋。本次處理主要分4 步：①全波形數據基線校正。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據進行基線校正，使得各個點的晚期都趨近于零。②數據預處理。③全域視電阻率定義。④時深轉換。

4 資料解釋

采空區裂隙帶充水或采空區積水時，破壞了層狀的電性結構，表現為電阻率低值異常、等值線波動，可作為解釋本區采空區積水范圍的依據。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底板圍巖的綜合電性反映，電阻率低阻異常為采空區積水的反映（圖1 中虛線框所示），積水頂底界標高1410～1490m。

圖1 11 線反演電阻率推斷解釋剖面

勘查范圍內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。結合勘查區實際，認為低電阻率特征（30～80Ω·m）為采空區積水或煤層采空后形成的裂隙帶積水的電性反映。依據上述視電阻率的差異圈定了積水區的分布（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，參數選擇合理。采用多個地面發射源系統，增強了采集信號強度，提高了數據信噪比，采用無人機空中接收系統，極大的提高了工作效率，節約了成本。圈定的采空積水區基本可靠，完成了地質任務。主要取得了以下地質成果。

（1）初步了解了勘查范圍內地層的電性特征，第四系視電阻率約為30～50Ω·m，中侏羅統新河組視電阻率約為25～40Ω·m，中侏羅統窯街組煤層及其頂底板圍巖的視電阻率約為80～180Ω·m，煤層采空區積水后的視電阻率約為30～80Ω·m。

（2）大致圈定了積水區的分布范圍，主要劃分積水區2 塊，第一塊積水區主要分布在1～5 線測點500～720，6～10 線測點640～880 及11～13 線測點640～840，頂底界標高1410～1490m，面積約為0.05km2；第二塊積水區主要分布在14～18 線500～700 測點，頂底界標高1410～1510m，面積約為0.016km2。初步分析含水區主要是煤層采空區及其裂隙帶充水所致，另外含水區內地勢較低，也是導致含水的原因之一。