地空頻率域電磁系統(tǒng)在小煤窯勘查中的應(yīng)用

崔煥玉，郭培鵬，黎東升，周海根，滕 飛*

(1.河北煤炭科學(xué)研究院有限公司，河北 邢臺(tái) 054000；2.吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院， 吉林 長春 130000；3.國家地球物理探測儀器工程技術(shù)研究中心，吉林 長春 130000)

煤炭作為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要能源支柱，到2025年仍將維持55%以上的能源消耗比重[1-2]。然而淺層資源的開采已經(jīng)無法滿足日益增長的需求，礦產(chǎn)資源的開發(fā)方向已經(jīng)轉(zhuǎn)向地下深部。早在20世紀(jì)80年代初期，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展政策的影響下，全國各主要礦區(qū)出現(xiàn)許多亂采亂挖的小煤窯，這些小煤窯普遍存在越界開采情況，同時(shí)采掘資料不全或者資料造假嚴(yán)重，對(duì)后期煤礦資源整合以及礦井安全生產(chǎn)帶來很大的安全隱患。另一方面小煤窯采空區(qū)在地下水發(fā)育以及地質(zhì)松動(dòng)等條件下，極易造成充水和塌陷等典型地質(zhì)災(zāi)害，不僅影響自然生態(tài)環(huán)境，而且對(duì)民房、道路、以及建筑工程造成嚴(yán)重的安全隱患[3-5]。因此，開展地下小煤窯的勘查工作對(duì)于保障施工安全和環(huán)境治理具有重大意義。煤礦開采地區(qū)往往地表環(huán)境較為復(fù)雜，比如懸崖、地表植被茂密區(qū)、沼澤地等區(qū)域，常規(guī)的地面物探方法無法直接進(jìn)入，近年來，針對(duì)此問題，地空電磁法得到了較快的發(fā)展。張慶輝等人采用時(shí)域電性源地空電磁法對(duì)沁水盆地東南地區(qū)煤炭采空區(qū)及采空積水區(qū)進(jìn)行地球物理勘查，本次勘查表明時(shí)域電性源地空電磁探測系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)煤炭采空區(qū)的快速、精確勘查[6]。王振榮等人采用地空時(shí)間域電磁系統(tǒng)在哈拉溝煤礦三盤區(qū)附近原小煤礦可能開采范圍開展勘查工作，本次探測工作驗(yàn)證了地空時(shí)間域電磁系統(tǒng)在煤礦采空區(qū)勘查中的有效性,能夠?yàn)楣ぷ髅婧侠聿贾煤筒煽諈^(qū)治理等提供可靠的地質(zhì)信息[7]。侯彥威等人采用地空瞬變電磁對(duì)積水采空區(qū)進(jìn)行勘探,將此應(yīng)用于侏羅系煤田積水采空區(qū)的探測中，不僅可以解決地形對(duì)施工的影響，而且可以提高工作效率[8]。

針對(duì)煤礦采空區(qū)應(yīng)用的地空電磁法，目前主要是地空時(shí)間域方法，收發(fā)距較近。本文主要采用地空頻率域方法，實(shí)現(xiàn)大收發(fā)距探測，對(duì)于地面人員難進(jìn)區(qū)的探測有一定的優(yōu)越性[9-11]，該方法具有探測效率高、適用于惡劣地形區(qū)域等優(yōu)點(diǎn)，而且隨著系統(tǒng)和算法的不斷完善，該技術(shù)在深部資源勘查和地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測等方面具有廣闊的應(yīng)用前景[12-13]。

1 測區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)域地處山西古縣金古陽鎮(zhèn)白素澤泉村，井田位于泌水塊瑣郭道安澤近南北向褶帶的中西部邊緣地帶。區(qū)內(nèi)地層出露較好，自東北向西南由老而新依次出露：石炭系上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組、二疊系上統(tǒng)上石盒子組，第四系主要分布于山梁、山坡和溝谷[14]。

測區(qū)屬暖溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，井田地表水系屬黃河流域紛河水系。井田范圍內(nèi)西北部老牛溝發(fā)育有一山澗河流，其水量大小隨季節(jié)變化明顯，由北向南流過，注入洪安澗河再向南流至古縣縣城南后折向西沿洪安澗河在洪洞城南匯入紛河[14]。

井田總體呈不規(guī)則多邊形，南北長3.0 km，東西寬2.5 km，面積為8.506 km2。主要可采煤層有 2、9、10、11 號(hào) 4 個(gè)煤層，各煤層厚度變化相對(duì)穩(wěn)定，變化規(guī)律明顯，結(jié)構(gòu)簡單，煤類單一，煤質(zhì)變化小。其中，2號(hào)煤層沿溝谷有較大面積的出露和剝蝕，為局部可采煤層；9號(hào)煤層為大部可采煤層；10、11號(hào)煤層為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層[15]。

本次金谷煤礦測區(qū)地勢(shì)起伏較大，同時(shí)地表植被較多，地面物探方法不易進(jìn)入，且勘探工作要求時(shí)間周期短，分辨率高，因此選用對(duì)低阻反映靈敏，且受地形影響小、抗干擾能力強(qiáng)的地空頻率域電磁法進(jìn)行勘探。

2 地空頻率域電磁探測方法原理

地空頻率域電磁法(Ground Airborne Frequency Domain Electromagnetic Method，GAFDEM)，對(duì)地下低阻目標(biāo)體具有較高的探測靈敏度，其工作原理如圖1所示，在地面布置電性發(fā)射源，同時(shí)在空中采用無人機(jī)搭載探測線圈，獲取垂直磁場分量[16]。地空頻率域電磁探測法與地面可控源電磁法類似，系統(tǒng)的工作區(qū)域可劃分為遠(yuǎn)區(qū)和非遠(yuǎn)區(qū)(也叫作過渡區(qū)和近區(qū))。遠(yuǎn)區(qū)是指發(fā)射源產(chǎn)生的電磁波近似垂直入射到地面的近似平面波區(qū)。在該區(qū)域內(nèi)，電磁探測方法遵循頻率測深原則，即電磁波的趨膚深度只跟頻率和地電模型有關(guān)，而不隨收發(fā)距變化。此時(shí)，可依據(jù)趨膚深度公式設(shè)計(jì)系統(tǒng)觀測方案，即系統(tǒng)發(fā)射頻率越低，探測深度越大。在非遠(yuǎn)區(qū)，該探測方法也能夠在某特定測點(diǎn)獲得最大的電阻率靈敏度。

圖1 地空頻率域電磁法工作原理示意圖Fig.1 Diagram for working principle of ground airborne frequency domain electromagnetic method

地空頻率域探測方法一般觀測的頻率范圍為10 Hz到10 000 Hz，其理論勘探深度大約在2 km 左右[17]。而實(shí)際上受發(fā)射功率限制，同時(shí)由于接收機(jī)是懸吊于飛行器下方觀測，其低頻運(yùn)動(dòng)噪聲會(huì)覆蓋一定范圍的低頻有效信號(hào)，對(duì)觀測深度和范圍造成較大影響。探測深度的估算要視其可解釋的最低頻率決定，常規(guī)條件下(30 kW發(fā)射功率)能夠保證接收系統(tǒng)獲得10 Hz以上，10 km以內(nèi)收發(fā)距的信號(hào)。

當(dāng)電源布置在地面上，電線長度為L，電偶極源中的電流幅值為I，接收感應(yīng)線圈放置在高度為∣z∣的空中 (z<0) ，Rx處的感應(yīng)磁場Bz可計(jì)算為

(1)

3 地空頻率域電磁探測數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集、處理與解釋

3.1 地空頻率域電磁探測數(shù)據(jù)采集

對(duì)于金谷北區(qū)煤窯的探測選用JL-GAEM型多功能地空電磁探測系統(tǒng)，包括地面發(fā)射系統(tǒng)和機(jī)載接收系統(tǒng)兩部分。地面發(fā)射系統(tǒng)使用電源車，電源車內(nèi)部集成包括發(fā)電機(jī)等全部發(fā)射系統(tǒng)模塊，發(fā)射系統(tǒng)通過編碼，可實(shí)現(xiàn)頻率域模式的激勵(lì)信號(hào)發(fā)射。機(jī)載頻域電磁接收系統(tǒng)包括空心線圈感應(yīng)傳感器、多通道接收機(jī)和地面監(jiān)測站三部分。系統(tǒng)基于GPS同步觸發(fā)，具有低噪聲、低功耗、高精度等優(yōu)勢(shì)。本次探測選用電動(dòng)旋翼無人機(jī)作為飛行平臺(tái)，搭載接收機(jī)進(jìn)行信號(hào)的連續(xù)采集。圖2為JL-GAEM型地空頻率域電磁探測系統(tǒng)實(shí)物圖。

圖2 JL-GAEM 地空頻率域電磁探測系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.2 JL-GAEM ground airborne frequency-domain electromagnetic system

測點(diǎn)施工布置圖如圖3所示，測區(qū)實(shí)際地空電磁探測面積1.87 km2，沿南北方向布置測線124條，線距20 m，點(diǎn)距10 m，有效物理測點(diǎn)9 424點(diǎn)，檢查點(diǎn)608點(diǎn)，合計(jì)總物理測點(diǎn)10 032點(diǎn)。

圖3 測網(wǎng)布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the arrangement of measuring points

根據(jù)測區(qū)地形以及探測需求，地面布設(shè)電性源長度為1 950 m，發(fā)射波形為80、160、320、640、1 280 Hz的五頻偽隨機(jī)信號(hào)，發(fā)射電流30 A，空中接收線圈等效面積為2 942 m2，采樣頻率為31.25 kHz，具體儀器工作參數(shù)如表1所示。

表1 儀器工作參數(shù)表Tab.1 Instrument performance parameters

3.2 電磁探測數(shù)據(jù)的處理

地空頻率域電磁探測數(shù)據(jù)受空中線圈姿態(tài)變化影響，易引入低頻地磁場分量及同頻發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生的水平磁場分量，而導(dǎo)致數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯降低。這種現(xiàn)象對(duì)于遠(yuǎn)源接收點(diǎn)影響更明顯，因?yàn)樾盘?hào)隨收發(fā)距增大而快速衰減，在遠(yuǎn)源處信號(hào)微弱，姿態(tài)噪聲會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)信噪比明顯下降。因此，在數(shù)據(jù)反演成像之前，需對(duì)地空頻率域數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。地空電磁數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示，具體包括以下步驟：

圖4 地空電磁數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.4 Flow chart of ground airborne electromagnetic data processing

(1)小波去噪去除低頻基線：針對(duì)低頻地磁場和線圈低頻運(yùn)動(dòng)引入的低頻噪聲，采用小波變換的方法去除低頻基線，降低基線漂移在有效信號(hào)中產(chǎn)生影響；

(2)濾波：在頻譜分析前先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理濾除帶外噪聲，防止數(shù)據(jù)做截?cái)鄶?shù)據(jù)頻譜分析時(shí)出現(xiàn)泄露現(xiàn)象；

(3)疊加：在采樣時(shí)間內(nèi)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多周期疊加，去除信號(hào)中的非整周期隨機(jī)噪聲；

(4)頻譜分析(FFT)：將處理后的時(shí)間序列進(jìn)行FFT運(yùn)算，得到各頻點(diǎn)信號(hào)的幅度和相位；

(5)標(biāo)定和歸一：對(duì)FFT后的數(shù)據(jù)進(jìn)行儀器標(biāo)定和磁傳感器標(biāo)定，得到實(shí)測的磁場在各頻點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的幅度和相位，再對(duì)幅度和相位進(jìn)行電流歸一化得到歸一化的磁場；

(6)姿態(tài)校正：對(duì)標(biāo)定后數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)校正，通過數(shù)據(jù)和校正因子去除數(shù)據(jù)中的同頻姿態(tài)噪聲；

(7)調(diào)平：對(duì)不同測線，不同測點(diǎn)，不同頻率的數(shù)據(jù)進(jìn)行空間滑動(dòng)平均濾波。以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的調(diào)平，保證相鄰測線測量一致性。

3.3 視電阻率計(jì)算

地空頻率域電磁探測方法是通過空中測量單一的垂直磁場分量進(jìn)而獲得地下視電阻率分布的一種方法?？紤]視電阻率成像結(jié)果存在單一性，成像效率高，對(duì)電性結(jié)構(gòu)的相對(duì)變化反映靈敏，目前處理手段以視電阻率快速成像方法為主。

均勻半空間模型下，公式(1)可簡化為：

(2)

4 探測結(jié)果與分析

為查明測區(qū)內(nèi)小煤窯的采空情況，對(duì)124條測線的地空探測信號(hào)進(jìn)行了上述數(shù)據(jù)處理，得到全測區(qū)內(nèi)地下視電阻率分布，其中重點(diǎn)關(guān)注的部分測線縱向剖面結(jié)果如圖5所示。該組圖揭示了測區(qū)地下-50 m至-300 m范圍內(nèi)的地電結(jié)構(gòu)分布情況，圖例顏色顯示了該區(qū)域內(nèi)視電阻率范圍為35～140 Ω·m。從圖中可以看出，重點(diǎn)關(guān)注的 3條測線內(nèi)均存在局部相對(duì)低阻異常區(qū)域，范圍分別為：L1線南北方向0～350 m，海拔高度810～930 m范圍；L13線南北方向0～350 m，海拔高度800～950 m范圍；L49線南北方向350～750 m，海拔高度800～900 m范圍；L109線南北方向170～500 m，海拔高度720～770 m范圍。低阻帶在空間上具備連續(xù)貫通性，可能為地下小煤窯的含水采空區(qū)發(fā)育位置。

圖5 部分測線視電阻率剖面圖Fig.5 Apparent resistivity profiles of part lines

結(jié)合煤礦地形資料，基于縱向剖面數(shù)據(jù)，抽取測區(qū)內(nèi)重點(diǎn)關(guān)注的10#煤層采掘面視電阻率切片如圖6所示。總體來講，測區(qū)內(nèi)地下視電阻率南北方向連續(xù)性較好，東西方向呈現(xiàn)“高—低—高—低—高”的特征。根據(jù)視電阻率分布特征，圈定3處低阻異常D1、D2和D3。其中D1面積較小，分布在測區(qū)東南方向。D2面積最大，分布在東西方向1 550～1 900 m范圍內(nèi)的測區(qū)北部。D3分布在東西X方向300～500 m范圍測區(qū)南側(cè)。

采礦區(qū)地下視電阻率結(jié)構(gòu)主要受煤層分布和開采情況的影響。為進(jìn)一步分析可能的地下結(jié)構(gòu)情況，將獲得的視電阻率剖面圖投影到礦區(qū)施工圖上，如圖7所示。由圖可知，D2對(duì)應(yīng)的低阻位置為煤礦1號(hào)采空積水區(qū)(綠色線框位置)。根據(jù)早期的抽水實(shí)驗(yàn)和采空面積，估計(jì)積水量2 168 m3左右。另外，通過投影對(duì)比，D1和D3附近位置均存在采空區(qū)，結(jié)合低阻特征，推測為可能的含水結(jié)構(gòu)，為后續(xù)驗(yàn)證治理工作提供參考。

5 結(jié)論

1)利用地空頻率域電磁系統(tǒng)，通過在地面布設(shè)電性源、空中無人機(jī)采集信號(hào)的工作方式，獲取了研究區(qū)的地空頻率域電磁響應(yīng)數(shù)據(jù)。

2)通過對(duì)地下300 m深度內(nèi)的視電阻率特征的分析，獲取了研究區(qū)內(nèi)地下電性結(jié)構(gòu)的特性，準(zhǔn)確圈定了區(qū)內(nèi)疑似煤窯采空積水區(qū)的范圍。

圖6 10#煤層采掘面視電阻率切片F(xiàn)ig.6 Apparent resistivity slice of mining face in 10# coal seam

圖7 10#煤層視電阻率平面投影圖Fig.7 Plan projection of apparent resistivity of 10# coal seam

3)對(duì)比實(shí)際煤層資料，驗(yàn)證了地空頻率域電磁系統(tǒng)在小煤窯勘查應(yīng)用中的可行性與高效性，為地層結(jié)構(gòu)分析以及煤礦水害防治提供了有效的指導(dǎo)信息。

目前地空電磁數(shù)據(jù)的反演方法尚處于研究階段，缺少成熟反演軟件。在未來工作中，將針對(duì)采空積水區(qū)模型快速正演和反演方法開展詳細(xì)研究，對(duì)于重點(diǎn)區(qū)域，利用反演手段進(jìn)一步處理，提升解釋精度。