廢棄礦井煤層氣資源地球物理勘探研究進(jìn)展

余傳濤,柳春林, 薛俊杰,張富明 ,李 勇

1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,太原 030024

2.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所/中國(guó)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029

3.中國(guó)科學(xué)院地球科學(xué)研究院,北京 100029

4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院,北京 100029

5.北京中科地垣科技有限公司,北京 100029

0 引言

長(zhǎng)期高強(qiáng)度的煤炭開(kāi)采形成大面積的采空區(qū)和數(shù)量眾多的廢棄礦井,受開(kāi)采工藝技術(shù)以及地質(zhì)因素的限制,煤礦井下還遺留有大量的煤炭資源[1-2]。殘煤及采動(dòng)影響范圍內(nèi)臨近煤層中吸附的氣體逐漸解吸,隨著時(shí)間的推移,這些礦井中聚集著大量的煤層氣(CBM)資源[3-4]。統(tǒng)計(jì)顯示,2011 年至今,全國(guó)累計(jì)關(guān)閉煤礦7 800余處,到2030年預(yù)計(jì)達(dá)到約15 000處[5];據(jù)此測(cè)算,全國(guó)廢棄礦井殘存煤層氣資源可達(dá)5 000億m3,儲(chǔ)量非?？捎^。廢棄礦井煤層氣一方面會(huì)對(duì)后續(xù)煤炭資源的開(kāi)采產(chǎn)生安全威脅,同時(shí)這些煤層氣資源也會(huì)順著地層中的裂隙逸散到地表,產(chǎn)生溫室效應(yīng),對(duì)地球的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生極大的影響。在當(dāng)前國(guó)家“雙碳目標(biāo)”落實(shí)過(guò)程中,對(duì)廢棄礦井煤層氣資源的勘探和開(kāi)發(fā)既可以解決煤礦安全與生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,還可以變廢為寶,緩解我國(guó)面臨的能源短缺問(wèn)題[6-8]。

在眾多勘探手段中,地球物理勘探技術(shù)具有成本低,可穿透覆蓋層進(jìn)行大深度、無(wú)損探測(cè)的優(yōu)勢(shì),在廢棄礦井煤層氣勘探中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用,成為廢棄礦井煤層氣勘探和開(kāi)發(fā)過(guò)程中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)[9-10]。地球物理勘探技術(shù)例如地震法[11]、電磁法[12-13]、高密度電法[14-16]、激發(fā)極化法[17-19]、微動(dòng)法[20-21]、放射性探測(cè)法[22-23]等在精確探查采空積水區(qū)、老窯采空區(qū)以及廢棄礦井探測(cè)等方面發(fā)揮了重要作用,不僅可為煤礦的安全高效開(kāi)采及礦山環(huán)境的恢復(fù)治理貢獻(xiàn)力量[24],還可以為廢棄礦井煤層氣資源的勘探和開(kāi)發(fā)奠定地質(zhì)基礎(chǔ)[25]。

本文梳理了煤田采空區(qū)地球物理勘探方法的研究應(yīng)用進(jìn)展,并以此為基礎(chǔ),針對(duì)煤礦開(kāi)采、礦山環(huán)境修復(fù)、廢棄礦井煤層氣資源的勘探和開(kāi)發(fā)等實(shí)際需求,對(duì)廢棄礦井煤層氣資源的地球物理新技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 山西廢棄礦井煤層氣資源概況

山西省境內(nèi)地層發(fā)育較為齊全,其主要含煤地層為石炭系和二疊系,在山西北部大同、寧武一帶侏羅系亦為山西地區(qū)含煤地層之一[26]。全省煤炭資源多為中、厚煤煤層,不僅數(shù)量多,而且煤質(zhì)優(yōu),無(wú)煙煤、煙煤和褐煤均有分布。山西各煤田埋深差異較大,最淺為100 m左右,最深可達(dá)2 000 m左右,這也是采空區(qū)情況復(fù)雜的重要原因之一。經(jīng)過(guò)多年的大規(guī)模開(kāi)采,山西形成了廣泛分布的采空區(qū),在廢棄的采空區(qū)中儲(chǔ)存著大量的煤層氣資源。

2018年山西省對(duì)全省采空區(qū)煤層氣資源情況進(jìn)行摸底調(diào)查,估算了全省廢棄煤礦采空區(qū)及其煤層氣資源量。山西全省煤礦采空區(qū)面積目前已達(dá)4 027 km2,而且還在不斷增加[27-29],其中一半以上的采空區(qū)內(nèi)煤層氣資源具有開(kāi)發(fā)利用價(jià)值, 預(yù)測(cè)廢棄礦井煤層氣儲(chǔ)量超過(guò)700 億m3,其中7個(gè)煤層氣含量較高的礦區(qū),采空區(qū)總面積約為870 km2,預(yù)測(cè)煤層氣資源儲(chǔ)量超過(guò)300 億m3(表1)[30-31]。目前山西省已累計(jì)建成廢棄礦井煤層氣抽采井100多口,抽采煤層氣資源量超過(guò)1 億m3。但廢棄煤礦采空區(qū)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)由于歷史資料不全,地質(zhì)條件不清,煤層氣賦存狀態(tài)和封藏條件不同,即使同一個(gè)礦井,不同地段的鉆井成功率、煤層氣日產(chǎn)量也不相同,且采空區(qū)煤層氣井產(chǎn)量不穩(wěn)定、衰減快,給廢棄礦井煤層氣資源的開(kāi)發(fā)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)[32]。因此,對(duì)廢棄礦井煤層氣勘探和開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵是進(jìn)行精細(xì)的地質(zhì)調(diào)查與地球物理勘探,其有助于了解廢棄礦井煤層氣賦存的地質(zhì)與水文條件。

表1 山西主要礦區(qū)采空區(qū)煤層氣資源

廢棄礦井煤層氣資源的富集與煤層地質(zhì)情況、采空區(qū)分布、圍巖滲透、煤層氣運(yùn)移與儲(chǔ)藏、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件、開(kāi)采后巖移及破壞條件等因素的綜合影響有關(guān)[2]。實(shí)踐表明,對(duì)于不同的地質(zhì)類(lèi)型及采煤工藝和方式,煤層氣的分布特征及富集規(guī)律具有明顯的差異性,地球物理勘探技術(shù)在煤礦地質(zhì)構(gòu)造、采空區(qū)分布、煤層氣儲(chǔ)層特征表征上面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

2 廢棄礦井煤層氣富集地質(zhì)模型

一般氣體都是由高壓力、高濃度向低壓力、低濃度區(qū)域運(yùn)移。在開(kāi)采活動(dòng)結(jié)束后一段時(shí)間內(nèi),從臨近未采煤層、煤柱、圍巖中解吸的煤層氣在壓力作用下向采空區(qū)內(nèi)運(yùn)移。由于煤層氣的密度小于空氣,在采空區(qū)內(nèi)會(huì)向采空區(qū)頂部運(yùn)移。采空區(qū)上方頂板巖石在重力作用下,會(huì)發(fā)生位移、坍塌等作用[33-34]。根據(jù)其被破壞程度分為3帶,即冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶[35-36]。在冒落帶內(nèi),覆巖壓力降低,孔裂隙增多,是煤層氣向上運(yùn)移的重要通道;在裂隙帶內(nèi),受濃度及壓力場(chǎng)雙重影響,煤層氣經(jīng)采空裂隙向上運(yùn)移。在裂隙帶頂部封存條件較好時(shí),會(huì)形成一個(gè)煤層氣富集區(qū);如果有裂隙貫通地表,煤層氣會(huì)經(jīng)裂隙運(yùn)移到地表,不能形成煤層氣的富集。如果礦井中地下水豐富,由于水的存在,致使采空區(qū)內(nèi)壓力升高,部分煤層氣會(huì)溶解于水或者重新吸附到圍巖中,這也是廢棄礦井煤層氣抽采井產(chǎn)量不穩(wěn)定的因素之一[2, 37-38](圖1)。

據(jù)文獻(xiàn)[2]修編。

由于上述原因,在煤層氣資源開(kāi)采中,井位的確定十分困難。例如,晉城礦區(qū)初期采空區(qū)試驗(yàn)井鉆井過(guò)程中經(jīng)常鉆遇煤柱、采空積水區(qū)、煤巖巷甚至原位煤,實(shí)際鉆井成功率比較低[31]。廢棄礦井采空區(qū)煤層氣地球物理勘探就是要利用地球物理勘探手段,詳細(xì)了解采空區(qū)分布、覆蓋層、裂隙以及采空區(qū)中的地下水等情況,為煤層氣資源評(píng)價(jià)與開(kāi)發(fā)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 廢棄礦井采空區(qū)地球物理屬性

3.1 地震波場(chǎng)特征

一般煤層沉積較穩(wěn)定,頂?shù)装宓貙拥奈镄圆町惷黠@,地震波在地層中傳播時(shí),能夠在不同的時(shí)間形成連續(xù)性好、振幅高、便于對(duì)比的反射波[11,39]。當(dāng)煤層開(kāi)采后,地層之間不再連續(xù),地震波經(jīng)過(guò)采空區(qū)時(shí)發(fā)生散射且能量被吸收,這導(dǎo)致反射波能量變?nèi)?頻率與振幅變低且不連續(xù),據(jù)此可以圈定采空區(qū)的范圍[40-42]。

地震波經(jīng)過(guò)煤層時(shí),由于煤層與圍巖的波阻抗差異,地震剖面上會(huì)出現(xiàn)明顯的響應(yīng)特征;當(dāng)?shù)卣鸩ń?jīng)過(guò)采空區(qū)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生同相軸不連續(xù)、錯(cuò)位或雜亂無(wú)章等響應(yīng)特征[43-45]。這為使用反射波法探測(cè)采空區(qū)提供了的辨別依據(jù),從而有助于煤炭資源的勘探和評(píng)價(jià)[11, 40]。

3.2 電性特征

煤層是由沉積作用形成的,與圍巖形成了穩(wěn)定的平衡狀態(tài),其電性特征較為明顯;煤層開(kāi)采后,原煤層不再連續(xù),此時(shí),地層會(huì)達(dá)到一個(gè)新的平衡,電性特征也隨之變化[46-47]。具體表現(xiàn)為如下。1)煤層連續(xù)性被破壞。忽略地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)的影響時(shí),煤層一般為連續(xù)沉積且相對(duì)均勻,電性特征具有層理性;煤層開(kāi)采后,原有的電性層結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生明顯的改變。2)采空區(qū)處會(huì)出現(xiàn)電阻率局部異常。采空區(qū)一般會(huì)出現(xiàn)局部高阻異常;當(dāng)采空區(qū)內(nèi)被巖石、泥土或水填充時(shí),會(huì)出現(xiàn)局部低阻異常。3)采空區(qū)周?chē)纬煽v向低阻帶。上覆圍巖出現(xiàn)坍塌、冒落等現(xiàn)象,導(dǎo)致巖層出現(xiàn)破碎、裂隙,導(dǎo)致圍巖電阻降低,低阻區(qū)域縱向擴(kuò)大甚至形成新的低阻帶[46,48-49]。

3.3 激發(fā)極化特征

常見(jiàn)巖石的激電效應(yīng)一般不超過(guò)2.0%,但是當(dāng)巖石中含較多的黏土礦物、金屬硫化物礦石、炭質(zhì)礦物時(shí),激電效應(yīng)會(huì)顯著增強(qiáng),極化率可達(dá)到4.0%以上[50];含水層中富水性較強(qiáng)的區(qū)域一般可達(dá)到2.0%～4.0%,但一般不會(huì)超過(guò)5.0%;未充水采空區(qū)激電效應(yīng)較微弱,一般在0.1%～1.0%之間,采空區(qū)充水后激電效應(yīng)會(huì)增強(qiáng),一般在0.7%～2.0%之間。在電阻率無(wú)法明顯區(qū)分異常時(shí),極化率的大小可作為區(qū)分富水性強(qiáng)弱的依據(jù)[51]。

3.4 放射性氡異常特征

當(dāng)?shù)叵旅簩娱_(kāi)采后形成采空區(qū)時(shí),其上覆巖層破碎、冒落,形成一定規(guī)模的裂隙帶,氡氣在壓力、濃度差,空氣對(duì)流,團(tuán)簇效應(yīng)等多重因素影響下可通過(guò)裂隙向上運(yùn)移,形成高氡值異常區(qū)且氡值變化比較大;而在正常地層中,氡值較小,變化范圍小。根據(jù)氡氣異常區(qū)特征形態(tài)(帶狀異?；颦h(huán)狀異常)可以判斷出地下采空區(qū)、斷層等地下地質(zhì)體的分布規(guī)律和范圍。

4 廢棄礦井采空區(qū)地球物理方法技術(shù)進(jìn)展

4.1 地震法

地震勘探是通過(guò)觀測(cè)和分析地震波在通過(guò)有密度和彈性差異的目標(biāo)體及圍巖的響應(yīng)來(lái)推測(cè)地下地質(zhì)構(gòu)造、尋找氣體儲(chǔ)層的一種重要的地球物理方法[52-53]。其中反射波法是采空區(qū)探測(cè)的主要方法之一[25]。反射波法是通過(guò)接收和分析人工激發(fā)的地震波在地下遇到不同波阻抗界面發(fā)生反射后返回地面的反射波的振幅、相位等特征來(lái)推斷地下地層結(jié)構(gòu)等信息的一種地質(zhì)勘探方法(圖2,3)。

圖2 反射波地震勘探示意圖

一般探測(cè)較大規(guī)模的異常體時(shí),多采用反射波地震方法,但是當(dāng)目標(biāo)體尺寸小于反射波的橫向分辨率時(shí),可采用繞射波或瑞雷波地震方法。三維地震勘探技術(shù)較其他電磁類(lèi)勘探方法,在勘探精度上有明顯的優(yōu)勢(shì);但是當(dāng)存在多層采空區(qū)或者采空區(qū)中有水時(shí),地震波難以穿透采空層或者積水層,限制了該方法在多層采空區(qū)和積水區(qū)勘探中的應(yīng)用,只能選擇電磁類(lèi)方法。

目前,以高精度三維地震采集、地震屬性分析、三維地震勘探數(shù)據(jù)反演為核心的地震資料綜合解譯技術(shù),將圍巖構(gòu)造、巖性、沉積相等儲(chǔ)層構(gòu)成要素作為研究對(duì)象,可以實(shí)現(xiàn)煤層氣封層單元的識(shí)別,有助于廢棄礦井煤層氣資源的精細(xì)勘探和開(kāi)發(fā)[54-56]。

4.2 直流電法

直流電法是以巖(礦)石的電性差異為基礎(chǔ)的一種重要的地球物理勘查方法。其主要用于地質(zhì)填圖、找煤、隱伏地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)(如斷層、陷落柱、巖溶等)、礦井突水通道填圖、煤層沖刷帶圈定等[57-58]。煤田直流電法勘探可根據(jù)不同的地質(zhì)任務(wù)和地電條件,采用不同類(lèi)型的裝置,施工方法靈活多樣[15](圖4),可以準(zhǔn)確推斷勘探區(qū)內(nèi)地質(zhì)異常的賦存狀態(tài)和影響范圍(圖5)。

a. 溫納α裝置; b. 溫納β裝置;c. 溫納 γ裝置;d. 偶極-偶極裝置;e. 單級(jí)-偶極裝置;f. 溫施裝置。AB為供電電極;MN為測(cè)量電極。

圖5 某廢棄礦井積水采空區(qū)高密度電法探測(cè)結(jié)果

直流電法受地形影響比較明顯,在地表基巖出露無(wú)法供電時(shí)難以展開(kāi)工作,勘探深度一般不超過(guò)300 m,而且深度越大,成本越高、分辨率越低,限制了這種方法的應(yīng)用。直流電法常用于地形比較平坦、地面供電條件比較好的地區(qū)。

4.3 可控源音頻大地電磁法

可控源音頻大地電磁法(CSAMT)是一種人工源頻域測(cè)深方法[9, 59-61]。電磁波在巖層中傳播時(shí),其傳播深度與供入電流頻率和大地電阻率有關(guān);電阻率的差異可以通過(guò)測(cè)量正交的電場(chǎng)分量(Ex)和磁場(chǎng)分量(Hy)來(lái)計(jì)算[61]:

(1)

(2)

式中:ρs為視電阻率,也稱(chēng)為卡尼亞電阻率;H為勘探深度;f為頻率。

該方法探測(cè)效率高,一次發(fā)射可探測(cè)多個(gè)物理點(diǎn),探測(cè)深度可達(dá)1～2 km。一般而言,CSAMT中使用的發(fā)射電極AB長(zhǎng)度在1～3 km之間,接收線在發(fā)射電極一側(cè)或兩側(cè)張角為與AB兩邊夾角30°的扇形區(qū)域內(nèi),并且與AB平行排列[62-63](圖6)。正常未開(kāi)采煤層電阻率在橫向上變化不大;如果存在采空區(qū)且積水,則表現(xiàn)為低視卡尼亞電阻率異常(圖7);通過(guò)CSAMT法可以探測(cè)地下水的分布,查明煤層氣富集區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造[64]。

T. 發(fā)射線圈;R. 接收線圈。

圖7 廢棄煤礦采空積水區(qū)CSAMT探測(cè)成果圖

該方法相對(duì)其他電磁類(lèi)方法成本較高,不適合做大面積的勘查,常用于重點(diǎn)勘查區(qū)域的驗(yàn)證工作。

4.4 瞬變電磁法

瞬變電磁法(TEM)是通過(guò)分析接收到的感應(yīng)磁場(chǎng)衰減規(guī)律和特性來(lái)探明地下地質(zhì)情況的一種電磁勘探方法[65-67]。地質(zhì)體導(dǎo)電性愈好,瞬變過(guò)程愈長(zhǎng)[68](圖8)。瞬變電磁法具有效率高、對(duì)低阻異常敏感、易施工的優(yōu)點(diǎn),而且勘探深度非常適合煤礦采空區(qū)及積水的探測(cè)(圖9)[49, 69-70]。同時(shí),瞬變電磁法施工時(shí)一次激發(fā)可以同時(shí)獲取多深度、多分量的地下信息,探測(cè)效率較高。因此,瞬變電磁法被廣泛應(yīng)用于采空區(qū)探測(cè)中,是煤礦查明積水區(qū)的重要方法[12, 35, 70-73]。

據(jù)文獻(xiàn)[13]修編。

據(jù)文獻(xiàn)[53]修編。

目前瞬變電磁法在采空區(qū)勘探中研究很多,但是該方法基礎(chǔ)理論依然比較薄弱,縱向分辨能力不夠,在深度反演、地形矯正、地面高壓電磁場(chǎng)壓制及有用信號(hào)的提取等方面還需要進(jìn)一步深入研究。

而且隨著采礦活動(dòng)的深入,采空區(qū)呈現(xiàn)多層化的趨勢(shì),即同一平面位置往往有多層采空區(qū)(積水區(qū))的存在,這樣不同層位的采空區(qū)引起的瞬變電磁場(chǎng)會(huì)相互疊加,無(wú)法實(shí)現(xiàn)多層采空區(qū)的識(shí)別;因此需要對(duì)多層采空區(qū)的電磁響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行進(jìn)一步研究,同時(shí)加強(qiáng)數(shù)據(jù)采集硬件的研發(fā)以及基于大數(shù)據(jù)和人工智能反演技術(shù)的軟件開(kāi)發(fā)。

4.5 激發(fā)極化法

激發(fā)極化法(IP)是以地質(zhì)體電化學(xué)性質(zhì)(極化率)差異為基礎(chǔ)的一種人工源電法勘探方法[74]。在勘探過(guò)程中,利用供電電極AB向地下供入直流電源,在測(cè)量電極MN間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)隨時(shí)間增加的電位差(圖10);經(jīng)過(guò)一段時(shí)間T后,趨于一個(gè)穩(wěn)定的值;將供電電源斷開(kāi)后,測(cè)量電極MN間仍然存在一個(gè)隨時(shí)間緩慢變化的電位差(稱(chēng)為二次電位差)[51, 74]?？梢岳萌缦鹿奖硎静煌瑤r礦石之間的這種激發(fā)極化特征差異:

據(jù)文獻(xiàn)[51]修編。

(3)

式中:η為極化率;ΔU2(T,t)為二次場(chǎng)電位差;ΔU(T)為總場(chǎng)電位差;T為供電時(shí)間;t為斷電時(shí)間。

在采空積水區(qū)勘探中,一般視電阻率顯示為低值,而視極化率顯示為較高的值(圖11)。

據(jù)文獻(xiàn)[74]修編。

在保證足夠電流密度的情況下,該方法的勘探深度與發(fā)射極距成正比。通過(guò)改變發(fā)射電極AB的長(zhǎng)度可以得到不同深度的信息。該方法在深度上能夠較好地控制異常的位置,但大面積施工效率低、成本高,只適用于重點(diǎn)區(qū)域的驗(yàn)證。

4.6 放射性探勘法

放射性勘探是通過(guò)儀器監(jiān)測(cè)地下天然放射性物質(zhì)衰變時(shí)產(chǎn)生的放射性強(qiáng)度來(lái)解決地質(zhì)問(wèn)題的一種勘探方法[75],其中活性炭測(cè)氡法是應(yīng)用最廣泛的一種放射性勘探方法[22, 47, 76]。施工時(shí),在地面挖40 cm深的坑,埋入氡氣吸附裝置;5 d后取出,用專(zhuān)門(mén)的儀器測(cè)量氡計(jì)數(shù)[25, 47](圖12)。利用觀測(cè)到的氡氣異常區(qū)特征形態(tài)可以判斷出地下采空區(qū)、斷層等地下地質(zhì)體的分布規(guī)律和范圍(圖13)。

據(jù)文獻(xiàn)[47]修編。

據(jù)文獻(xiàn)[47]修編。

該方法施工比較簡(jiǎn)單,成本低,效率高,適合做大面積的采空區(qū)普查,能夠很好地區(qū)分采空區(qū)的平面位置;但是無(wú)法在深度上進(jìn)行解釋,需要配合其他測(cè)深類(lèi)方法,才能取得較好的效果。

4.7 微動(dòng)勘探法

地球內(nèi)部和表面每時(shí)每刻都在發(fā)生微弱的震動(dòng),這是一種自然的、在時(shí)間和空間上不規(guī)則的現(xiàn)象,一般稱(chēng)為“微動(dòng)”。微動(dòng)探測(cè)方法就是通過(guò)獲取這種天然的微動(dòng)信號(hào)分析地下地質(zhì)構(gòu)造的地球物理探測(cè)方法[77-78](圖14)。一般在采空區(qū)上方,由于巖層塌陷破碎,橫波速度明顯下降(圖15);而正常地層橫波速度成層狀分布。

圖14 微振三重圓臺(tái)陣布設(shè)示意圖

該項(xiàng)技術(shù)相對(duì)其他物探手段(電磁法和人工地震)具有一定優(yōu)勢(shì)。在施工時(shí),探測(cè)儀器輕巧、方便,對(duì)地形、周?chē)h(huán)境要求低,可以選擇不同的臺(tái)陣排列來(lái)適應(yīng)各種地形施工,且無(wú)需人工震源,不會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響,可節(jié)約人力與物力的支出;在資料解釋分析時(shí),可以結(jié)合其他物探方法綜合解釋,能極大地提高探測(cè)精度[21, 79]。

4.8 航空電磁勘探方法

航空瞬變電磁法(ATEM) 利用直升機(jī)、固定翼飛機(jī)、飛艇、熱氣球等飛行平臺(tái)搭載瞬變電磁法的發(fā)射和接收系統(tǒng)[80],向發(fā)射線圈供入一定頻率的半正弦脈沖電流,利用接收線圈接收切斷電流間隙產(chǎn)生的二次場(chǎng)[81-82](圖16a);通過(guò)分析測(cè)量的電磁數(shù)據(jù),判斷地下地質(zhì)體的分布狀況。ATEM可有效克服地形地貌的影響,深入森林、山地等惡劣環(huán)境中,適合大面積的礦產(chǎn)普查,可以高效地獲取地電信息[83]。

據(jù)文獻(xiàn)[84]修編。

半航空瞬變電磁法(semi-ATEM)在地面發(fā)射大功率電流激發(fā)產(chǎn)生一次場(chǎng),在空中快速接收二次場(chǎng)的響應(yīng)(圖16b)[84]。半航空瞬變電磁法不僅解決了地面瞬變電磁法對(duì)地形條件的制約,也解決了航空瞬變電磁法信噪比低、勘探深度較淺的難題。所以,半航空瞬變電磁法快速成為研究的熱點(diǎn)并被廣泛應(yīng)用[85-86](圖17)。

據(jù)文獻(xiàn)[87]修編。

5 展望

盡管地球物理勘探技術(shù)原理、方法、儀器裝備都得到了良好的發(fā)展,但目前仍然難以滿足廢棄礦井煤層氣資源高效開(kāi)發(fā)對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)精細(xì)刻畫(huà)的探測(cè)需求。建議未來(lái)廢棄礦井煤層氣資源的地球物理勘探技術(shù)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究。

1)煤層氣資源的高分辨率地震勘探。通過(guò)發(fā)展地震波場(chǎng)的加密技術(shù)和高精度探測(cè)技術(shù),利用多波多分量地震勘探方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層氣儲(chǔ)層的精細(xì)刻畫(huà),提高對(duì)廢棄礦井煤層氣資源儲(chǔ)量和開(kāi)發(fā)潛力的評(píng)價(jià)精度。

2)高精度電磁成像技術(shù)。研發(fā)寬頻電磁波的勘探方法、電磁波高效激發(fā)與接收技術(shù)以及正演與反演模擬技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層氣儲(chǔ)層的精細(xì)探測(cè)和評(píng)估,為廢棄礦井煤層氣資源開(kāi)發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

3)綜合地球物理勘探技術(shù)。將高分辨率地震技術(shù)、高精度電磁成像技術(shù)以及其他地球物理勘探方法相結(jié)合,綜合評(píng)價(jià)廢棄礦井煤層氣資源的儲(chǔ)量和開(kāi)發(fā)潛力,提高探測(cè)精度和資源利用效率。

4)多尺度地球物理勘探技術(shù)。針對(duì)廢棄礦井煤層氣資源開(kāi)發(fā)的不同需求,發(fā)展從小到大不同尺度地球物理勘探方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)廢棄礦井煤層氣儲(chǔ)層的精細(xì)刻畫(huà)、構(gòu)造解析和區(qū)域地質(zhì)研究,為廢棄礦井煤層氣資源開(kāi)發(fā)提供全方位的技術(shù)支持。

5)地球物理大數(shù)據(jù)的應(yīng)用。通過(guò)對(duì)大數(shù)據(jù)的挖掘和分析,更加深入地了解煤層氣儲(chǔ)層的特征和變化規(guī)律,提高對(duì)資源儲(chǔ)量和開(kāi)發(fā)潛力的評(píng)價(jià)精度。針對(duì)不同來(lái)源和類(lèi)型的地球物理數(shù)據(jù),發(fā)展高效的數(shù)據(jù)處理和清洗技術(shù),提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可信度,為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用提供基礎(chǔ)保障。

6)深度學(xué)習(xí)和人工智能反演。通過(guò)發(fā)展機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)等模式識(shí)別方法,對(duì)地球物理數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)、聚類(lèi)和特征提取等處理,實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層氣儲(chǔ)層的精細(xì)刻畫(huà)和異常檢測(cè),提高探測(cè)精度。

6 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)廢棄礦井煤層氣資源儲(chǔ)量巨大,具有較大的開(kāi)發(fā)利用前景。然而,廢棄礦井煤層氣資源的產(chǎn)量受采空區(qū)分布、覆蓋層和圍巖情況、裂隙帶發(fā)育情況、煤層頂?shù)装迩闆r、煤礦開(kāi)采方式以及采空區(qū)的地下水等情況的綜合影響,使用單一的地球物理方法對(duì)廢棄礦井煤層氣資源的評(píng)價(jià)往往難以滿足要求。開(kāi)展多種地球物理技術(shù)的集成創(chuàng)新,開(kāi)發(fā)、研究新的地球物理方法,建立多波場(chǎng)、多方法、多維度、多空間的采空區(qū)綜合探測(cè)體系,充分利用地球物理大數(shù)據(jù)、多尺度人工智能聯(lián)合反演技術(shù),在降低勘探成本的基礎(chǔ)上,大幅提高采空區(qū)的分辨率與勘探精度,可為我國(guó)廢棄礦井煤層氣資源的開(kāi)發(fā)利用提供技術(shù)支持。