地空频率域电磁系统在小煤窑勘查中的应用

崔焕玉，郭培鹏，黎东升，周海根，滕 飞*

(1.河北煤炭科学研究院有限公司，河北 邢台 054000；2.吉林大学 仪器科学与电气工程学院， 吉林 长春 130000；3.国家地球物理探测仪器工程技术研究中心，吉林 长春 130000)

煤炭作为我国经济发展的重要能源支柱，到2025年仍将维持55%以上的能源消耗比重[1-2]。然而浅层资源的开采已经无法满足日益增长的需求，矿产资源的开发方向已经转向地下深部。早在20世纪80年代初期，在经济发展政策的影响下，全国各主要矿区出现许多乱采乱挖的小煤窑，这些小煤窑普遍存在越界开采情况，同时采掘资料不全或者资料造假严重，对后期煤矿资源整合以及矿井安全生产带来很大的安全隐患。另一方面小煤窑采空区在地下水发育以及地质松动等条件下，极易造成充水和塌陷等典型地质灾害，不仅影响自然生态环境，而且对民房、道路、以及建筑工程造成严重的安全隐患[3-5]。因此，开展地下小煤窑的勘查工作对于保障施工安全和环境治理具有重大意义。煤矿开采地区往往地表环境较为复杂，比如悬崖、地表植被茂密区、沼泽地等区域，常规的地面物探方法无法直接进入，近年来，针对此问题，地空电磁法得到了较快的发展。张庆辉等人采用时域电性源地空电磁法对沁水盆地东南地区煤炭采空区及采空积水区进行地球物理勘查，本次勘查表明时域电性源地空电磁探测系统可以实现对煤炭采空区的快速、精确勘查[6]。王振荣等人采用地空时间域电磁系统在哈拉沟煤矿三盘区附近原小煤矿可能开采范围开展勘查工作，本次探测工作验证了地空时间域电磁系统在煤矿采空区勘查中的有效性,能够为工作面合理布置和采空区治理等提供可靠的地质信息[7]。侯彦威等人采用地空瞬变电磁对积水采空区进行勘探,将此应用于侏罗系煤田积水采空区的探测中，不仅可以解决地形对施工的影响，而且可以提高工作效率[8]。

针对煤矿采空区应用的地空电磁法，目前主要是地空时间域方法，收发距较近。本文主要采用地空频率域方法，实现大收发距探测，对于地面人员难进区的探测有一定的优越性[9-11]，该方法具有探测效率高、适用于恶劣地形区域等优点，而且随着系统和算法的不断完善，该技术在深部资源勘查和地质结构探测等方面具有广阔的应用前景[12-13]。

1 测区地质概况

研究区域地处山西古县金古阳镇白素泽泉村，井田位于泌水块琐郭道安泽近南北向褶带的中西部边缘地带。区内地层出露较好，自东北向西南由老而新依次出露：石炭系上统太原组、二叠系下统山西组、下石盒子组、二叠系上统上石盒子组，第四系主要分布于山梁、山坡和沟谷[14]。

测区属暖温带半干旱大陆性季风气候，井田地表水系属黄河流域纷河水系。井田范围内西北部老牛沟发育有一山涧河流，其水量大小随季节变化明显，由北向南流过，注入洪安涧河再向南流至古县县城南后折向西沿洪安涧河在洪洞城南汇入纷河[14]。

井田总体呈不规则多边形，南北长3.0 km，东西宽2.5 km，面积为8.506 km2。主要可采煤层有 2、9、10、11 号 4 个煤层，各煤层厚度变化相对稳定，变化规律明显，结构简单，煤类单一，煤质变化小。其中，2号煤层沿沟谷有较大面积的出露和剥蚀，为局部可采煤层；9号煤层为大部可采煤层；10、11号煤层为全区稳定可采煤层[15]。

本次金谷煤矿测区地势起伏较大，同时地表植被较多，地面物探方法不易进入，且勘探工作要求时间周期短，分辨率高，因此选用对低阻反映灵敏，且受地形影响小、抗干扰能力强的地空频率域电磁法进行勘探。

2 地空频率域电磁探测方法原理

地空频率域电磁法(Ground Airborne Frequency Domain Electromagnetic Method，GAFDEM)，对地下低阻目标体具有较高的探测灵敏度，其工作原理如图1所示，在地面布置电性发射源，同时在空中采用无人机搭载探测线圈，获取垂直磁场分量[16]。地空频率域电磁探测法与地面可控源电磁法类似，系统的工作区域可划分为远区和非远区(也叫作过渡区和近区)。远区是指发射源产生的电磁波近似垂直入射到地面的近似平面波区。在该区域内，电磁探测方法遵循频率测深原则，即电磁波的趋肤深度只跟频率和地电模型有关，而不随收发距变化。此时，可依据趋肤深度公式设计系统观测方案，即系统发射频率越低，探测深度越大。在非远区，该探测方法也能够在某特定测点获得最大的电阻率灵敏度。

图1 地空频率域电磁法工作原理示意图Fig.1 Diagram for working principle of ground airborne frequency domain electromagnetic method

地空频率域探测方法一般观测的频率范围为10 Hz到10 000 Hz，其理论勘探深度大约在2 km 左右[17]。而实际上受发射功率限制，同时由于接收机是悬吊于飞行器下方观测，其低频运动噪声会覆盖一定范围的低频有效信号，对观测深度和范围造成较大影响。探测深度的估算要视其可解释的最低频率决定，常规条件下(30 kW发射功率)能够保证接收系统获得10 Hz以上，10 km以内收发距的信号。

当电源布置在地面上，电线长度为L，电偶极源中的电流幅值为I，接收感应线圈放置在高度为∣z∣的空中 (z<0) ，Rx处的感应磁场Bz可计算为

(1)

3 地空频率域电磁探测数据数据采集、处理与解释

3.1 地空频率域电磁探测数据采集

对于金谷北区煤窑的探测选用JL-GAEM型多功能地空电磁探测系统，包括地面发射系统和机载接收系统两部分。地面发射系统使用电源车，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，可实现频率域模式的激励信号发射。机载频域电磁接收系统包括空心线圈感应传感器、多通道接收机和地面监测站三部分。系统基于GPS同步触发，具有低噪声、低功耗、高精度等优势。本次探测选用电动旋翼无人机作为飞行平台，搭载接收机进行信号的连续采集。图2为JL-GAEM型地空频率域电磁探测系统实物图。

图2 JL-GAEM 地空频率域电磁探测系统实物图Fig.2 JL-GAEM ground airborne frequency-domain electromagnetic system

测点施工布置图如图3所示，测区实际地空电磁探测面积1.87 km2，沿南北方向布置测线124条，线距20 m，点距10 m，有效物理测点9 424点，检查点608点，合计总物理测点10 032点。

图3 测网布置示意图Fig.3 Schematic diagram of the arrangement of measuring points

根据测区地形以及探测需求，地面布设电性源长度为1 950 m，发射波形为80、160、320、640、1 280 Hz的五频伪随机信号，发射电流30 A，空中接收线圈等效面积为2 942 m2，采样频率为31.25 kHz，具体仪器工作参数如表1所示。

表1 仪器工作参数表Tab.1 Instrument performance parameters

3.2 电磁探测数据的处理

地空频率域电磁探测数据受空中线圈姿态变化影响，易引入低频地磁场分量及同频发射信号产生的水平磁场分量，而导致数据质量明显降低。这种现象对于远源接收点影响更明显，因为信号随收发距增大而快速衰减，在远源处信号微弱，姿态噪声会导致数据信噪比明显下降。因此，在数据反演成像之前，需对地空频率域数据进行预处理。地空电磁数据处理流程如图4所示，具体包括以下步骤：

图4 地空电磁数据处理流程图Fig.4 Flow chart of ground airborne electromagnetic data processing

(1)小波去噪去除低频基线：针对低频地磁场和线圈低频运动引入的低频噪声，采用小波变换的方法去除低频基线，降低基线漂移在有效信号中产生影响；

(2)滤波：在频谱分析前先对数据进行滤波处理滤除带外噪声，防止数据做截断数据频谱分析时出现泄露现象；

(3)叠加：在采样时间内，对数据进行多周期叠加，去除信号中的非整周期随机噪声；

(4)频谱分析(FFT)：将处理后的时间序列进行FFT运算，得到各频点信号的幅度和相位；

(5)标定和归一：对FFT后的数据进行仪器标定和磁传感器标定，得到实测的磁场在各频点处对应的幅度和相位，再对幅度和相位进行电流归一化得到归一化的磁场；

(6)姿态校正：对标定后数据进行姿态校正，通过数据和校正因子去除数据中的同频姿态噪声；

(7)调平：对不同测线，不同测点，不同频率的数据进行空间滑动平均滤波。以实现数据的调平，保证相邻测线测量一致性。

3.3 视电阻率计算

地空频率域电磁探测方法是通过空中测量单一的垂直磁场分量进而获得地下视电阻率分布的一种方法。考虑视电阻率成像结果存在单一性，成像效率高，对电性结构的相对变化反映灵敏，目前处理手段以视电阻率快速成像方法为主。

均匀半空间模型下，公式(1)可简化为：

(2)

4 探测结果与分析

为查明测区内小煤窑的采空情况，对124条测线的地空探测信号进行了上述数据处理，得到全测区内地下视电阻率分布，其中重点关注的部分测线纵向剖面结果如图5所示。该组图揭示了测区地下-50 m至-300 m范围内的地电结构分布情况，图例颜色显示了该区域内视电阻率范围为35～140 Ω·m。从图中可以看出，重点关注的 3条测线内均存在局部相对低阻异常区域，范围分别为：L1线南北方向0～350 m，海拔高度810～930 m范围；L13线南北方向0～350 m，海拔高度800～950 m范围；L49线南北方向350～750 m，海拔高度800～900 m范围；L109线南北方向170～500 m，海拔高度720～770 m范围。低阻带在空间上具备连续贯通性，可能为地下小煤窑的含水采空区发育位置。

图5 部分测线视电阻率剖面图Fig.5 Apparent resistivity profiles of part lines

结合煤矿地形资料，基于纵向剖面数据，抽取测区内重点关注的10#煤层采掘面视电阻率切片如图6所示。总体来讲，测区内地下视电阻率南北方向连续性较好，东西方向呈现“高—低—高—低—高”的特征。根据视电阻率分布特征，圈定3处低阻异常D1、D2和D3。其中D1面积较小，分布在测区东南方向。D2面积最大，分布在东西方向1 550～1 900 m范围内的测区北部。D3分布在东西X方向300～500 m范围测区南侧。

采矿区地下视电阻率结构主要受煤层分布和开采情况的影响。为进一步分析可能的地下结构情况，将获得的视电阻率剖面图投影到矿区施工图上，如图7所示。由图可知，D2对应的低阻位置为煤矿1号采空积水区(绿色线框位置)。根据早期的抽水实验和采空面积，估计积水量2 168 m3左右。另外，通过投影对比，D1和D3附近位置均存在采空区，结合低阻特征，推测为可能的含水结构，为后续验证治理工作提供参考。

5 结论

1)利用地空频率域电磁系统，通过在地面布设电性源、空中无人机采集信号的工作方式，获取了研究区的地空频率域电磁响应数据。

2)通过对地下300 m深度内的视电阻率特征的分析，获取了研究区内地下电性结构的特性，准确圈定了区内疑似煤窑采空积水区的范围。

图6 10#煤层采掘面视电阻率切片Fig.6 Apparent resistivity slice of mining face in 10# coal seam

图7 10#煤层视电阻率平面投影图Fig.7 Plan projection of apparent resistivity of 10# coal seam

3)对比实际煤层资料，验证了地空频率域电磁系统在小煤窑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。

目前地空电磁数据的反演方法尚处于研究阶段，缺少成熟反演软件。在未来工作中，将针对采空积水区模型快速正演和反演方法开展详细研究，对于重点区域，利用反演手段进一步处理，提升解释精度。