航空瞬變電磁法與地微動(dòng)法在新疆某煤礦采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用

韋斯 熊勇 楊剛

摘 ?要：一些煤礦煤層開采歷史悠久，留下了較多老窯及采空區(qū)，因基礎(chǔ)資料匱乏，為后期建設(shè)埋下了安全隱患，因此對(duì)煤礦采空區(qū)的探測(cè)顯得尤為迫切和重要。航空瞬變電磁法和地微動(dòng)法都是地球物理勘探方法，其中航空瞬變電磁法是通過二次感應(yīng)電磁場(chǎng)對(duì)地下低阻體進(jìn)行探測(cè)，而地微動(dòng)法則是利用面波的頻散特性獲取地下低速異常體，兩種方法都是采空區(qū)探測(cè)的主要方法。本文將結(jié)合工程實(shí)例，介紹航空瞬變電磁法和地微動(dòng)法在新疆某煤礦采空區(qū)探測(cè)中應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：航空瞬變電磁法 ? 地微動(dòng)法 ? 采空區(qū) ?二次感應(yīng)電磁場(chǎng) ? 頻散特性

1 ?引 言

近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)煤炭等能源的需求量也越來越大。一些煤礦煤層開采歷史較為久遠(yuǎn)，留下了較多老窯及采空區(qū)，因基礎(chǔ)資料匱乏，為后期建設(shè)埋下了極大安全隱患，因此對(duì)煤炭采空區(qū)的探測(cè)顯得尤為迫切和重要。

目前，煤炭采空區(qū)探測(cè)的方法有：瞬變電磁法、激發(fā)極化法、地震反射法、地微動(dòng)法等地球物理勘探方法，各種方法各有優(yōu)勢(shì)，也有各自的不足，較常用的是多種勘探方法綜合應(yīng)用。其中航空瞬變電磁法屬于電磁類的物探方法，主要是通過接收二次感應(yīng)電磁場(chǎng)對(duì)地下低阻體進(jìn)行探測(cè)，而地微動(dòng)法屬于被動(dòng)源面波勘探方法，其主要利用面波的頻散特性獲取地下低速異常體，兩種方法都是采空區(qū)探測(cè)的主要方法。本文將結(jié)合工程實(shí)例，介紹航空瞬變電磁法和地微動(dòng)法在新疆某煤礦采空區(qū)探測(cè)中應(yīng)用情況。

2 ?工程、地質(zhì)概況及地球物理特征

2.1、工程概況

測(cè)區(qū)內(nèi)煤層開采歷史悠久，留下了較多老窯及采空區(qū)。各礦井在2016年～2017年對(duì)小煤礦清理整頓過程中逐步關(guān)閉，在關(guān)閉前均有過不同程度的開采，采空區(qū)平面位置見圖1-2。

井田內(nèi)采空區(qū)面積、最低開采水平及礦井積水情況見下表1-1。

2.2、地質(zhì)概況

（1）地形、地貌

火區(qū)位于吐魯番盆地北緣天山山脈之博格達(dá)南麓，屬低山丘陵區(qū)帶。最高海拔為+1049m，最低+922m，相對(duì)高差一般為50m，地勢(shì)總體為東北高西南低，西部寬闊平緩而東部較陡峭。

本次物探勘查區(qū)域受地表采掘、采空區(qū)塌陷及火區(qū)治理施工的影響，形成較大規(guī)模的深坑槽，幫坡最大角度達(dá)62°，深坑周圍堆積大量矸石，導(dǎo)致工作區(qū)地形變化劇烈，坑邊最高標(biāo)高約+1030m，坑內(nèi)最低標(biāo)高+856m。物探工作區(qū)地貌情況見圖2-2。

（2）地層巖性

測(cè)區(qū)內(nèi)地層由老到新有：侏羅系下統(tǒng)八道灣組（J1b）、三工河組（J1s），侏羅系中統(tǒng)西山窯組（J2x）、頭屯河組（J2t），侏羅系上統(tǒng)齊古組（J3q），第四系全新統(tǒng)（Q4pal）、上更新統(tǒng)-全新統(tǒng)（Q3-4apl）。第四系全新統(tǒng)（Q4pal）、上更新統(tǒng)-全新統(tǒng)（Q3-4apl）一般厚度約10m，與下伏地層呈角度不整合接觸，主要為礫石、砂土、黃土等混雜堆積層，結(jié)構(gòu)松散無膠結(jié)。侏羅系地層巖性以粗砂巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，局部夾碳質(zhì)泥巖及煤層。

礦區(qū)內(nèi)主要含煤地層為侏羅系中統(tǒng)西山窯組（J2x）和侏羅系下統(tǒng)八道灣組（J1b）。共含編號(hào)煤層18層，自上而下編號(hào)為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煤層，煤層總厚平均為52.93m。可采煤層共8層，可采煤層總厚平均36.9m，依次為3-3、3-2、3-1、2-3、2-2、2-1、1、A2號(hào)。本次物探工作區(qū)主要開采煤層為侏羅系中統(tǒng)西山窯組中段（J2x2）2、3號(hào)煤層。2號(hào)煤層厚度24.87m～38.20m，平均28.53m;3號(hào)煤層厚度7.53m～20.28m，平均厚度13.85m。2、3號(hào)煤層，屬全區(qū)發(fā)育的穩(wěn)定煤層，自西向東逐漸增厚，全區(qū)平均厚度為33.25m，煤層傾向向北，傾角40°～42°。

（3）水文地質(zhì)

礦區(qū)所在的吐魯番盆地區(qū)屬干旱荒漠氣候，全年平均降水量6.3mm，而蒸發(fā)量高達(dá)4107mm以上，蒸發(fā)量是降水量的651倍。礦區(qū)內(nèi)無常年性地表徑流，地下水的補(bǔ)給主要源于大氣降水、雪融水通過地表風(fēng)化、構(gòu)造裂隙等入滲補(bǔ)給地下水。礦區(qū)充水含水層分別為侏羅系中統(tǒng)西山窯組承壓孔隙裂隙弱含水層（H3）、侏羅系下統(tǒng)八道灣組孔隙裂隙弱含水層（H4），與含煤地層一致。含水層均為弱富水層，以靜貯存為主。

2.3、地球物理特征

礦區(qū)第四系主要為礫石、砂土、黃土等混雜堆積層，結(jié)構(gòu)松散，其電阻率值隨含稅量變化較大，一般數(shù)十至數(shù)百歐姆.米。侏羅系地層巖性以粗砂巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，根據(jù)礦區(qū)鉆孔（13-3-1鉆孔）測(cè)井資料，電阻率值變化較小，一般為150～200歐姆.米左右，粗砂巖略高;碳質(zhì)泥巖、煤層（煙煤）電阻率較高，一般在500～600歐姆.米。聲波測(cè)井資料顯示，除第四系松散堆積層外，礦區(qū)各巖層及煤層之間聲波時(shí)差變化較小，說明各巖層及煤層中彈性波傳播速度差異較小。

3 ?物探工作方法選擇及原理

3.1、物探方法選擇

物探方法的選擇需要綜合考慮地形地貌條件、地質(zhì)環(huán)境、物性特征、目標(biāo)體規(guī)模、空間分布等自然因素，結(jié)合經(jīng)濟(jì)合理性，采用綜合物探與鉆探驗(yàn)證相結(jié)合進(jìn)行綜合勘查，以期獲得較好的勘探效果。本次物探勘查區(qū)域受采空區(qū)塌陷及火區(qū)治理施工的影響，區(qū)內(nèi)地形變化劇烈，地面物探工作難度大、風(fēng)險(xiǎn)高，采用航空物探方法技術(shù)是相對(duì)合理的選擇。上節(jié)的物性特征分析可以看出，礦區(qū)除碳質(zhì)泥巖及煤層電阻率相對(duì)較高（電阻率值一般在500～600歐姆.米）外，其余巖性電阻率差異較?。ㄒ话銥?50～200歐姆.米左右），具備采用電探類方法劃分煤層（高阻）與其余巖性地層（低阻）的物性前提。本次物探工作區(qū)為塌陷裂隙區(qū)，勘探目的為煤層采空區(qū)的空間分布特征及規(guī)模情況，依據(jù)初步設(shè)計(jì)方案資料，采空區(qū)為充水空間，其電探異常應(yīng)為高阻背景（煤層）下的低視電阻率異常。然而，礦區(qū)其他巖性同為低阻體，這就造成了低阻異?？赡懿⒉蝗浅渌煽諈^(qū)。對(duì)于電探類方法發(fā)現(xiàn)的低阻異常區(qū)，應(yīng)采用其他方法進(jìn)一步確定或驗(yàn)證。依據(jù)礦區(qū)各類巖性地層及煤層彈性波傳播速度差異較小，采空區(qū)、裂隙塌陷區(qū)彈性波傳播速度明顯降低這一物性特征，對(duì)于電探發(fā)現(xiàn)的低阻異常區(qū)可采用彈性波勘探方法進(jìn)一步確定。綜上所述，在充分考慮礦區(qū)地形地貌、地層結(jié)構(gòu)、物性特征、勘探目的的基礎(chǔ)上，依據(jù)經(jīng)濟(jì)合理原則，本次勘查采用航空瞬變電磁法、地震微動(dòng)勘探法相結(jié)合，兩種物探方法互為補(bǔ)充印證。

3.2、航空瞬變電磁法原理

航空瞬變電磁法是一種利用機(jī)載線圈發(fā)射電磁波脈沖，通過接收線圈所接收到的二次感應(yīng)電磁場(chǎng)信號(hào)，探測(cè)地下結(jié)構(gòu)體特征的物探方法，該方法對(duì)低阻目標(biāo)體反映敏感，主要用于對(duì)低阻目標(biāo)體的勘探，對(duì)充水采空區(qū)有較好的勘探效果，而對(duì)于未充水的高阻采空區(qū)基本無效。其原理與地面瞬變電磁法一致，僅在數(shù)據(jù)采集方式及反演計(jì)算進(jìn)行相應(yīng)的改變。其原理如下：

在導(dǎo)電率為σ、導(dǎo)磁率為μ的均勻各向同性大地上空敷設(shè)面積為S的發(fā)射回線，在回線中供以階躍脈沖電流

（3-1）

在電流斷開之前（時(shí)），發(fā)射電流在回線周圍的大地和空間中建立起一個(gè)穩(wěn)定的磁場(chǎng)，如圖3-1所示

在t=0時(shí)刻，將電流突然斷開，由該電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)也立即消失。一次磁場(chǎng)的這一劇烈變化通過空氣和地下導(dǎo)電介質(zhì)傳至回線周圍的大地中，并在大地中激發(fā)出感應(yīng)電流以維持發(fā)射電流斷開之前存在的磁場(chǎng)、使空間的磁場(chǎng)不會(huì)即刻消失。由于介質(zhì)的歐姆損耗，這一感應(yīng)電流將迅速衰減，由它產(chǎn)生的磁場(chǎng)也隨之迅速衰減，這種迅速衰減的磁場(chǎng)又在其周圍的地下介質(zhì)中感應(yīng)出新的強(qiáng)度更弱的渦流。這一過程繼續(xù)下去，直至大地的歐姆損耗將磁場(chǎng)能量消耗完畢為止。這便是大地中的瞬變電磁過程，伴隨這一過程存在的電磁場(chǎng)便是大地的瞬變電磁場(chǎng)。

在發(fā)射電流剛關(guān)斷時(shí)，該環(huán)狀線電流緊接發(fā)射回線，與發(fā)射回線具有相同的形狀。隨著時(shí)間推移，該電流環(huán)向下、向外擴(kuò)散，并逐漸變形為圓電流環(huán)。圖3-2給出了發(fā)射電流關(guān)斷后不同時(shí)刻地下等效電流環(huán)的示意分布。從圖中可以看到，等效電流環(huán)很像從發(fā)射回線中“吹”出來的一系列“煙圈”，因此，人們將地下渦旋電流向下、向外擴(kuò)散的過程形象地稱為“煙圈效應(yīng)”。

“煙圈”的半徑r、深度d的表達(dá)式分別為：

（3-2）

（3-3）

當(dāng)發(fā)射線圈半徑相對(duì)于“煙圈”半徑很小時(shí)?？傻?/p>

故“煙圈”將沿47°傾斜錐面擴(kuò)散，其向下傳播的速度為：

（3-4）

從“煙圈效應(yīng)”的觀點(diǎn)看，早期瞬變電磁場(chǎng)是由近地表的感應(yīng)電流產(chǎn)生的，反映淺部電性分布;晚期瞬變電磁場(chǎng)主要是由深部的感應(yīng)電流產(chǎn)生的，反映深部的電性分布。因此，觀測(cè)和研究大地瞬變電磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化規(guī)律，可以探測(cè)大地電位的垂向變化，這便是瞬變電磁測(cè)深的原理。

瞬變電磁場(chǎng)的探測(cè)深度主要由測(cè)量時(shí)間和地下介質(zhì)的電阻率來確定。當(dāng)?shù)叵聻榫鶆蚪橘|(zhì)時(shí)，地面發(fā)送線圈中的電流被切斷后，感應(yīng)電流隨時(shí)間向地下擴(kuò)散，電流被關(guān)斷后某一時(shí)刻地下最大渦流所在深度由下式計(jì)算

（3-5）

當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)的平均電阻率為15 ? ? ，測(cè)量時(shí)間取20ms，探測(cè)深度即達(dá)218m。至于發(fā)送回線（接收回線）與探測(cè)深度的關(guān)系，只是為了保證接收線框內(nèi)有足夠的信號(hào)強(qiáng)度。同時(shí)，由于回線在一定的范圍內(nèi)線框越小，其體積效應(yīng)也越小，其橫向、縱向分辨率也愈高。

3.3、地微動(dòng)法原理

地球表面不論在何時(shí)何地都存在一種天然的微弱震動(dòng)，稱為地脈動(dòng)或常時(shí)微動(dòng)（Microtremor or Ambient vibration），它源于自然界和人類的各種活動(dòng)。自然界中的風(fēng)、潮汐、氣壓變化、火山活動(dòng)等都會(huì)產(chǎn)生震動(dòng);而人類活動(dòng)產(chǎn)生的震動(dòng)包括車輛移動(dòng)、工廠機(jī)械運(yùn)行，甚至人的行走等，前者頻率小于1Hz，后者頻率大于1Hz。

所有這些震動(dòng)的能量將以波的形式向遠(yuǎn)處傳播，微動(dòng)是一種由體波（P波和S波）和面波（瑞利波和拉夫波）組成的復(fù)雜震動(dòng)，并且垂直方向上面波的能量占信號(hào)總能量的70%以上。盡管微動(dòng)信號(hào)的振幅和形態(tài)隨著時(shí)空變化而發(fā)生變化，但在一定時(shí)空范圍內(nèi)具有統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定性，可用時(shí)間和空間上的平穩(wěn)隨機(jī)過程描述。

微動(dòng)具有如下特征：

（1）地球表面無論何時(shí)何地都存在震動(dòng);

（2）動(dòng)源的空間分布、觸發(fā)時(shí)間及源的強(qiáng)度是隨機(jī)的;

（3）在某一固定的位置，波的到來方向一般不確定;

（4）頻率一般較低;

（5）微動(dòng)探測(cè)中攜帶有面波所固有的頻散信息。

微動(dòng)探測(cè)方法是以平穩(wěn)隨機(jī)過程理論為依據(jù)，從微動(dòng)信號(hào)中提取面波（瑞利波）的頻散曲線，通過對(duì)頻散曲線的反演，從而獲得地下介質(zhì)的橫波速度結(jié)構(gòu)。

淺地表微動(dòng)探測(cè)利用的是微動(dòng)信號(hào)中的高頻段震動(dòng)源，一般頻率>1Hz，震動(dòng)源主要與人類活動(dòng)（交通工具、機(jī)器震動(dòng)等）有關(guān)，震動(dòng)源主要產(chǎn)生于地表，表現(xiàn)為白天/夜晚，工作日/休息日有明顯變化。高頻段的微動(dòng)信號(hào)一般來自較近的震動(dòng)源，震源大多數(shù)位于近地表。震動(dòng)源很近時(shí)（小于數(shù)百米），微動(dòng)波場(chǎng)包含體波和面波，距離較遠(yuǎn)時(shí)，面波占主要能量。

微動(dòng)是一種沒有特定震源的微弱振動(dòng)，它是由體波（P波和S波）和面波（瑞雷波和勒夫波）組成的復(fù)雜振動(dòng)，并且面波的能量占信號(hào)能量的70%以上，微動(dòng)中的面波信息與地表介質(zhì)密切相關(guān)，實(shí)際運(yùn)用中常利用微動(dòng)信號(hào)的瑞雷波信息。

由于面波的頻散特性，微動(dòng)信號(hào)具有振幅、頻率隨時(shí)間、空間發(fā)生顯著變化的特點(diǎn)，但在一定時(shí)空范圍內(nèi)仍滿足統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定性，可用平穩(wěn)隨機(jī)過程來描述。微動(dòng)探測(cè)方法（The Microtremor Survey Method，簡(jiǎn)稱MSM）是以平穩(wěn)隨機(jī)過程理論為依據(jù)，從微動(dòng)信號(hào)提取面波（瑞雷波）的頻散曲線，通過對(duì)頻散曲線的反演獲取地下速度結(jié)構(gòu)信息的地球物理探測(cè)方法，如圖3-4所示。

從微動(dòng)信號(hào)中提取瑞雷波頻散曲線常用的兩種方法是頻率-波數(shù)法（The Frequency-wavenumber Power Spectral Method，簡(jiǎn)稱F-K法）和空間自相關(guān)方法（Spatical Autocorrelation Method，簡(jiǎn)稱SPAC法）。F-K法頻散曲線集中在低頻段，而高頻時(shí)的混頻現(xiàn)象會(huì)使其結(jié)果惡化;SPAC法頻散曲線集中在高頻段，而低頻段經(jīng)常無法準(zhǔn)確提取，因此F-K法適合分析深部土層，而SPAC法適合分析淺部土層。

4 ?方法應(yīng)用

4.1、儀器設(shè)備

本次航空瞬變電磁勘查采用重慶璀陸探測(cè)技術(shù)有限公司自主研發(fā)的無人機(jī)全航空瞬變電磁測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)由大疆T30無人機(jī)、瞬變電磁主機(jī)、收發(fā)一體線圈、數(shù)據(jù)處理與成像軟件組成，采用了 “恒壓鉗位”高速線性關(guān)斷和無損消互感技術(shù)，結(jié)合高密度高動(dòng)態(tài)信號(hào)采集，具有極強(qiáng)的深部探測(cè)能力;大磁矩發(fā)射增強(qiáng)了抗干擾能力，改善了深部探測(cè)效果。

系統(tǒng)主要特點(diǎn)：

（1）國(guó)內(nèi)航空瞬變電磁法系統(tǒng)正處于研發(fā)階段，目前研發(fā)及應(yīng)用相對(duì)較多是地～空瞬變電磁系統(tǒng)（供電系統(tǒng)在地面，測(cè)量系統(tǒng)在空中）使用效果不是太好。該航空瞬變電磁法系統(tǒng)是目前國(guó)內(nèi)唯一應(yīng)用中的無人機(jī)全航空瞬變電磁系統(tǒng)（供電、測(cè)量系統(tǒng)均在空中）。

（2）高速線性關(guān)斷技術(shù)?！昂銐恒Q位”實(shí)現(xiàn)高速線性關(guān)斷，減少一出場(chǎng)干擾，縮小淺部探測(cè)盲區(qū)范圍。

（3）無損消耦技術(shù)。不損失激發(fā)場(chǎng)和二次場(chǎng)，消除了一次場(chǎng)混疊，減小了信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍，提高了淺部信號(hào)的分辨能力。

（4）大深度：大電流60A，增強(qiáng)深部信號(hào)。

（5）采用大偶極距及極低頻，穿透深度大，尤其是在低阻體環(huán)境中。

本次地微動(dòng)勘查工作設(shè)備為美國(guó)Geometrics公司生產(chǎn)的ATOM-24無線面波采集系統(tǒng)。整套系統(tǒng)由多個(gè)Atom采集單元組成。Atom采用32-bit高精度ADC，降低自身噪聲，提高儀器信噪比。GPS授時(shí)控制以及4GB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，每個(gè)Atom之間采用WIFI和NFC（近距離無線通訊）方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，極大的方便了野外操作。

儀器同步：通過接收GPS衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)自動(dòng)、實(shí)時(shí)進(jìn)行內(nèi)部時(shí)鐘校正，其同步誤差小于15ns，在長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)中能確保各數(shù)據(jù)采集器同步性。

4.2、測(cè)線布置及現(xiàn)場(chǎng)工作技術(shù)

（1）航空瞬變電磁法

根據(jù)《煤田滅火規(guī)范》第十九條，采用物探時(shí)對(duì)測(cè)線、測(cè)網(wǎng)密度的要求，本次物探測(cè)線方向沿煤層走向（采空區(qū)走向）線的近垂向布置，測(cè)線長(zhǎng)度控制在合同規(guī)定勘探范圍，測(cè)線距離30m（《煤田滅火規(guī)范》要求不大于50m），測(cè)點(diǎn)距3m（《煤田滅火規(guī)范》要求2～5m）。

由于施工期地形變化較快，本次航空瞬變電磁法測(cè)線地面高程采用大疆精靈-4測(cè)繪無人機(jī)進(jìn)行實(shí)測(cè)。

T30無人機(jī)飛行軌跡（測(cè)線）利用地形圖上讀取的測(cè)線起始點(diǎn)平面坐標(biāo)進(jìn)行控制。瞬變電磁系統(tǒng)測(cè)量過程中實(shí)時(shí)記錄測(cè)點(diǎn)電磁數(shù)據(jù)、坐標(biāo)、高程。

無人機(jī)飛行速度保持3m/s，線圈離地高度控制在5m左右，發(fā)射線圈直徑5m、接收線圈直徑0.5m。正常飛行時(shí)，顯示屏實(shí)時(shí)顯示測(cè)量電磁數(shù)據(jù)、飛行航跡、速度、時(shí)間等。

（2）地微動(dòng)法

原計(jì)劃方案微動(dòng)探測(cè)主要用于瞬變電磁法異常點(diǎn)的進(jìn)一步勘查。受地形條件限制，異常點(diǎn)較難布置微動(dòng)勘探點(diǎn)，經(jīng)業(yè)主方指示，微動(dòng)勘探方法用于地形相對(duì)較好，施工風(fēng)險(xiǎn)較高地段的測(cè)線勘查。測(cè)線距30m，測(cè)點(diǎn)距10m。

微動(dòng)常見探測(cè)方法包括單點(diǎn)探測(cè)和剖面探測(cè)，多重圓觀測(cè)臺(tái)陣、L形臺(tái)陣是微動(dòng)探測(cè)常用的單點(diǎn)布設(shè)方式，圖4-3為三重圓形臺(tái)陣觀測(cè)系統(tǒng)，圓心處布設(shè)1臺(tái)數(shù)據(jù)采集器，圓周上至少布設(shè)3臺(tái)數(shù)據(jù)采集器。在利用SPAC法時(shí)，圓形觀測(cè)臺(tái)陣的半徑稱為觀測(cè)半徑R，最大探測(cè)深度H與觀測(cè)半徑R之間通常存在以下關(guān)系：H=（3～5）R。微動(dòng)單點(diǎn)探測(cè)目的是獲得測(cè)點(diǎn)下方地層介質(zhì)的橫波速度及界面深度，也稱為微動(dòng)測(cè)深。

為滿足二維勘查的需求，微動(dòng)觀測(cè)點(diǎn)可沿剖面布設(shè)，即采用微動(dòng)剖面探測(cè)方法。為了高效率完成野外施工，常采用如圖3-7所示的等間距臺(tái)陣布設(shè)方式，該臺(tái)陣等間隔布設(shè)，每個(gè)臺(tái)陣由10個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)組成，當(dāng)完成圓點(diǎn)S1的觀測(cè)（即由S1、A1、B1-B3、C1、C2、D1、D3和D5組成的單點(diǎn)觀測(cè)臺(tái)陣）后，將觀測(cè)點(diǎn)S1、A1、B1、C1、D1、D3和D5的數(shù)據(jù)采集器移動(dòng)到對(duì)應(yīng)的S2、A2、B4、C3、D2、D4和D6上即可進(jìn)行第二測(cè)點(diǎn)臺(tái)陣觀測(cè)，以此類推。該方式每次僅需移動(dòng)若干臺(tái)數(shù)據(jù)采集器即可完成一個(gè)測(cè)點(diǎn)，而無需將10臺(tái)數(shù)據(jù)采集器全部移動(dòng)到下一個(gè)測(cè)點(diǎn)。對(duì)于某些特殊的工區(qū)，也可采用不等間距布設(shè)臺(tái)陣方式進(jìn)行剖面探測(cè)。

本次微動(dòng)法野外數(shù)據(jù)采集使用三重圓圓形臺(tái)陣觀測(cè)系統(tǒng)，不等間距布設(shè)臺(tái)陣方式進(jìn)行剖面探測(cè)。檢波器選用主頻2Hz低頻檢波器，采樣間隔1ms，采樣時(shí)長(zhǎng)>20min。

5 ?成果解釋分析

5.1、航空瞬變電磁法

航空瞬變電磁法數(shù)據(jù)處理采用重慶璀陸探測(cè)技術(shù)有限公司自主研發(fā)的璀陸云平臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行計(jì)算。該服務(wù)器計(jì)算速度快，效率高，可以同時(shí)處理大批量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)快速處理和數(shù)據(jù)成圖。反演計(jì)算結(jié)果最終繪制成剖面視電阻率斷面等值線圖。

視電阻率斷面等值線圖的解釋以工作區(qū)地質(zhì)情況及地球物理特征分析為基礎(chǔ)，結(jié)合視電阻率等值線異常分布情況、地下水位、最低開采標(biāo)高、煤層底板位置等情況進(jìn)行綜合推斷解釋。并遵循如下原則：

（1）由于方法本身的缺陷，淺部存在勘查盲區(qū)（盲區(qū)大小受儀器電流關(guān)斷延時(shí)、地層電阻率高低、勘探深度等因素影響，本次勘測(cè)盲區(qū)20m左右），對(duì)于剖面地表以下20m深度內(nèi)的異常情況不予解釋。

（2）對(duì)于2號(hào)煤層底板以下、最低開采標(biāo)高以下的異常不予解釋。

（3）根據(jù)工作區(qū)的物性特征分析，本次瞬變電磁法勘查目標(biāo)是高阻背景（煤層）下的低阻（充水采空區(qū)）異常，該方法對(duì)于高阻背景下的低阻異常（充水或潮濕采空區(qū)）反映相對(duì)敏感，而對(duì)于高阻背景下的高阻異常（不含水的干采空區(qū)）基本無效，因此僅對(duì)低阻異常進(jìn)行解釋，不對(duì)高阻異常進(jìn)行解釋。

（4）對(duì)于地下水位以下的低阻異常解釋為富水裂隙發(fā)育區(qū)或采空區(qū)，對(duì)于地下水位以上的低阻異常解釋為含水裂隙發(fā)育區(qū)或采空區(qū)。

通過以上解釋方法，得到各工區(qū)的采空區(qū)分布情況：

（1）1、2號(hào)火區(qū)

如圖5-1所示，在1、2號(hào)火區(qū)2號(hào)煤層底板以上，地下水位以下，多個(gè)剖面存在明顯低阻異常，推測(cè)為富水裂隙發(fā)育區(qū)或采空區(qū)。

（2）3號(hào)火區(qū)

如圖5-2所示，在3號(hào)火區(qū)2號(hào)煤層底板以上，地下水位以下，多個(gè)剖面存在明顯低阻異常，推測(cè)為富水裂隙發(fā)育區(qū)或采空區(qū)。

（3）4號(hào)火區(qū)

如圖5-3所示，在4號(hào)火區(qū)2號(hào)煤層底板以上，地下水位以下，多

個(gè)剖面存在明顯低阻異常，推測(cè)為富水裂隙發(fā)育區(qū)或采空區(qū)。

（4）塌陷區(qū)

如圖5-4所示，在塌陷區(qū)2號(hào)煤層底板以上，地下水位以下，多個(gè)剖面存在明顯低阻異常，推測(cè)為富水裂隙發(fā)育區(qū)或采空區(qū)。

5.2、地微動(dòng)法

從微動(dòng)信號(hào)中提取瑞雷波頻散曲線常用的兩種方法是頻率-波數(shù)法（The Frequency-wavenumber Power Spectral Method，簡(jiǎn)稱F-K法）和空間自相關(guān)方法（Spatical Autocorrelation Method，簡(jiǎn)稱SPAC法）。F-K法頻散曲線集中在低頻段，而高頻時(shí)的混頻現(xiàn)象會(huì)使其結(jié)果惡化;SPAC法頻散曲線集中在高頻段，而低頻段經(jīng)常無法準(zhǔn)確提取，因此F-K法適合分析深部土層，而SPAC法適合分析淺部土層。

本次微動(dòng)勘查數(shù)據(jù)處理采用驕佳面波數(shù)據(jù)處理軟件，提取瑞雷波頻散曲線采取空間自相關(guān)方法（SPAC法）。

微動(dòng)剖面探測(cè)數(shù)據(jù)處理流程：從各測(cè)點(diǎn)記錄中提取瑞雷波頻散曲線，計(jì)算測(cè)點(diǎn)視S波速度，計(jì)算獲得二維視S波速度剖面等值線。

S波速度剖面等值線圖解釋以工作區(qū)地質(zhì)情況及地球物理特征分析為基礎(chǔ)，結(jié)合視速度等值線異常分布情況、最低開采標(biāo)高、煤層底板位置等情況綜合分析推斷解釋。并遵循如下原則：

1、由于方法本身的缺陷，淺部存在勘查盲區(qū)（盲區(qū)大小主要受勘探深度的影響，勘探深度要求越大，淺部盲區(qū)相對(duì)較大），對(duì)于剖面地表以下約20m深度內(nèi)的淺部異常情況不予解釋。

2、對(duì)于2號(hào)煤層底板以下、最低開采標(biāo)高以下的異常，低速異常不予解釋。

3、根據(jù)工作區(qū)的物性特征分析，本次物探工作區(qū)各地層地震波速度差異較小，當(dāng)存在采空區(qū)、塌陷區(qū)、裂隙發(fā)育區(qū)時(shí)地震面波傳播速度明顯降低，2號(hào)煤層底板及最低開采標(biāo)高以上的低速異常解釋為裂隙發(fā)育區(qū)或采空區(qū)。

本次地微動(dòng)勘探共完成測(cè)線16條，根據(jù)S波速度剖面等值線圖，共發(fā)現(xiàn)低速異常區(qū)域47個(gè)，結(jié)合以上解釋方法，推測(cè)以上低速異常區(qū)為裂隙發(fā)育區(qū)或采空區(qū)。以下為地微動(dòng)勘探獲取的典型低速異常剖面：

（1）DW01剖面

如圖5-5所示，2號(hào)煤層底板以上，測(cè)線19-41米、56-81米，高程853-868米、883-909米附近有低波速異常區(qū)，結(jié)合地質(zhì)資料分析，推測(cè)為裂隙發(fā)育區(qū)或采空區(qū)。

（2）DW09剖面

如圖5-6所示，2號(hào)煤層底板以上存在4個(gè)低速異常區(qū)，分別為：①測(cè)線0-9米，高程854-898米區(qū)域;②測(cè)線18-34米，高程798-814米區(qū)域;③測(cè)線65-85米，高程844-864米區(qū)域;④測(cè)線100-140米，高程886-909米區(qū)域。結(jié)合地質(zhì)資料分析，推測(cè)這些低速區(qū)為裂隙發(fā)育區(qū)或采空區(qū)。

（1）DW15剖面

測(cè)線位于吐魯番市煤礦礦界范圍，最低開采標(biāo)高+825m。如圖5-7所示，微動(dòng)成果圖像上存在8個(gè)低速異常區(qū)，分別為：①測(cè)線上0-23米，高程為847-874米區(qū)域;②測(cè)線上55-101米，高程為849-896米區(qū)域;③測(cè)線上134-150米，高程為838-864米區(qū)域;④測(cè)線上208-237米，高程為846-866米區(qū)域;⑤測(cè)線上302-319米，高程為831-847米區(qū)域;⑥測(cè)線上333-364米，高程為854-869米區(qū)域;⑦測(cè)線上398-441米，高程為836-867米區(qū)域;⑧測(cè)線上460-480米，高程為846-873米區(qū)域。結(jié)合地質(zhì)資料分析，推測(cè)為裂隙發(fā)育區(qū)或采空區(qū)。

6 ?結(jié)語(yǔ)

（1）本次物探勘查在充分考慮工程區(qū)地形、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、物性特征、勘探目的、勘探作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)基礎(chǔ)上，依據(jù)經(jīng)濟(jì)合理原則，采用物探領(lǐng)域最新先進(jìn)技術(shù)，航空瞬變電磁法、地震微動(dòng)法進(jìn)行。方法選擇合理，技術(shù)先進(jìn)。

（2）依據(jù)《煤田滅火規(guī)范》規(guī)定布置物探測(cè)網(wǎng)，并參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求開展物探工作。提交了航空瞬變電磁法工作區(qū)低阻異常（含水裂隙發(fā)育區(qū)或采空區(qū)）、微動(dòng)工作區(qū)低速異常（裂隙發(fā)育區(qū)或采空區(qū)）的剖面成果勘探成果及異常平面分布情況、三位空間關(guān)系成果。從物探異常的角度反映了采空區(qū)或裂隙塌陷區(qū)可能都平面位置、埋深情況，達(dá)到預(yù)期目的。

（3）物探異常主要分布在2號(hào)煤層底板及最低開采標(biāo)高以上，與實(shí)際情況吻合。從側(cè)面證實(shí)了物探成果的可靠性。

（4）從地微動(dòng)勘探成果分析，沿煤層傾向布置的勘探剖面，地震波速度界面與煤層傾角基本一致，煤層底板以下地震波速度較高，異常主要分布于2號(hào)煤層底板以上，說明2號(hào)煤層底板以上，由于采煤導(dǎo)致出現(xiàn)采空區(qū)及裂隙發(fā)育，從而導(dǎo)致煤層底板以上地震波速度明顯降低，與實(shí)際地質(zhì)情況吻合較好。

（5）沿煤層走向布置的微動(dòng)剖面，速度分界面標(biāo)高穩(wěn)定，說明沿走向2號(hào)煤層底板高程穩(wěn)定，異常主要分布在2號(hào)煤層底板以上，與實(shí)際地質(zhì)情況吻合，從側(cè)面也證實(shí)了地微動(dòng)資料的可靠性。

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（第一作者：韋斯（1980-），男，物探高級(jí)工程師，2002年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地球物理系，現(xiàn)就職于貴州水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司）