龟兹矿业老空区积水勘探技术研究

刘 涛 朱 伟

（新疆龟兹矿业有限公司，新疆 库车 842000）

新疆龟兹矿业设计生产能力为3 万t，可采煤层 5 层，首采煤层为A6 煤层，平均煤厚为3.02 m，煤层倾角3°～20°。煤层赋存比较简单，适合机械化开采。区内主要含水层为下侏罗统塔里奇克组含水层，单位涌水量为0.097 L/s·m，渗透系数为0.268 m/d，为弱富水性含水层。为了提高煤矿生产的安全性，计划对区域内老空区积水情况进行勘探，但传统的高密度电法剖面测量效率低、精度差，难以满足快速探测的需求。

龟兹矿业将无人机飞控测量和瞬变电磁测量进行有机结合，对半航空测瞬变电磁测量设备、测量流程和应用情况进行了分析。新探测技术的总均方相对误差减少了11.4%，探测速度比传统方案提高了2.1 倍，极大地提升了龟兹矿的勘探效率和精确性。

1 半航空测瞬变电磁法装备分析

为了满足对大范围区域进行快速探测的目的，增加探测的效率和可靠性，龟兹矿业本次测量采用了半航空测量的方式，由BG-ME100 无人机飞行系统和电性源瞬变电磁系统构成。电性源瞬变电磁系统包括了发射系统（包括EMT6000 发射机和HJD25000T 大功率发电机）和TEM31 机载瞬变电磁接收系统[1]（其等效面积为3200 m2，绕线200 匝），BG-ME100 无人机飞行系统为纯电动8 旋翼无人机，巡航速度大于10 m/s，爬升率大于2 m/s，巡航精度达到了±0.5 m/s。

半航空测量法以电磁发射机向铺设在地面上的长导线发射给定频率的电流，在其中激发出特定的电磁场，然后利用安装在航空器上的接收吊舱来接收电磁场在不同方向、不同相位上的分量，根据对其分布情况的解析来确定探测区域内的水文分布情况。半航空测量法具有磁场分布强、探测均匀性好的优点。

该探测方式能够利用无人飞行器快速到达测量地点进行测量，解决了传统测量方案在复杂地形条件下人工现场测试劳动强度大、安全性差的不足。航空测量的方式能够实现对测量区域的快速、多次测绘，提高测绘精度，很好地适应了野外复杂地形条件下的快速测绘需求，具有很高的灵活性。

2 半航空测量流程分析

2.1 观测系统部署方式

野外工作采用长直导线AB 接地发射，在AB两侧近似平行2000 m 范围内进行短偏移距范围内多测线同时进行数据采集。电性源短偏移距瞬变电磁具有对有限导体的探测能力强、附加效应小、探测深度大等优点，在磁性源瞬变电磁发射框难以部署的复杂地形工区具有很好的地形适应能力，在人文电磁干扰较强的复杂矿区具有很好的抗干扰能力[2]。共41 条测线共26.398 km，测量线距50 m 点距8 m（3441 点），AB 发射导线长度783 m 布设在河滩以东距离L41 测线偏移距480 m 处，CD 发射导线长度518 m 布设在测区西边距离L1 测线偏移距300 m 处。

2.2 矿区坐标校正

在施工之前由矿方技术人员带领项目施工人员在电线杆5 和电线杆4 两处已知控制点进行仪器坐标校正。现场采用GAR 米IN etrex209 手持GPS[3]和TEM31 机载瞬变电磁接收机同时在控制点进行坐标采集，经计算得本工区适用参数见表1 和表2。

表1 GARMIN etrex209 型手持型GPS 各控制点采集三组数据求平均值后结果

表2 TEM31 机载瞬变电磁仪各控制点采集三组数据求平均值后结果

经计算，两型号仪器（采集的CGCS2000 坐标系坐标）在工区内坐标转换参数为：GARMIN extrex209 手 持GPS 在 工 区 三 参 数 为：delta_x=73.95571355,delta_y=251.9096024;delta_z=32.35；TEM31 机载瞬变电磁仪在工区三参数为：delta_x=74.36903904，delta_y=245.0001166，delta_z=-1.15。

2.3 发射源布置

为了确保发射源布置的精确性，在区域内设置四个接地电极[4]，每个接地电极坑挖掘土方体积约1.5 m×1 m×1.5 m。为保证良好接地效果，在完成挖掘后坑底垫上细土使其平整松软，采用6 mm2铜导线接头接好1.2 m×1 m×1 mm 厚铝箔铺设于坑底，铝箔上盖上约20 cm 厚细土，再倒入50 L 饱和盐水，待铝箔上下表面与土壤耦合好后继续填土，人员进入坑内踩踏压实坑内土壤，再继续填土使其恢复开挖前般平整。四个接地电极布置坐标点见表3。接地电极坐标点的确定需要采用GAR 米IN etrex209 手持GPS 布设，该型号手持GPS 有较强信号接收性能，工作前通过实地测量校正求得GPS 的各项参数，其在水平和垂直方向上的定位精度均达到了0.2 m。

表3 发射源接地电极布设坐标

在进行发射源布置时，6 mm2铜线材质的发射导线在放线时由测量人员前面引导方位后面人跟随进行放线，以保证AB 和CD 按设计要求的0°方位进行比值布设。

2.4 瞬变电磁探测施工参数

为了提高探测效率、降低探测成本，项目根据“节能低碳、安全、有效”工作原则，从汽油燃料成本、发射机长期稳定工作、高分辨率探测方面综合考虑调节发射电流至8.1～8.7 A 进行持续发射工作，叠加次数设置为16 次（保障机载瞬变电磁仪每秒保存1 个测点数据），发射基频依据以往工作经验设置为25 Hz，增益设置为4，飞行航速8 m/s，飞行高度100 m。在探测时瞬变电磁施工参数见表4。

表4 瞬变电磁施工参数汇总表

3 探测结果分析

项目组于2022 年04 月10 日进入施工驻地开展踏勘、瞬变电磁接地发射源AB 的布设，4 月11日进行试飞，4 月12 开始数据采集，4 月14 日完成半航空瞬变电磁野外数据采集。将获取的测量数据进行处理形成区域探测视图。根据工区地形地质图与测线关系知由于本次航线设计方位与已知地质勘探线方位相同都为0°，2 号地质勘探线在L26与L27 测线之间，2 号地质勘探线与L26 的叠合如图1，2 号地质勘探线与L27 的叠合如图2。

图1 2 号地质勘探线与L26 测线叠合分析

2 号地质勘探线剖面图和L26、L27 测线叠合分析，测线视电阻率断面图对应的地层自上而下分别是：第四系上更新统风积层、侏罗系下统塔里塔里奇克组上段、侏罗系下统塔里塔里奇克组下段。煤层主要分布在侏罗系下统塔里塔里奇克组下段，分别是A6、A5、A3、A2。

叠合分析发现，烧变岩界限以上部分总体呈现出低电阻率特征，视电阻率范围20～800 Ω·m，围岩视电阻率范围900～4000 Ω·m。由于A6、A5、A3 采掘完成后进行了抽干水和放顶（垮落法治理采空区），使用斜钻对西侧煤层采掘工作面上下煤层进行导通，排水至矿区西侧泄水巷道引流至西南角水仓，水仓内水由南部的东西向泄水巷道进行引流至矿区东南侧水仓抽排出矿井。煤层已开采区域放顶后煤层顶板垮塌形成松散堆积，堆积体存在赋水但未形成积水，围岩呈现出低电阻率特征（500～1500 Ω·m，围岩视电阻率范围1700～3500 Ω·m），采掘工作中局部保留保安煤柱呈现高电阻率特征（视电阻率范围4000～6000 Ω·m）。本次瞬变电磁物探检查点采用同一测点、相同发射源和参数、不同时间观测的方法，总均方相对误差为5.4%，传统测试方案的总均方相对误差为6.02%，因此其测试误差比传统方案降低了11.4%。新方案的测试周期为3 d，而传统的高密度电法剖面测量整个周期需要6.3 d，新方案的测试速度比传统高密度电法剖面测量提高了2.1倍，有效提升了矿区地质勘探的效率和精确性。

4 结论

提出了一种新的老空积水快速探测技术，根据实际应用表明：

1）半航空测量由BG-ME100 无人机飞行系统和电性源瞬变电磁系统构成，灵活性高，可靠性好；

2）矿区坐标校正时采用GAR 米IN etrex209 手持GPS 和TEM31 机载瞬变电磁接收机同时在控制点进行坐标采集，具有操作简单、定位精度好的优点；

3）新探测技术的总均方相对误差减少了11.4%，探测速度比传统方案提高了2.1 倍。