煤层采空区内煤层气储气构造半航空瞬变电磁探测——以沁水煤田为例

田忠斌, 马玉龙, 李貅， 嵇艳鞠， 黎东升,6

1 山西省煤炭地质物探测绘院， 山西晋中 030600 2 中国地球物理学会院士专家工作站， 山西晋中 030600 3 资源环境与灾害监测山西省重点实验室， 山西晋中 030600 4 长安大学地质工程与测绘学院， 西安 710054 5 吉林大学仪器科学与电气工程学院， 长春 130026 6 中国科学院地质与地球物理研究所 中国科学院矿产资源研究重点实验室, 北京 100029

0 引言

煤层气是一种利用价值极高的气体矿产资源.高效开发和利用煤层气，在减少烟尘污染，发展绿色经济等方面具有重要的意义.山西省是煤层气资源大省，截至2020年底，山西省煤层气累计探明地质储量达1.06万亿立方米，约占全国总探明地质储量的89.83%.煤层气产量达到77亿立方米，占全国的75.27%(郑民等，2018).山西省中南部地区各大煤田采空区中蕴藏着丰富的煤层气资源，具有极大的经济效益.

我国煤矿煤层气开发主要是以生产矿井的未采或卸压煤层中抽取瓦斯为主，废弃矿井采空区煤层气开发尚处于探索阶段.采空区煤层气资源评价、计算目前还存在于理论研究阶段.最常用的方法是基于“横三区”和“竖三带”理论，通过已知采空区的地质、物性、采掘(方式、范围、年限)和瓦斯抽采资料，建立模型，对已知采空区内的煤层气进行评价计算(孟召平等，2016；李俊等，2018).然而，采空区煤层气的评价与开发涉及构造地质、水文地质、煤层气地质、采煤、通风、流体力学等诸多因素的综合学科理论和工程研究，国内尚未建立系统性理论基础.同时，在实际评价过程中，采空区往往由于历史原因存在基础地质资料缺失、剩余资源不清、采掘方式多样、扰动范围不详、导水裂隙不明、采空积水分布未知等局面，其中，部分因素的确定是极为困难的，导致煤层气资源的评价指标往往存在较大的误差，甚至是盲目的、不准确的.与未采煤层中的吸附态煤层气可以通过基于地震勘探的属性预测、寻找富集有利区相比(田忠斌等，2016)，采空区煤层气的富集区显然极为复杂，而当前尚没有相关理论或工程手段可以实现采空区煤层气富集区或储气构造的直接探测.基于物探手段，首先了解采空区、采空积水区、采动裂隙的赋存范围，根据已知地质资料和游离态煤层气生产、运移和赋存所需的基本条件，判断该采空区是否具备煤层气储集条件，是建立采空区煤层气地质模型的基础，由此，对高瓦斯矿井采空区煤层气的地质勘查就转换为对采空区圈闭构造的勘查.

采空区及采空积水区的勘查已经在各大煤田中广泛开展.传统地面煤矿采空区探测技术主要依赖地震类及电磁法类勘探技术, 薛国强等利用地面磁性源瞬变电磁法、电性源短偏移距瞬变电磁法等常规电磁法等做了大量的理论研究和实际观测(Xue et al.，2013, 2018，2018b，2018c；何继善和薛国强, 2018)，王绪本等(2013)探讨了利用可控源音频大地电磁法(CSAMT)开展了采空区探测及煤层气富集区的勘查的可行性.此外直流电测深法(DC)、频率域测深法(FEM)也是采空区探测中较为常用的方法，在各地质勘查单位中应用也较为广泛(Xue et al., 2015, 2018a).但是，目前传统的地面采空区探测技术普遍存在探测能力不足及精度低的共性，同时高密度物探工作意味着施工成本的极速攀升和工作效率的下降.因此亟需开展多种地球物理探测技术的集成创新，形成多波场联合探测技术，用于快速、精准、低成本探测废弃矿井不同煤层采空区的边界及各类煤柱的具体位置、分布和规模大小，并准确识别煤炭开采后“竖三带”中裂隙带和垮落带的分布范围和展布规律(王争等，2021).

半航空瞬变电磁法(SATEM)采用地面发射空中接收的方式(Wu et al.,2019；张莹莹和李貅，2017)，极大地规避了复杂、困难地形对地球物理勘探的影响，工作效率较传统地面电法勘探提升了数倍.同时，采集系统在空中自动不间断采集，使得采样点距由传统地面物探的几十米加密至几米，大数据的获取，对于横向分辨能力的提高具有十分重要的意义(Wu et al., 2019).通过波场变换技术将半航空电磁数据转换为虚拟地震波数据，借助于地震勘探的偏移成像技术进行成像，显然电磁数据越密集“成像”精度越高.这样，可以实现利用一种物探方法实现快速、高密度探测，震、电两种波场联合解释分析的目的，从而对采空区范围、含水性、以及上覆岩层裂隙程度进行定性分析，最终实现采空区煤层气储气构造的探测.

1 采空区煤层气储气构造地质特征

1.1 原生态煤层气储气构造影响因素及勘探方法简述

原生态的煤层气赋存在煤层中，以吸附态为主(约占90%)，兼有游离态和水溶态两种类型(杨浩, 2017).煤层气与煤是同体共生、共存的矿产，具有相同的成因.煤层既是煤层气的源岩，又是煤层气的储气层.原生态煤层气是当前煤层气开发的主要对象，煤层气的有无以及储量与地质年代、岩性、构造、水文地质、埋藏深度、煤质、煤厚、围岩的封闭性以及煤层的地球物理和地球化学特征有关.同常规天然气资源勘探一样，地球物理勘探是煤层气资源勘探的主要地质手段.对于原生态煤层气储藏构造，储层在速度和密度上具有明显的差异，通过分析测井资料，采用地震勘探方法，利用岩石物理特征以及地震波场特征来研究煤层岩性、含气属性等煤层气特性，根据煤储层参数与井震数据之间的关系，预测煤层气的富集区.如图1，对于完整的原生吸附态煤层气，通常通过压裂的方式解析出煤层中的煤层气，最终得以抽采.

图1 吸附态煤层气开采过程示意图Fig.1 Schematic diagram of adsorption state CBM exploitation

1.2 采空区煤层气储集构造特征及影响因素

随着煤炭资源的开采，受应力释放的影响，在工作面周围会产生不同的采动影响区、带，即：横向上沿工作面走向的煤壁支承影响区、离层区、重新压实区，纵向上由下往上的垮落带、导水裂隙带和整体弯曲下沉带，简称“横三区”和“竖三带”.应力的释放会导致所采煤层的剩余煤炭以及邻近煤层的吸附态煤层气释放，通过采动裂隙进入到采空区中形成游离态的煤层气.煤层气大量涌入采空区及采动裂隙后，当整个储气空间是密闭的，密闭良好的采空区就像一个充满瓦斯气体的“气球”(孟召平等,2016).这个“气球”的影响因素有四个：

(1)煤层中煤层气的含量；(2)开采煤层所属煤系地层邻近煤层发育情况；(3)采掘位置、采动破坏范围、回采率等；(4)采空积水情况.

如图2，当地层水充满导水裂隙或采空区时，会阻碍煤层孔隙中吸附态气体的逸散，对于采动裂隙带延伸至地表，或弯曲带形变引起地裂缝时，采空区中的煤层气会发生逸散.因此，采空区煤层气的生成、运移和储集成藏，不仅需要有足够的煤层气生成，还需要保证采空区内不存在积水、采动裂隙范围不足以到达地表形成地裂缝.

图2 采空区煤层气示意图Fig.2 Schematic diagram of CBM in goaf

采空区中采动裂隙的影响范围是建立采空区煤层气地质模型的关键因素，也是采空区能否成为储气构造的关键，但如何准确确定上覆煤岩层和下伏煤岩层的扰动影响范围是一项极为困难的工作.不同地质条件、开采层位的数量、不同采掘方式和开采年代的矿井可能有不同的扰动影响范围.通常长臂工作面向上150～200 m，向下40～70 m均会有应力释放，裂隙带的高度通常为垮落带的1.3～2.5倍.浅埋深煤层群高强度开采会导致明显的地裂缝，覆岩抗拉强度越小，开采范围越大，开采深度小，地表易形成地裂缝，甚至会形成地面塌陷，最容易形成地裂缝的区域位于采区边界(王来贵等，2010).煤层群开采覆岩内裂隙主要为基岩中沿开采边界向上发育的“上行裂隙”，表土层中自上而下发育的“下行裂隙”，当两者贯通，采空区不再密闭，采空区及裂隙带中的煤层气会通过裂隙通道发生逸散.

由于煤层气的主要成分是甲烷，其电性特征、弹性特征等物性特征与采空区中的空气基本没有差别，因此直接利用物探手段寻找采空区煤层气不具备地球物理勘探所需要的物性差异.然而，作为煤层气的储集构造，采空区与原状地层有着明显的电性差异，根据以往地质资料在华北煤系地层中，完整的煤系地层电阻率分布特征总体符合H型地电断面，而当煤层开采后根据采空区的含水性特征，电阻率曲线会发生变化(图3).在含水采空区与非含水采空区具有较大的电性差异，含水采空区表现为低阻反应，而不含水采空区表现为相对高阻反应.

图3 煤层不同开采状态下的电阻率曲线图Fig.3 Resistivity curve of coal seam under different mining conditions

此外，地震勘探中裂隙带的存在表现为弹性波能量的损失.这样通过对电性和波阻抗特征的分析，寻找有利于煤层气储藏的采空区.本文将圈闭的、不含水的采空区作为采空区煤层气富集的主要甜点“地质构造区块”，而将积水采空区以及明显存在塌陷、裂隙等导水、导气构造的非圈闭采空区作为煤层气非富集区块.这样，对于高瓦斯矿井，我们可以把具有一定规模的、圈闭的、不含采空积水的煤炭采空区认为是良好的煤层气储气单元，而将含水采空区或者不圈闭的采空区作为非有利区，对于大面积采空的矿区，通过排除非有利区，寻找有利区，可以帮助地质人员建立采空区煤层气储藏构造的地质模型，指导煤层气资源的预测和计算.

2 半航空电磁法及关键技术

2.1 半航空电磁法简介

半航空瞬变电磁法(Semi-airborne transient electromagnetic method，SATEM)是一种航空类电磁法.它利用接地导线向地下供以阶跃电流，在电流断开的间隙，位于空中的无人机搭载接收系统采集二次场电磁信号(图4)，又称地空瞬变电磁法(李肃义等,2013； 张莹莹等, 2015; 张莹莹, 2016; 方涛等, 2015).与常规电磁方法类似，半航空瞬变电磁法以地下介质的电、磁性特征作为物性差异，通过处理分析物性差异结果，实现地下目标体的识别.该方法具有发射功率大，探测深度深，测量速度快，工作效率高，受地形影响较小的优势，兼具航空电磁法和地面瞬变电磁法各自的优势(Wu et al., 2019；殷长春等, 2015a，2015b).

图4 半航空瞬变电磁法示意图Fig.4 Schematic diagram of SATEM

2.2 半航空电磁法全域视电阻率计算方法

瞬变电磁法在早期发展过程中，受当时计算条件的限制，在电磁场整个衰减期内，人为将视电阻率划分为早、晚期，并作了简化处理，得到了视电阻率的解析表达式.但是无论早期还是晚期视电阻率，均有应用条件.然而在实际生产中，晚期视电阻率被广泛应用，甚至是不考虑条件地应用，把晚期视电阻率当成了不分远近、不分早晚的“全期、全区视电阻率”使用，造成了处理成果与实际结果有较大的偏差.

为解决上述困局，李貅提出了瞬变电磁全域视电阻率的思想，通过数值计算的方法求解出电磁场中的电阻率，得到携带时、空信息的全域视电阻率(张莹莹等,2015；李貅等,2021).通过计算分析发现，感应磁场B(t)关于电阻率参数的函数形态相对简单，尤其是垂直分量Bz(t)与电阻率的关系是一一对应的单调关系，这就为基于反函数定理思想定义视电阻率创造了条件.但是由于Bz(t)与ρ之间是极为复杂的函数关系式，无法利用反函数的思想求解得到ρ=f(Bz(t))的解析表达式，为此，将Bz(t)进行泰勒展开，并取其线性主部(张莹莹等,2015；张莹莹,2016)，得到了公式(1)：

(p=x,z),

(1)

这样就得到了Bz(t)与ρ的准线性关系表达式.继续对(1)式进行变换.

(2)

将(2)式写成迭代的形式：

(3)

其中，

(4)

(4)式的迭代终止条件为

(5)

其中，ε是给定的迭代终止误差限，Bp(ρ,C,t)(p=x,z)是采集得到的磁感应强度.这样就可以通过数值计算的方式得到全域视电阻率(张莹莹等,2015).

2.3 半航空瞬变电磁拟地震偏移成像技术

众所周知，电磁场是扩散场，满足的扩散方程，由于没有所谓的“反射”，因此无法像地震勘探那样进行成像.为此，建立起扩散方程与波动方程之间的关系，可以实现两种不同波场之间的变换(戚志鹏等,2013；Li et al., 2018)：

(6)

其中E为表达扩散方程的场量，而U为表达波动方程的场量.

根据此积分方程，即可完成扩散场数据与波场数据之间的相互转换.一般地，将由地震波场转换到扩散场的变换称为波场正变换，由扩散场变换到波场的变换叫做波场反变换.通过进行波场反变换，求解一系列不适定问题，实现电磁场向虚拟波场的转换.半航空瞬变电磁数据在空间上往往携带含有偏移距的空间信息，按照偏移成像的要求，在进行偏移前，需要对虚拟波场进行动校正和初至切除，最后进行克希霍夫偏移，从而实现半航空瞬变电磁的拟地震偏移成像(Li et al., 2018).具体步骤如下：

(1)将采集的半航空瞬变电磁场通波场变换方法变换为虚拟波场；

(2)对波场变换得到的虚拟波场数据进行初至地震波切除；

(3)对虚拟波场数据进行动校正处理；

(4)通过数值积分和数值微分实现克西霍夫积分的数值计算，从而进行自激自收数据的克西霍夫偏移，获得深度偏移剖面(智庆全，2015).

3 测区概况与测线布置

勘查区位于山西省中部，区内主要含煤地层为典型的华北地区石炭、二叠系煤系地层(表1).

表1 沁水煤田煤系地层各层平均电阻率简表Table 1 Table of average resistivity of coal strata in research area

由于勘查煤层埋藏较浅，区内开采历史悠久，开采程度较高，采空区分布极广，除目前搜集到的采掘信息外，区内分布有大量小窑破坏区，因此地质信息较为复杂.勘查区主采煤层上覆砂岩一般为含水砂岩，伴随着煤矿开采，尤其现代化采掘技术采用的放顶煤操作导致地层塌陷、破碎.结合以往地面瞬变电磁勘探成果，本区采空区往往含水，表现为中低阻异常.

本次勘查的主要目的是查明研究区内采空(积水)的空间位置信息和含水情况，评估采空区是否具备煤层气的储集条件，为采空区煤层气资源调查与评价提供技术支撑.

图5 测线布置示意图Fig.5 Schematic diagram of survey line layout

如图5，根据已知地质资料，测线布设方向与地层的走向垂直，测线方向为北东向，测线间距为100 m.采用接地长导线源作为发射源，发射源与测线方向平行.经过施工前试验，本次采用的施工参数为：发射源长度：2 km；发射电流：40 A；最大旁侧距600 m；发射基频：12.5 Hz；飞行速度8 m·s-1.

4 探测结果分析

通过对原始数据的筛选、滤波和基线校正(黎东升，2016)，采用SATEM全域视电阻率算法对数据进行处理(李貅等，2015)，得到了该地区SATEM的视电阻率断面.将预处理后的电磁数据转换为扫时虚拟波场.基于克西霍夫偏移成像，得到了该地区SATEM拟地震偏移剖面.通过对两类图的综合对比分析，达到了地质目标体解释的目的.

图6和图7为研究区400线SATEM全域视电阻率剖面和拟地震偏移成像剖面.根据已知的开采数据，400线所覆盖的区域几乎全部为采空区，上部小窑开采分布不明，部分区域存在老空水.在图6中，视电阻率由浅到深先减后增，为典型的H型地电剖面，与研究区地层电阻率变化特征相吻合.根据煤层深度，在视电阻率剖面中加入煤层线.在煤层线附近，视电阻率横向变化较大，反映了不同开采阶段煤层采空区的变化.在2800—4150点煤层线附近，视电阻率剖面表现为中-高电阻率异常，应为无水采空区.视电阻率在4250—5000点和5550—5850点之间呈低电阻率响应.根据已知采空积水区的位置以及视电阻率特征，本次勘查将视电阻率45 Ωm作为采空积水区的阈值，低于该阈值的区域推测为采空区积水聚集区.

在图7中，SATEM拟地震偏移成像图与地震勘探中的地震剖面图相似.当地层具有较好的横向连续性，且不存在裂缝带和陷落柱时，同向轴连续、具有较强的能量.当断裂区或断裂区出现时，同向轴能量减小，连续性差，甚至能量消失.图7中大部分点的同轴度是连续稳定的.在2800—3100点之间，在纵向上同轴能量很弱甚至消失.通过与已知采空区位置的对比，同相轴能量缺失的位置位于采空区边缘2800点附近.浅埋煤层群覆岩与地表裂隙发育规律，采掘引起的地表裂缝主要是区段煤柱边界裂缝，区段煤柱边界裂缝最长，裂缝宽度和落差也最大，容易形成永久边界裂隙与采动裂隙贯通，根据上述理论结合图7中2800点附近从近地表至主采煤层深度均出现能量缺失的特征，推测在采空区边界处发生塌陷、沉降或断裂，或出现地裂缝.由于裂缝的存在，这些地层不能形成圈闭环境，不是能够存储煤层气的圈闭构造.3200—4150点段，为已知采空区中段，并在视电阻率断面图上表现为高阻，拟地震剖面上显示为较连续的波阻抗特征，因此推断采空区上覆地层较为连续，具备储层的圈闭特征.在4250—5800点之间同相轴能量发生不同程度上减弱，但具有良好的连续性，该段视电阻率显示了低电阻响应因此推断为采空区积水区，亦不具备良好的煤层气生成条件.

综合分析了图6和图7的电阻率和波阻特征，400线在3200—4150点段，存在不含水采空区，且采空区上部岩层连续性较好，因此推断3200—4150点段存在采空区煤层气的有利储气构造区.2800—3100点段，为不含水采空区，但是在纵向上，采空区顶部到地表波阻抗同相轴能量消失、不连续，推测存在规模性塌陷或裂隙，因此不具备储气构造需要的圈闭条件.4250—5050点5600—5800点段推测为采空积水区，亦不满足采空区煤层气的生成和储集条件.

图6 400线半航空瞬变电磁全域视电阻率断面图Fig.6 Section diagram of full domain apparent resistivity of SATEM at line 400

图7 400线半航空瞬变电磁拟地震偏移成像断面图Fig.7 Section diagram of SATEM pseudo-seismic migration at 400 line

为验证波阻抗能量缺失的成因，在该异常区地表进行了地表勘验，根据400线野外勘测验证结果，在400线2800点附近发现大量地裂缝(图8)，地裂缝最大下沉高度约70 cm，裂缝宽度约30 cm，结合采空区分布范围、拟地震波阻抗特征、推断该处采空区不完整，不具备煤层气储气库所需的圈闭构造.

图8 400线2800点附近的地裂缝Fig 8 Ground fissure near point 2800 at Line 400

5 结论

采用半航空瞬变电磁法对采空区煤层气构造勘查具有较强的挑战性.从勘探设计、数据采集、处理、解读等方面都是一次全新的尝试.经过艰苦的尝试，SATEM在煤层气资源勘探中的应用可归纳如下:

(1) 本文通过对采空区煤层气的产生机理、物性特征、储层构造特点及影响因素进行分析，认为当前在实际工作中采空区煤层气地质模型的建立存在一定的偏差，且尚没有一种工程技术可以直接寻找采空区煤层气.认为可以通过物探技术对采空区进行勘查，并分析采空区的属性，从而间接推断该采空区是否具备煤层气储气构造的条件.

(2) 采用半航空瞬变电磁法对存在小窑破坏区、地质资料完整矿区的采空区进行了快速、高密度探测，分析了采空区的含水性特征.充分利用半航空电磁采样密度高的特点，采用波场变换技术和拟地震偏移成像技术对半航空电磁技术进行了“拟地震成像”处理，并分析了采空区上方盖层的连续性情况.

(3) 勘探结果显示了典型采空区和老空水的特征，在普查工作中具有良好的应用效果.通过探明采空区是否积水和煤层气储层是否存在封闭的储层环境，可以间接实现煤层气的探测，这为电磁法探测采空区煤层气资源提供了新的思路.

(4) 采空区本身是一种极为复杂的地质异常体，当前采空区煤层气的调查与评价由于影响因素众多、且部分影响因素的获取极为困难，本文提出的采空区煤层气储气构造间接勘查方法，在采空区煤层气普查初期初具效应，但是仍然受地质、采掘等因素的影响，要想完全满足详查目标，仍然需要结合煤层气地质、构造地质、水文地质、岩土力学、采矿工程、物探技术进一步进行多学科综合研究.