龜茲礦業(yè)老空區(qū)積水勘探技術(shù)研究

劉 濤 朱 偉

（新疆龜茲礦業(yè)有限公司，新疆 庫(kù)車 842000）

新疆龜茲礦業(yè)設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為3 萬t，可采煤層 5 層，首采煤層為A6 煤層，平均煤厚為3.02 m，煤層傾角3°～20°。煤層賦存比較簡(jiǎn)單，適合機(jī)械化開采。區(qū)內(nèi)主要含水層為下侏羅統(tǒng)塔里奇克組含水層，單位涌水量為0.097 L/s·m，滲透系數(shù)為0.268 m/d，為弱富水性含水層。為了提高煤礦生產(chǎn)的安全性，計(jì)劃對(duì)區(qū)域內(nèi)老空區(qū)積水情況進(jìn)行勘探，但傳統(tǒng)的高密度電法剖面測(cè)量效率低、精度差，難以滿足快速探測(cè)的需求。

龜茲礦業(yè)將無人機(jī)飛控測(cè)量和瞬變電磁測(cè)量進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，對(duì)半航空測(cè)瞬變電磁測(cè)量設(shè)備、測(cè)量流程和應(yīng)用情況進(jìn)行了分析。新探測(cè)技術(shù)的總均方相對(duì)誤差減少了11.4%，探測(cè)速度比傳統(tǒng)方案提高了2.1 倍，極大地提升了龜茲礦的勘探效率和精確性。

1 半航空測(cè)瞬變電磁法裝備分析

為了滿足對(duì)大范圍區(qū)域進(jìn)行快速探測(cè)的目的，增加探測(cè)的效率和可靠性，龜茲礦業(yè)本次測(cè)量采用了半航空測(cè)量的方式，由BG-ME100 無人機(jī)飛行系統(tǒng)和電性源瞬變電磁系統(tǒng)構(gòu)成。電性源瞬變電磁系統(tǒng)包括了發(fā)射系統(tǒng)（包括EMT6000 發(fā)射機(jī)和HJD25000T 大功率發(fā)電機(jī)）和TEM31 機(jī)載瞬變電磁接收系統(tǒng)[1]（其等效面積為3200 m2，繞線200 匝），BG-ME100 無人機(jī)飛行系統(tǒng)為純電動(dòng)8 旋翼無人機(jī)，巡航速度大于10 m/s，爬升率大于2 m/s，巡航精度達(dá)到了±0.5 m/s。

半航空測(cè)量法以電磁發(fā)射機(jī)向鋪設(shè)在地面上的長(zhǎng)導(dǎo)線發(fā)射給定頻率的電流，在其中激發(fā)出特定的電磁場(chǎng)，然后利用安裝在航空器上的接收吊艙來接收電磁場(chǎng)在不同方向、不同相位上的分量，根據(jù)對(duì)其分布情況的解析來確定探測(cè)區(qū)域內(nèi)的水文分布情況。半航空測(cè)量法具有磁場(chǎng)分布強(qiáng)、探測(cè)均勻性好的優(yōu)點(diǎn)。

該探測(cè)方式能夠利用無人飛行器快速到達(dá)測(cè)量地點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，解決了傳統(tǒng)測(cè)量方案在復(fù)雜地形條件下人工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全性差的不足。航空測(cè)量的方式能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)測(cè)量區(qū)域的快速、多次測(cè)繪，提高測(cè)繪精度，很好地適應(yīng)了野外復(fù)雜地形條件下的快速測(cè)繪需求，具有很高的靈活性。

2 半航空測(cè)量流程分析

2.1 觀測(cè)系統(tǒng)部署方式

野外工作采用長(zhǎng)直導(dǎo)線AB 接地發(fā)射，在AB兩側(cè)近似平行2000 m 范圍內(nèi)進(jìn)行短偏移距范圍內(nèi)多測(cè)線同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。電性源短偏移距瞬變電磁具有對(duì)有限導(dǎo)體的探測(cè)能力強(qiáng)、附加效應(yīng)小、探測(cè)深度大等優(yōu)點(diǎn)，在磁性源瞬變電磁發(fā)射框難以部署的復(fù)雜地形工區(qū)具有很好的地形適應(yīng)能力，在人文電磁干擾較強(qiáng)的復(fù)雜礦區(qū)具有很好的抗干擾能力[2]。共41 條測(cè)線共26.398 km，測(cè)量線距50 m 點(diǎn)距8 m（3441 點(diǎn)），AB 發(fā)射導(dǎo)線長(zhǎng)度783 m 布設(shè)在河灘以東距離L41 測(cè)線偏移距480 m 處，CD 發(fā)射導(dǎo)線長(zhǎng)度518 m 布設(shè)在測(cè)區(qū)西邊距離L1 測(cè)線偏移距300 m 處。

2.2 礦區(qū)坐標(biāo)校正

在施工之前由礦方技術(shù)人員帶領(lǐng)項(xiàng)目施工人員在電線桿5 和電線桿4 兩處已知控制點(diǎn)進(jìn)行儀器坐標(biāo)校正。現(xiàn)場(chǎng)采用GAR 米IN etrex209 手持GPS[3]和TEM31 機(jī)載瞬變電磁接收機(jī)同時(shí)在控制點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)采集，經(jīng)計(jì)算得本工區(qū)適用參數(shù)見表1 和表2。

表1 GARMIN etrex209 型手持型GPS 各控制點(diǎn)采集三組數(shù)據(jù)求平均值后結(jié)果

表2 TEM31 機(jī)載瞬變電磁儀各控制點(diǎn)采集三組數(shù)據(jù)求平均值后結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，兩型號(hào)儀器（采集的CGCS2000 坐標(biāo)系坐標(biāo)）在工區(qū)內(nèi)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)為：GARMIN extrex209 手 持GPS 在 工 區(qū) 三 參 數(shù) 為：delta_x=73.95571355,delta_y=251.9096024;delta_z=32.35；TEM31 機(jī)載瞬變電磁儀在工區(qū)三參數(shù)為：delta_x=74.36903904，delta_y=245.0001166，delta_z=-1.15。

2.3 發(fā)射源布置

為了確保發(fā)射源布置的精確性，在區(qū)域內(nèi)設(shè)置四個(gè)接地電極[4]，每個(gè)接地電極坑挖掘土方體積約1.5 m×1 m×1.5 m。為保證良好接地效果，在完成挖掘后坑底墊上細(xì)土使其平整松軟，采用6 mm2銅導(dǎo)線接頭接好1.2 m×1 m×1 mm 厚鋁箔鋪設(shè)于坑底，鋁箔上蓋上約20 cm 厚細(xì)土，再倒入50 L 飽和鹽水，待鋁箔上下表面與土壤耦合好后繼續(xù)填土，人員進(jìn)入坑內(nèi)踩踏壓實(shí)坑內(nèi)土壤，再繼續(xù)填土使其恢復(fù)開挖前般平整。四個(gè)接地電極布置坐標(biāo)點(diǎn)見表3。接地電極坐標(biāo)點(diǎn)的確定需要采用GAR 米IN etrex209 手持GPS 布設(shè)，該型號(hào)手持GPS 有較強(qiáng)信號(hào)接收性能，工作前通過實(shí)地測(cè)量校正求得GPS 的各項(xiàng)參數(shù)，其在水平和垂直方向上的定位精度均達(dá)到了0.2 m。

表3 發(fā)射源接地電極布設(shè)坐標(biāo)

在進(jìn)行發(fā)射源布置時(shí)，6 mm2銅線材質(zhì)的發(fā)射導(dǎo)線在放線時(shí)由測(cè)量人員前面引導(dǎo)方位后面人跟隨進(jìn)行放線，以保證AB 和CD 按設(shè)計(jì)要求的0°方位進(jìn)行比值布設(shè)。

2.4 瞬變電磁探測(cè)施工參數(shù)

為了提高探測(cè)效率、降低探測(cè)成本，項(xiàng)目根據(jù)“節(jié)能低碳、安全、有效”工作原則，從汽油燃料成本、發(fā)射機(jī)長(zhǎng)期穩(wěn)定工作、高分辨率探測(cè)方面綜合考慮調(diào)節(jié)發(fā)射電流至8.1～8.7 A 進(jìn)行持續(xù)發(fā)射工作，疊加次數(shù)設(shè)置為16 次（保障機(jī)載瞬變電磁儀每秒保存1 個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)），發(fā)射基頻依據(jù)以往工作經(jīng)驗(yàn)設(shè)置為25 Hz，增益設(shè)置為4，飛行航速8 m/s，飛行高度100 m。在探測(cè)時(shí)瞬變電磁施工參數(shù)見表4。

表4 瞬變電磁施工參數(shù)匯總表

3 探測(cè)結(jié)果分析

項(xiàng)目組于2022 年04 月10 日進(jìn)入施工駐地開展踏勘、瞬變電磁接地發(fā)射源AB 的布設(shè)，4 月11日進(jìn)行試飛，4 月12 開始數(shù)據(jù)采集，4 月14 日完成半航空瞬變電磁野外數(shù)據(jù)采集。將獲取的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理形成區(qū)域探測(cè)視圖。根據(jù)工區(qū)地形地質(zhì)圖與測(cè)線關(guān)系知由于本次航線設(shè)計(jì)方位與已知地質(zhì)勘探線方位相同都為0°，2 號(hào)地質(zhì)勘探線在L26與L27 測(cè)線之間，2 號(hào)地質(zhì)勘探線與L26 的疊合如圖1，2 號(hào)地質(zhì)勘探線與L27 的疊合如圖2。

圖1 2 號(hào)地質(zhì)勘探線與L26 測(cè)線疊合分析

2 號(hào)地質(zhì)勘探線剖面圖和L26、L27 測(cè)線疊合分析，測(cè)線視電阻率斷面圖對(duì)應(yīng)的地層自上而下分別是：第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積層、侏羅系下統(tǒng)塔里塔里奇克組上段、侏羅系下統(tǒng)塔里塔里奇克組下段。煤層主要分布在侏羅系下統(tǒng)塔里塔里奇克組下段，分別是A6、A5、A3、A2。

疊合分析發(fā)現(xiàn)，燒變巖界限以上部分總體呈現(xiàn)出低電阻率特征，視電阻率范圍20～800 Ω·m，圍巖視電阻率范圍900～4000 Ω·m。由于A6、A5、A3 采掘完成后進(jìn)行了抽干水和放頂（垮落法治理采空區(qū)），使用斜鉆對(duì)西側(cè)煤層采掘工作面上下煤層進(jìn)行導(dǎo)通，排水至礦區(qū)西側(cè)泄水巷道引流至西南角水倉(cāng)，水倉(cāng)內(nèi)水由南部的東西向泄水巷道進(jìn)行引流至礦區(qū)東南側(cè)水倉(cāng)抽排出礦井。煤層已開采區(qū)域放頂后煤層頂板垮塌形成松散堆積，堆積體存在賦水但未形成積水，圍巖呈現(xiàn)出低電阻率特征（500～1500 Ω·m，圍巖視電阻率范圍1700～3500 Ω·m），采掘工作中局部保留保安煤柱呈現(xiàn)高電阻率特征（視電阻率范圍4000～6000 Ω·m）。本次瞬變電磁物探檢查點(diǎn)采用同一測(cè)點(diǎn)、相同發(fā)射源和參數(shù)、不同時(shí)間觀測(cè)的方法，總均方相對(duì)誤差為5.4%，傳統(tǒng)測(cè)試方案的總均方相對(duì)誤差為6.02%，因此其測(cè)試誤差比傳統(tǒng)方案降低了11.4%。新方案的測(cè)試周期為3 d，而傳統(tǒng)的高密度電法剖面測(cè)量整個(gè)周期需要6.3 d，新方案的測(cè)試速度比傳統(tǒng)高密度電法剖面測(cè)量提高了2.1倍，有效提升了礦區(qū)地質(zhì)勘探的效率和精確性。

4 結(jié)論

提出了一種新的老空積水快速探測(cè)技術(shù)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明：

1）半航空測(cè)量由BG-ME100 無人機(jī)飛行系統(tǒng)和電性源瞬變電磁系統(tǒng)構(gòu)成，靈活性高，可靠性好；

2）礦區(qū)坐標(biāo)校正時(shí)采用GAR 米IN etrex209 手持GPS 和TEM31 機(jī)載瞬變電磁接收機(jī)同時(shí)在控制點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)采集，具有操作簡(jiǎn)單、定位精度好的優(yōu)點(diǎn)；

3）新探測(cè)技術(shù)的總均方相對(duì)誤差減少了11.4%，探測(cè)速度比傳統(tǒng)方案提高了2.1 倍。