航空瞬变电磁法与地微动法在新疆某煤矿采空区探测中的应用

韦斯 熊勇 杨刚

摘  要：一些煤矿煤层开采历史悠久，留下了较多老窑及采空区，因基础资料匮乏，为后期建设埋下了安全隐患，因此对煤矿采空区的探测显得尤为迫切和重要。航空瞬变电磁法和地微动法都是地球物理勘探方法，其中航空瞬变电磁法是通过二次感应电磁场对地下低阻体进行探测，而地微动法则是利用面波的频散特性获取地下低速异常体，两种方法都是采空区探测的主要方法。本文将结合工程实例，介绍航空瞬变电磁法和地微动法在新疆某煤矿采空区探测中应用情况。

关键词：航空瞬变电磁法   地微动法   采空区  二次感应电磁场   频散特性

1  引 言

近年来，随着我国经济的快速发展，对煤炭等能源的需求量也越来越大。一些煤矿煤层开采历史较为久远，留下了较多老窑及采空区，因基础资料匮乏，为后期建设埋下了极大安全隐患，因此对煤炭采空区的探测显得尤为迫切和重要。

目前，煤炭采空区探测的方法有：瞬变电磁法、激发极化法、地震反射法、地微动法等地球物理勘探方法，各种方法各有优势，也有各自的不足，较常用的是多种勘探方法综合应用。其中航空瞬变电磁法属于电磁类的物探方法，主要是通过接收二次感应电磁场对地下低阻体进行探测，而地微动法属于被动源面波勘探方法，其主要利用面波的频散特性获取地下低速异常体，两种方法都是采空区探测的主要方法。本文将结合工程实例，介绍航空瞬变电磁法和地微动法在新疆某煤矿采空区探测中应用情况。

2  工程、地质概况及地球物理特征

2.1、工程概况

测区内煤层开采历史悠久，留下了较多老窑及采空区。各矿井在2016年～2017年对小煤矿清理整顿过程中逐步关闭，在关闭前均有过不同程度的开采，采空区平面位置见图1-2。

井田内采空区面积、最低开采水平及矿井积水情况见下表1-1。

2.2、地质概况

（1）地形、地貌

火区位于吐鲁番盆地北缘天山山脉之博格达南麓，属低山丘陵区带。最高海拔为+1049m，最低+922m，相对高差一般为50m，地势总体为东北高西南低，西部宽阔平缓而东部较陡峭。

本次物探勘查区域受地表采掘、采空区塌陷及火区治理施工的影响，形成较大规模的深坑槽，帮坡最大角度达62°，深坑周围堆积大量矸石，导致工作区地形变化剧烈，坑边最高标高约+1030m，坑内最低标高+856m。物探工作区地貌情况见图2-2。

（2）地层岩性

测区内地层由老到新有：侏罗系下统八道湾组（J1b）、三工河组（J1s），侏罗系中统西山窑组（J2x）、头屯河组（J2t），侏罗系上统齐古组（J3q），第四系全新统（Q4pal）、上更新统-全新统（Q3-4apl）。第四系全新统（Q4pal）、上更新统-全新统（Q3-4apl）一般厚度约10m，与下伏地层呈角度不整合接触，主要为砾石、砂土、黄土等混杂堆积层，结构松散无胶结。侏罗系地层岩性以粗砂岩、粉砂岩、细砂岩、泥岩、粉砂质泥岩为主，局部夹碳质泥岩及煤层。

矿区内主要含煤地层为侏罗系中统西山窑组（J2x）和侏罗系下统八道湾组（J1b）。共含编号煤层18层，自上而下编号为13、12、11、10、7、6、5、4、3-4、3-3、3-2、3-1、2-3、2-2、2-1、1、A2和A1煤层，煤层总厚平均为52.93m。可采煤层共8层，可采煤层总厚平均36.9m，依次为3-3、3-2、3-1、2-3、2-2、2-1、1、A2号。本次物探工作区主要开采煤层为侏罗系中统西山窑组中段（J2x2）2、3号煤层。2号煤层厚度24.87m～38.20m，平均28.53m;3号煤层厚度7.53m～20.28m，平均厚度13.85m。2、3号煤层，属全区发育的稳定煤层，自西向东逐渐增厚，全区平均厚度为33.25m，煤层倾向向北，倾角40°～42°。

（3）水文地质

矿区所在的吐鲁番盆地区属干旱荒漠气候，全年平均降水量6.3mm，而蒸发量高达4107mm以上，蒸发量是降水量的651倍。矿区内无常年性地表径流，地下水的补给主要源于大气降水、雪融水通过地表风化、构造裂隙等入渗补给地下水。矿区充水含水层分别为侏罗系中统西山窑组承压孔隙裂隙弱含水层（H3）、侏罗系下统八道湾组孔隙裂隙弱含水层（H4），与含煤地层一致。含水层均为弱富水层，以静贮存为主。

2.3、地球物理特征

矿区第四系主要为砾石、砂土、黄土等混杂堆积层，结构松散，其电阻率值随含税量变化较大，一般数十至数百欧姆.米。侏罗系地层岩性以粗砂岩、粉砂岩、细砂岩、泥岩、粉砂质泥岩为主，根据矿区钻孔（13-3-1钻孔）测井资料，电阻率值变化较小，一般为150～200欧姆.米左右，粗砂岩略高;碳质泥岩、煤层（烟煤）电阻率较高，一般在500～600欧姆.米。声波测井资料显示，除第四系松散堆积层外，矿区各岩层及煤层之间声波时差变化较小，说明各岩层及煤层中弹性波传播速度差异较小。

3  物探工作方法选择及原理

3.1、物探方法选择

物探方法的选择需要综合考虑地形地貌条件、地质环境、物性特征、目标体规模、空间分布等自然因素，结合经济合理性，采用综合物探与钻探验证相结合进行综合勘查，以期获得较好的勘探效果。本次物探勘查区域受采空区塌陷及火区治理施工的影响，区内地形变化剧烈，地面物探工作难度大、风险高，采用航空物探方法技术是相对合理的选择。上节的物性特征分析可以看出，矿区除碳质泥岩及煤层电阻率相对较高（电阻率值一般在500～600欧姆.米）外，其余岩性电阻率差异较小（一般为150～200欧姆.米左右），具备采用电探类方法划分煤层（高阻）与其余岩性地层（低阻）的物性前提。本次物探工作区为塌陷裂隙区，勘探目的为煤层采空区的空间分布特征及规模情况，依据初步设计方案资料，采空区为充水空间，其电探异常应为高阻背景（煤层）下的低视电阻率异常。然而，矿区其他岩性同为低阻体，这就造成了低阻异常可能并不全是充水采空区。对于电探类方法发现的低阻异常区，应采用其他方法进一步确定或验证。依据矿区各类岩性地层及煤层弹性波传播速度差异较小，采空区、裂隙塌陷区弹性波传播速度明显降低这一物性特征，对于电探发现的低阻异常区可采用弹性波勘探方法进一步确定。综上所述，在充分考虑矿区地形地貌、地层结构、物性特征、勘探目的的基础上，依据经济合理原则，本次勘查采用航空瞬变电磁法、地震微动勘探法相结合，两种物探方法互为补充印证。

3.2、航空瞬变电磁法原理

航空瞬变电磁法是一种利用机载线圈发射电磁波脉冲，通过接收线圈所接收到的二次感应电磁场信号，探测地下结构体特征的物探方法，该方法对低阻目标体反映敏感，主要用于对低阻目标体的勘探，对充水采空区有较好的勘探效果，而对于未充水的高阻采空区基本无效。其原理与地面瞬变电磁法一致，仅在数据采集方式及反演计算进行相应的改变。其原理如下：

在导电率为σ、导磁率为μ的均匀各向同性大地上空敷设面积为S的发射回线，在回线中供以阶跃脉冲电流

（3-1）

在电流断开之前（时），发射电流在回线周围的大地和空间中建立起一个稳定的磁场，如图3-1所示

在t=0时刻，将电流突然断开，由该电流产生的磁场也立即消失。一次磁场的这一剧烈变化通过空气和地下导电介质传至回线周围的大地中，并在大地中激发出感应电流以维持发射电流断开之前存在的磁场、使空间的磁场不会即刻消失。由于介质的欧姆损耗，这一感应电流将迅速衰减，由它产生的磁场也随之迅速衰减，这种迅速衰减的磁场又在其周围的地下介质中感应出新的强度更弱的涡流。这一过程继续下去，直至大地的欧姆损耗将磁场能量消耗完毕为止。这便是大地中的瞬变电磁过程，伴随这一过程存在的电磁场便是大地的瞬变电磁场。

在发射电流刚关断时，该环状线电流紧接发射回线，与发射回线具有相同的形状。随着时间推移，该电流环向下、向外扩散，并逐渐变形为圆电流环。图3-2给出了发射电流关断后不同时刻地下等效电流环的示意分布。从图中可以看到，等效电流环很像从发射回线中“吹”出来的一系列“烟圈”，因此，人们将地下涡旋电流向下、向外扩散的过程形象地称为“烟圈效应”。

“烟圈”的半径r、深度d的表达式分别为：

（3-2）

（3-3）

当发射线圈半径相对于“烟圈”半径很小时。可得

故“烟圈”将沿47°倾斜锥面扩散，其向下传播的速度为：

（3-4）

从“烟圈效应”的观点看，早期瞬变电磁场是由近地表的感应电流产生的，反映浅部电性分布;晚期瞬变电磁场主要是由深部的感应电流产生的，反映深部的电性分布。因此，观测和研究大地瞬变电磁场随时间的变化规律，可以探测大地电位的垂向变化，这便是瞬变电磁测深的原理。

瞬变电磁场的探测深度主要由测量时间和地下介质的电阻率来确定。当地下为均匀介质时，地面发送线圈中的电流被切断后，感应电流随时间向地下扩散，电流被关断后某一时刻地下最大涡流所在深度由下式计算

（3-5）

当地下介质的平均电阻率为15     ，测量时间取20ms，探测深度即达218m。至于发送回线（接收回线）与探测深度的关系，只是为了保证接收线框内有足够的信号强度。同时，由于回线在一定的范围内线框越小，其体积效应也越小，其横向、纵向分辨率也愈高。

3.3、地微动法原理

地球表面不论在何时何地都存在一种天然的微弱震动，称为地脉动或常时微动（Microtremor or Ambient vibration），它源于自然界和人类的各种活动。自然界中的风、潮汐、气压变化、火山活动等都会产生震动;而人类活动产生的震动包括车辆移动、工厂机械运行，甚至人的行走等，前者频率小于1Hz，后者频率大于1Hz。

所有这些震动的能量将以波的形式向远处传播，微动是一种由体波（P波和S波）和面波（瑞利波和拉夫波）组成的复杂震动，并且垂直方向上面波的能量占信号总能量的70%以上。尽管微动信号的振幅和形态随着时空变化而发生变化，但在一定时空范围内具有统计稳定性，可用时间和空间上的平稳随机过程描述。

微动具有如下特征：

（1）地球表面无论何时何地都存在震动;

（2）动源的空间分布、触发时间及源的强度是随机的;

（3）在某一固定的位置，波的到来方向一般不确定;

（4）频率一般较低;

（5）微动探测中携带有面波所固有的频散信息。

微动探测方法是以平稳随机过程理论为依据，从微动信号中提取面波（瑞利波）的频散曲线，通过对频散曲线的反演，从而获得地下介质的横波速度结构。

浅地表微动探测利用的是微动信号中的高频段震动源，一般频率>1Hz，震动源主要与人类活动（交通工具、机器震动等）有关，震动源主要产生于地表，表现为白天/夜晚，工作日/休息日有明显变化。高频段的微动信号一般来自较近的震动源，震源大多数位于近地表。震动源很近时（小于数百米），微动波场包含体波和面波，距离较远时，面波占主要能量。

微动是一种没有特定震源的微弱振动，它是由体波（P波和S波）和面波（瑞雷波和勒夫波）组成的复杂振动，并且面波的能量占信号能量的70%以上，微动中的面波信息与地表介质密切相关，实际运用中常利用微动信号的瑞雷波信息。

由于面波的频散特性，微动信号具有振幅、频率随时间、空间发生显著变化的特点，但在一定时空范围内仍满足统计稳定性，可用平稳随机过程来描述。微动探测方法（The Microtremor Survey Method，简称MSM）是以平稳随机过程理论为依据，从微动信号提取面波（瑞雷波）的频散曲线，通过对频散曲线的反演获取地下速度结构信息的地球物理探测方法，如图3-4所示。

从微动信号中提取瑞雷波频散曲线常用的两种方法是频率-波数法（The Frequency-wavenumber Power Spectral Method，简称F-K法）和空间自相关方法（Spatical Autocorrelation Method，简称SPAC法）。F-K法频散曲线集中在低频段，而高频时的混频现象会使其结果恶化;SPAC法频散曲线集中在高频段，而低频段经常无法准确提取，因此F-K法适合分析深部土层，而SPAC法适合分析浅部土层。

4  方法应用

4.1、仪器设备

本次航空瞬变电磁勘查采用重庆璀陆探测技术有限公司自主研发的无人机全航空瞬变电磁测量系统。系统由大疆T30无人机、瞬变电磁主机、收发一体线圈、数据处理与成像软件组成，采用了 “恒压钳位”高速线性关断和无损消互感技术，结合高密度高动态信号采集，具有极强的深部探测能力;大磁矩发射增强了抗干扰能力，改善了深部探测效果。

系统主要特点：

（1）国内航空瞬变电磁法系统正处于研发阶段，目前研发及应用相对较多是地～空瞬变电磁系统（供电系统在地面，测量系统在空中）使用效果不是太好。该航空瞬变电磁法系统是目前国内唯一应用中的无人机全航空瞬变电磁系统（供电、测量系统均在空中）。

（2）高速线性关断技术。“恒压钳位”实现高速线性关断，减少一出场干扰，缩小浅部探测盲区范围。

（3）无损消耦技术。不损失激发场和二次场，消除了一次场混叠，减小了信号动态范围，提高了浅部信号的分辨能力。

（4）大深度：大电流60A，增强深部信号。

（5）采用大偶极距及极低频，穿透深度大，尤其是在低阻体环境中。

本次地微动勘查工作设备为美国Geometrics公司生产的ATOM-24无线面波采集系统。整套系统由多个Atom采集单元组成。Atom采用32-bit高精度ADC，降低自身噪声，提高仪器信噪比。GPS授时控制以及4GB数据存储空间，每个Atom之间采用WIFI和NFC（近距离无线通讯）方式进行数据通信，极大的方便了野外操作。

仪器同步：通过接收GPS卫星标准时间信号自动、实时进行内部时钟校正，其同步误差小于15ns，在长时间观测中能确保各数据采集器同步性。

4.2、测线布置及现场工作技术

（1）航空瞬变电磁法

根据《煤田灭火规范》第十九条，采用物探时对测线、测网密度的要求，本次物探测线方向沿煤层走向（采空区走向）线的近垂向布置，测线长度控制在合同规定勘探范围，测线距离30m（《煤田灭火规范》要求不大于50m），测点距3m（《煤田灭火规范》要求2～5m）。

由于施工期地形变化较快，本次航空瞬变电磁法测线地面高程采用大疆精灵-4测绘无人机进行实测。

T30无人机飞行轨迹（测线）利用地形图上读取的测线起始点平面坐标进行控制。瞬变电磁系统测量过程中实时记录测点电磁数据、坐标、高程。

无人机飞行速度保持3m/s，线圈离地高度控制在5m左右，发射线圈直径5m、接收线圈直径0.5m。正常飞行时，显示屏实时显示测量电磁数据、飞行航迹、速度、时间等。

（2）地微动法

原计划方案微动探测主要用于瞬变电磁法异常点的进一步勘查。受地形条件限制，异常点较难布置微动勘探点，经业主方指示，微动勘探方法用于地形相对较好，施工风险较高地段的测线勘查。测线距30m，测点距10m。

微动常见探测方法包括单点探测和剖面探测，多重圆观测台阵、L形台阵是微动探测常用的单点布设方式，图4-3为三重圆形台阵观测系统，圆心处布设1台数据采集器，圆周上至少布设3台数据采集器。在利用SPAC法时，圆形观测台阵的半径称为观测半径R，最大探测深度H与观测半径R之间通常存在以下关系：H=（3～5）R。微动单点探测目的是获得测点下方地层介质的横波速度及界面深度，也称为微动测深。

为满足二维勘查的需求，微动观测点可沿剖面布设，即采用微动剖面探测方法。为了高效率完成野外施工，常采用如图3-7所示的等间距台阵布设方式，该台阵等间隔布设，每个台阵由10个数据采集点组成，当完成圆点S1的观测（即由S1、A1、B1-B3、C1、C2、D1、D3和D5组成的单点观测台阵）后，将观测点S1、A1、B1、C1、D1、D3和D5的数据采集器移动到对应的S2、A2、B4、C3、D2、D4和D6上即可进行第二测点台阵观测，以此类推。该方式每次仅需移动若干台数据采集器即可完成一个测点，而无需将10台数据采集器全部移动到下一个测点。对于某些特殊的工区，也可采用不等间距布设台阵方式进行剖面探测。

本次微动法野外数据采集使用三重圆圆形台阵观测系统，不等间距布设台阵方式进行剖面探测。检波器选用主频2Hz低频检波器，采样间隔1ms，采样时长>20min。

5  成果解释分析

5.1、航空瞬变电磁法

航空瞬变电磁法数据处理采用重庆璀陆探测技术有限公司自主研发的璀陆云平台服务器进行计算。该服务器计算速度快，效率高，可以同时处理大批量数据，实现快速处理和数据成图。反演计算结果最终绘制成剖面视电阻率断面等值线图。

视电阻率断面等值线图的解释以工作区地质情况及地球物理特征分析为基础，结合视电阻率等值线异常分布情况、地下水位、最低开采标高、煤层底板位置等情况进行综合推断解释。并遵循如下原则：

（1）由于方法本身的缺陷，浅部存在勘查盲区（盲区大小受仪器电流关断延时、地层电阻率高低、勘探深度等因素影响，本次勘测盲区20m左右），对于剖面地表以下20m深度内的异常情况不予解释。

（2）对于2号煤层底板以下、最低开采标高以下的异常不予解释。

（3）根据工作区的物性特征分析，本次瞬变电磁法勘查目标是高阻背景（煤层）下的低阻（充水采空区）异常，该方法对于高阻背景下的低阻异常（充水或潮湿采空区）反映相对敏感，而对于高阻背景下的高阻异常（不含水的干采空区）基本无效，因此仅对低阻异常进行解释，不对高阻异常进行解释。

（4）对于地下水位以下的低阻异常解释为富水裂隙发育区或采空区，对于地下水位以上的低阻异常解释为含水裂隙发育区或采空区。

通过以上解释方法，得到各工区的采空区分布情况：

（1）1、2号火区

如图5-1所示，在1、2号火区2号煤层底板以上，地下水位以下，多个剖面存在明显低阻异常，推测为富水裂隙发育区或采空区。

（2）3号火区

如图5-2所示，在3号火区2号煤层底板以上，地下水位以下，多个剖面存在明显低阻异常，推测为富水裂隙发育区或采空区。

（3）4号火区

如图5-3所示，在4号火区2号煤层底板以上，地下水位以下，多

个剖面存在明显低阻异常，推测为富水裂隙发育区或采空区。

（4）塌陷区

如图5-4所示，在塌陷区2号煤层底板以上，地下水位以下，多个剖面存在明显低阻异常，推测为富水裂隙发育区或采空区。

5.2、地微动法

从微动信号中提取瑞雷波频散曲线常用的两种方法是频率-波数法（The Frequency-wavenumber Power Spectral Method，简称F-K法）和空间自相关方法（Spatical Autocorrelation Method，简称SPAC法）。F-K法频散曲线集中在低频段，而高频时的混频现象会使其结果恶化;SPAC法频散曲线集中在高频段，而低频段经常无法准确提取，因此F-K法适合分析深部土层，而SPAC法适合分析浅部土层。

本次微动勘查数据处理采用骄佳面波数据处理软件，提取瑞雷波频散曲线采取空间自相关方法（SPAC法）。

微动剖面探测数据处理流程：从各测点记录中提取瑞雷波频散曲线，计算测点视S波速度，计算获得二维视S波速度剖面等值线。

S波速度剖面等值线图解释以工作区地质情况及地球物理特征分析为基础，结合视速度等值线异常分布情况、最低开采标高、煤层底板位置等情况综合分析推断解释。并遵循如下原则：

1、由于方法本身的缺陷，浅部存在勘查盲区（盲区大小主要受勘探深度的影响，勘探深度要求越大，浅部盲区相对较大），对于剖面地表以下约20m深度内的浅部异常情况不予解释。

2、对于2号煤层底板以下、最低开采标高以下的异常，低速异常不予解释。

3、根据工作区的物性特征分析，本次物探工作区各地层地震波速度差异较小，当存在采空区、塌陷区、裂隙发育区时地震面波传播速度明显降低，2号煤层底板及最低开采标高以上的低速异常解释为裂隙发育区或采空区。

本次地微动勘探共完成测线16条，根据S波速度剖面等值线图，共发现低速异常区域47个，结合以上解释方法，推测以上低速异常区为裂隙发育区或采空区。以下为地微动勘探获取的典型低速异常剖面：

（1）DW01剖面

如图5-5所示，2号煤层底板以上，测线19-41米、56-81米，高程853-868米、883-909米附近有低波速异常区，结合地质资料分析，推测为裂隙发育区或采空区。

（2）DW09剖面

如图5-6所示，2号煤层底板以上存在4个低速异常区，分别为：①测线0-9米，高程854-898米区域;②测线18-34米，高程798-814米区域;③测线65-85米，高程844-864米区域;④测线100-140米，高程886-909米区域。结合地质资料分析，推测这些低速区为裂隙发育区或采空区。

（1）DW15剖面

测线位于吐鲁番市煤矿矿界范围，最低开采标高+825m。如图5-7所示，微动成果图像上存在8个低速异常区，分别为：①测线上0-23米，高程为847-874米区域;②测线上55-101米，高程为849-896米区域;③测线上134-150米，高程为838-864米区域;④测线上208-237米，高程为846-866米区域;⑤测线上302-319米，高程为831-847米区域;⑥测线上333-364米，高程为854-869米区域;⑦测线上398-441米，高程为836-867米区域;⑧测线上460-480米，高程为846-873米区域。结合地质资料分析，推测为裂隙发育区或采空区。

6  结语

（1）本次物探勘查在充分考虑工程区地形、地质结构、物性特征、勘探目的、勘探作业安全风险基础上，依据经济合理原则，采用物探领域最新先进技术，航空瞬变电磁法、地震微动法进行。方法选择合理，技术先进。

（2）依据《煤田灭火规范》规定布置物探测网，并参照相关标准技术要求开展物探工作。提交了航空瞬变电磁法工作区低阻异常（含水裂隙发育区或采空区）、微动工作区低速异常（裂隙发育区或采空区）的剖面成果勘探成果及异常平面分布情况、三位空间关系成果。从物探异常的角度反映了采空区或裂隙塌陷区可能都平面位置、埋深情况，达到预期目的。

（3）物探异常主要分布在2号煤层底板及最低开采标高以上，与实际情况吻合。从侧面证实了物探成果的可靠性。

（4）从地微动勘探成果分析，沿煤层倾向布置的勘探剖面，地震波速度界面与煤层倾角基本一致，煤层底板以下地震波速度较高，异常主要分布于2号煤层底板以上，说明2号煤层底板以上，由于采煤导致出现采空区及裂隙发育，从而导致煤层底板以上地震波速度明显降低，与实际地质情况吻合较好。

（5）沿煤层走向布置的微动剖面，速度分界面标高稳定，说明沿走向2号煤层底板高程稳定，异常主要分布在2号煤层底板以上，与实际地质情况吻合，从侧面也证实了地微动资料的可靠性。

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（第一作者：韦斯（1980-），男，物探高级工程师，2002年毕业于中国地质大学地球物理系，现就职于贵州水利水电勘测设计研究院有限公司）