地空时间域电磁系统在陕西神木地区煤矿采空区勘查中的应用

王振荣，程久龙，宋立兵，滕 飞，李 果，杨茂林，陈永亮

(1.国家能源集团神东煤炭集团有限责任公司，陕西 神木 719315；2.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083；3.吉林大学 仪器科学与电气工程学院，吉林 长春 130061)

0 引 言

地空时间域电磁系统起源于20世纪70年代，采用接地电性源作为激励源，采用悬于空中的感应线圈作为接收器，是一种基于航空电磁法的TURAIR系统。这种地面激发、空中接收的方法通常称之为半航空电磁法[1]。20世纪90年代初，为解决探测深度的限制，Elliott研制了航空平台和地表回线结合的固定回路航空瞬变电磁(FLAIRTEM)系统，实现了在起伏地形下的深部地下探测[2]，并于1998年对上述系统进行了进一步改进[3]。同年，Mogi等设计了接地源型航空瞬变电磁(GREATEM)系统[4]，对深部金属矿藏和地热资源进行勘探，证实了地空电磁系统适用于起伏地形，并于2014年完善了该系统，成功地将地空时间域电磁法应用于日本东南部九十九里滨地区浅海域的地质调查[5]。2017年，Li等采用地空时间域电磁系统在江苏省燕尾港地区进行了海水入侵的调查[6]。地空探测系统研究不断发展的同时，相关的电磁数据处理研究也在进行。Wang等采用10层小波分解的Sym8小波进行基线漂移校正，消除基线漂移对反演结果的影响[7]。李肃义等根据地空电磁信号的特点，基于小波多分辨率分析原理，利用小波高尺度近似分量估计基线漂移，用于校正电磁数据[8]。李貅等开展了电性源瞬变电磁逆合成孔径成像方法研究[9]。随后，张莹莹等结合微分电导和相关叠加合成算法，提出了多辐射场源地空瞬变电磁快速成像解释方法[10]。赵涵等则利用OCCAM反演方法实现了多辐射场源地空瞬变电磁一维反演[11]。张向阳等提出了基于移动窗口的均值滤波算法来处理地空瞬变电磁数据的基线漂移现象[12]。

地下采空区的存在极易引起地层塌陷、矿井突水等地质灾害，不仅给煤炭生产带来重大损失，也严重威胁人员生命安全[13]。陕西神木地区哈拉沟煤矿三盘区主采2-2煤层的埋深基本不超过100 m。受附近原小煤矿越界开采影响，局部可能已形成积水采空区，为保证煤层能够进一步安全采掘，需要准确查明积水采空区的分布情况。由于本次煤矿采空区勘查工作要求时间周期短、分辨率高，而勘查区内覆盖大面积果园、青苗以及铁网，不适合地面密集探测，所以选用施工效率高、抗干扰能力强的地空时间域电磁系统进行勘探。本文首先介绍地空时间域电磁系统的探测原理、数据处理和解释流程等，再结合已知地质资料与钻孔资料，对地空探测结果进行对比分析与解释，最后准确圈定勘查区内地下含水采空区的分布范围，为矿井采掘接续工作和水害防治提供了可靠的地质依据。

1 勘查区地质概况及地球物理特征

哈拉沟煤矿位于陕西省神木市西北方向直线距离约55 km处的乌兰木伦河东北侧。本次勘查区位于乌兰木伦河东岸，区内地层大部分被第四系松散沉积物所覆盖，仅在乌兰木伦河沿岸有基岩出露。井田地层由老至新依次为上三叠统永坪组(T3y)、中—下侏罗统延安组(J1-2y)、中侏罗统直罗组(J2z)、新近系上新统三趾马红土(N2)及第四系(Q)。区内无大型断层，地质构造简单。

依据地下水的赋存条件和水力特征，将矿区含水层分为新生界松散层孔隙潜水，中生界碎屑岩裂隙潜水、承压水以及烧变岩裂隙孔隙潜水。潜水接受大气降水补给，承压水接受区域侧向补给和浅层水越流补给。地下水径流主要受地形地貌以及地质构造的控制，总体流向是由西北往东南方向。勘查区内发育的裂隙孔隙构造为煤矿采空区积水提供了良好的发育条件。

岩层在致密完整的情况下的电阻率相对较高，如果发育有煤矿积水采空区或采空巷道，该范围内的导电性会显著增强，使得该区域与周围介质产生明显的电阻率差异，形成低阻异常体，且电阻率的大小随岩性和富水性程度而变化，这正是地空时间域电磁系统探测煤矿积水采空区的地球物理前提。

2 探测原理

地空时间域电磁法(Ground-airborne Time Domain Electromagnetic Method，GATDEM)，又称为半航空电磁法，是继地面电磁法、航空电磁法之后一种新的电磁探测方法。其原理如图1所示，采用铺设在地面的接地长导线作为发射源，并向其中通以电流建立一次场，在电流关断后，利用搭载在飞行器上的接收传感器观测垂直方向感应电磁场，实际观测的大部分是垂直磁场随时间的变化率。最后通过数据处理，获取随时间变化的视电阻率曲线以及随深度变化的地下电性结构分布[14-15]，早期的视电阻率对应浅部地质电性信息，晚期的视电阻率对应深部信息。地空时间域电磁法适用于中浅层的低阻异常勘探(20～500 m)，不仅具有地空时间域电磁法数据信噪比高、探测深度大等优点，同时也具有航空时间域电磁法工作效率高的优势，特别适用于中国山地、森林覆盖区、沼泽等地面难以进入的地区开展资源的非接触快速探测工作[16-17]。

图1 地空时间域电磁法探测原理示意图

3 系统简介及数据分析方法

3.1 系统简介

对煤矿采空区勘查选用JL-GAEM型多功能地空电磁探测系统，其包括地面发射系统和机载时频域电磁一体式接收系统两部分。地面发射系统如图2所示，电源车内部集成包括发电机等全部发射系统模块，发射系统通过编码可实现时间域或频率域模式的激励信号发射。机载时频域电磁一体式接收系统包括空心线圈感应传感器、多通道接收机和地面检测站3个部分。该接收系统基于GPS同步触发，可远程控制时间域与频率域接收的切换，具有低噪声、低功耗、高精度等优势。本次探测选用的是基于旋翼无人机的单分量地空电磁信号接收系统(图3)，其中空心线圈感应传感器本地噪声低于10 nV·Hz-1/2。

图2 地面发射系统

图3 基于旋翼无人机的单分量地空电磁信号接收系统

3.2 数据采集

测点布置如图4所示，勘查区实际地空电磁探测面积为0.66 km2，近似SN向布置测线23条，线距30 m，点距5 m，有效物理测点4 580个，检查点627个，合计总物理测点5 207个。

图4 测点布置示意图

根据勘查区以往地面瞬变电磁探测结果以及探测需求，地面布设导线源长度为1 200 m，发射波形为12.5 Hz频率的双极性方波，发射电流30 A，空中接收线圈等效面积为2 160 m2，采样频率为33 kHz。具体仪器采集参数如表1所示。图5为发射机发射电流波形图。

表1 仪器采集参数

电流信号的频率为12.5 Hz

3.3 数据处理与解释

地空时间域电磁探测数据处理与解释主要过程如图6所示，具体包括数据预处理、求取地电参数、视电阻率-视深度成像以及地质解释。

图6 数据处理及解释流程

(1)数据预处理：进行数据截取、评价和叠加；噪声处理和基线校正；时间域信号数据的抽道。

(2)求取地电参数：将获得的综合叠加信号转换成随时间变化的视电阻率曲线。

(3)视电阻率-视深度成像：对视电阻率曲线进行滤波、压制干扰等处理，并根据已知的测井资料，分析勘查区电性相对变化规律，初步了解剖面地质结构，进行视电阻率-视深度成像。

(4)地质解释：依据视电阻率测井曲线、其他物探信息和岩石物性信息等，对视电阻率-视深度断面进行标定及地质层位划分。结合先验资料，通过对异常值的追踪与对比，对探测结果进行综合地质解释。

3.4 视电阻率和视深度计算

均匀半空间条件下，电偶极子激发的垂直磁场响应计算公式[18]为

(1)

将多个电偶极子的响应进行叠加，即可得到接地长导线源沿垂直方向电磁响应值。

记t0为发射的关断时间，μ为地下介质磁导率，结合式(1)可得电磁场扩散深度δ(t)，其表达式为

(2)

结合式(1)和(2)即可求取需要的视电阻率和视深度进行绘图。

4 结果分析

为了查明陕西神木地区哈拉沟煤矿采空区情况，对23条测线的地空探测信号进行数据处理，得到勘查区内地下视电阻率分布。图7、8给出了部分测线的噪声处理前、后观测数据0.192～26.000 ms的电压多测道图(不同颜色曲线代表不同延时)。图9给出了对应测线的视电阻率剖面，揭示了L6、L7和L8等3条测线在地下300 m范围内的地电结构分布情况，图例显示该区域内视电阻率范围为8～168 Ω·m。从图9可以看出，勘查区内横向电阻率变化不连续，3条测线视电阻率随探测深度增加均呈现近似“高→低→高”的特征。图9中,地下100 m深度的黑线标示为2-2下煤层，且3条测线均在煤层附近局部区域出现相对低阻，分布深度分别为L6测线地下320～490 m，L7测线地下200～420 m，L8测线地下170～420 m；这些低阻带在空间上具备连续贯通性，可能为地下积水采空区的发育位置。结合钻孔资料进行综合分析，结果表明：4#钻孔在L8测线地下230 m处，钻孔至2-2下煤层位出现积水采空区，与L8测线低阻异常相对应，探测结果与实际情况吻合；1#钻孔在L7测线地下620 m处，孔深为88 m，从钻孔岩性柱状图(图10)可以看出，地层由浅至深总体表现为由风积砂到粉砂岩，再到泥质胶结型粉砂岩的变化，且深部水平层理发育，地层电阻率逐渐降低。从已有地质资料可知，勘查区除采空区外，还存在采空巷道，因此，推测L7测线在地下550～650 m处的弱低阻异常可能为采空巷道引起的煤层底板岩层含水所致。

图7 L6～L8测线噪声处理前观测数据多测道图

图8 L6～L8测线噪声处理后观测数据多测道图

图9 L6～L8测线视电阻率剖面

图10 1#钻孔岩性柱状图

图12 地下90 m处视电阻率切片

图13 地下120 m处视电阻率切片

图14 地下150 m处视电阻率切片

结合煤矿地质资料，分别抽取勘查区内深度范围为60～150 m、间隔为30 m的视电阻率切片(图11～14)。视电阻率高低主要受地层岩性和含水率等因素的影响。图11～14中蓝色位置反映该处为相对低阻异常，推测可能是煤层的采空区充水引起，并且视电阻率越低，表明地层富水程度越高。由图11～14可以看出，勘查区整体上东侧的视电阻率较高，西侧的视电阻率值偏低，特别是西侧中部区域的视电阻率相对低阻明显且范围较大，沿深度方向也有一定的延伸，推测是由积水采空区引起的异常反映可能性较大。

为更加清晰地反映采空区的平面范围，将地空时间域电磁系统沿哈拉沟煤矿2-2下煤层深度的异常区圈定结果投影到测点布置图中。全区共圈定8处低阻异常，包括5处相对低阻异常区域(深蓝色圈定区域)和3处相对弱低阻异常区域(浅蓝色圈定区域)(图15)。由于L8测线地下250 m处低阻异常已经被证实为采空积水区，而其他4处相对低阻异常区与其视电阻率值一致(图11～14)且范围较大，所以也推断为煤层积水采空区，但剩余3处相对弱低阻异常区范围小，连续性差，推测由积水采空区引起的可能性小。

图15 勘查区低阻异常圈定范围

5 结 语

(1)利用地空时间域电磁系统，通过在地面布设长导线源、空中无人机采集信号的工作方式，获取了陕西神木地区哈拉沟煤矿三盘区原小煤矿地下积水采空区勘查中的地空时间域电磁响应数据。

(2)通过对地下300 m深度内的视电阻率特征分析，获取了勘查区地下电性结构的特性，准确圈定了勘查区疑似积水采空区范围。

(3)对比地空时间域电磁勘查结果与钻孔资料，验证了地空时间域电磁系统在采空区勘查应用中的可行性与高效性，为地层结构分析以及煤矿水害防治提供了有效的指导信息。