新疆煤炭资源具有煤层厚度大、煤层多、埋藏浅等特点,开采条件好,成本优势突出,是国家重要的煤炭供应保障战略基地。然而,大范围煤层燃烧所形成的煤田火灾区灾害,不仅烧损煤炭资源,而且破坏生态环境,对开采后的隐蔽致灾体探测造成严重影响,影响煤炭工业安全健康发展。因此,在煤炭资源开发过程中,查明煤田火烧区下方隐蔽致灾体或采空区分布情况十分必要
[1-2]。
当前,用于煤田火烧采空区隐蔽治灾的探测方法主要有地质普查方法、钻探方法和物探方法。地质普查方法效率低,多数易燃区域探测空白,且探测结果与实际误差太大
[1];钻探方法可以确定采空区的范围和边界,但钻探工作量有限,只能是以点带面,边界确定模糊,大面积勘探成本过高
[3];物探方法主要包括地面瞬变电磁法、磁法、自然电位测量、核磁共振方法以及放射性测量等方法
[4-9]。实践证明,采用瞬变电磁法、磁法和自然电位测量方法进行大面积详查效果较好,能较好地反映出火烧区异常范围及边界未来发展情况。然而,上述方法均需在地面开展工作,主要解决火烧区边界范围和边界范围外的地下富水性或者采空区调查。对于大面积火烧区范围内地下含水构造和采空区或者废弃巷道探测,由于地面存在高温高热,且燃烧后的地表疏松,上述地面探测方法存在人员伤亡威胁大,施工效率低或者无法施工等缺点。
航空地球物理方法具有机动性强、探测速度快、效率高、不受地形等因素限制的优势,可以适应复杂探测环境,大大降低人员伤亡风险
[10-11]。目前,广泛成熟应用的航空物探方法有航空磁法、航空电磁法和航空放射性测量
[12-14]。航空电磁法有两种工作模式,分为全航空和半航空两种情况。全航空电磁法工作模式是以直升机搭载,将发射装置和接收装置完全吊在空中进行测量。国外主要以加拿大VTEM(versatile time-domain electromagnetic system)和丹麦SkyTEM系统为主,用于大深度矿产资源以及地下水资源调查
[15-16],受各种因素影响,现在无法用于中国地球物理工作;中国以国土资源航遥中心研发的CHTEM-III-32样机和地科院物化探所研发的固定翼系统HDY-402样机为主,但还没有真正实现大面积野外工程实际调查应用
[17-18]。直升机航空电磁系统在复杂地形和高海拔施工风险大,在复杂地形、高海拔勘察能力,轻量化、精细化等方面有待突破。半航空电磁法工作模式是将发射装置布置于地表工作,用无人机将接收装置吊于空中进行测量。国外主要以日本北海道大学研制的GREATEM系统(grounded electrical source airborne transient electromagnetic system)为主
[19];在中国,文献[
20-
22]开展半航空电磁法研究,取得了一定的研究成果。然而,半航空电磁法存在发射系统重量和体积过大,在复杂地形场源布置困难,超视距施工有较大安全隐患。
随着无人机技术迅速发展,无人机系统具有低空低速飞行,探测速度快、效率高、不受地形限制等特点,是航空电磁法未来发展的优势方向之一。文献[
23-
24]研发了无人机航空瞬变电磁系统,近几年通过野外工程实践应用证明了无人机航空瞬变电磁法可实现精细化探测,分辨率高,浅表盲区小,特别适合复杂地形应用。
目前关于煤田火烧区地下采空区或隐伏富水性的调查研究中,相关学者通过地面物探方法从多个方面进行了研究。对于地表存在高温高热,地表疏松,煤田火烧区大面积范围内地下采空区或隐伏富水性探测,地面方法存在人员施工效率低或者无法施工等问题。而无人机航空瞬变电磁法可以有效地解决地面方法存在的问题,有着明显的优势。目前,尚未有基于无人机航空瞬变电磁法在煤田火烧采空区探测中相关研究。现通过无人机航空瞬变电磁法对新疆煤田火烧区内隐伏采空区和含水通道进行探测分析,为煤田火烧区隐蔽致灾精细化探测提供一种新方法。
1 研究区概况
研究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。海拔最高为1 049 m,最低922 m,相对高差一般为50 m,地势总体为东北高西南低,西部宽阔平缓而东部较陡峭。局部地表出露第四系黄土、砂土和砾石,地表结构松散,基岩零星出露。根据钻孔揭露及地质填图资料,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)和第四系全新统(${\mathrm{Q}}_{4}^{\mathrm{a}\mathrm{l}}$)。第四系全新统一般厚度约10 m,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。研究区内主要含煤地层为侏罗系中统西山窑组和侏罗系下统八道湾组。
研究区为恰特喀勒火区,该范围内共有4处子火区,为新疆维吾尔自治区煤田火区治理规划(2016—2025年)中火区之一。该区内煤层开采历史悠久,留下了较多老窑及采空区。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1 030 m,坑内最低标高856 m(
图1)。研究区主要开采煤层为侏罗系中统西山窑组中段(J
2x)2号和3号煤层。2号煤层厚度24.87~38.20 m,平均28.53 m;3号煤层厚度7.53~20.28 m,平均厚度13.85 m。2号和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33.25 m,煤层倾向向北,倾角约40°。研究区位于七泉湖倒转背斜北翼,为单斜构造。地层走向基本为东西走向,略有舒缓波状起伏,无较大褶曲和断层破坏,岩层、煤层在剖面中主要呈直线状向深部延伸。研究区内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)和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。
研究区内第四系主要为砾石、砂土、黄土等混杂堆积层,结构松散,其电阻率值随含水量变化较大,一般为10~100 Ω·m;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,根据已知钻孔测井资料,电阻率值变化较小,一般为150~200 Ω·m,粗砂岩略高;碳质泥岩、煤层(烟煤)电阻率较高,一般在500~600 Ω·m。调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(
图1)。本次物探工作的目的是查明火烧区煤层采空区的空间分布特征及规模情况,采空区为充水空间,其电性异常应为高阻背景(煤层)下的低电阻率异常特征,具备采用电磁法勘探划分煤层(高阻)与充水采空区(低阻)的物性前提。考虑到地形地貌、地层结构、物性特征等条件,本次物探方法采用无人机航空瞬变电磁方法 (drone airborne transient electromagnetic method,DATEM)进行探测,对煤层隐伏采空区异常范围进行解译分析。
2 无人机航空瞬变电磁法原理与系统
2.1 无人机航空瞬变电磁法原理
无人机全航空瞬变电磁法是航空电磁勘探领域中一种新的探测方法
[23]。该方法利用无人机作为搭载平台,利用机载线圈发射脉冲电磁场,通过接收线圈测量二次感应电磁场的航空物探方法(
图2)。相较于传统地面地球物理勘探方法和以直升机平台搭载的航空电磁方法,无人机航空瞬变电磁法具有以下优点:机动灵活, 适合复杂地形,效率高;相比于直升机飞行高度,无人机飞行高度低,飞行速度慢,探测分辨率高;地形影响小,体积效应小;除此之外,无人机航空瞬变电磁法野外操作无需飞行员,安全风险低。
2.2 无人机航空瞬变电磁系统
2019年,重庆大学电磁探测团队率先开展了无人机航空瞬变电磁系统研制,于2020年成功研发了国际首套大深度无人机航空瞬变电磁系统-Wukong无人机航空瞬变电磁系统(
图3)
[23-24]。该系统利用大载重无人机进行搭载,发射电流120 A,发射线圈直径12 m,发射磁矩达到14万A·m
2,探测深度达600 m。无人机支持最大负载能力达50 kg以上,飞行速度2~3 m/s,飞行高度5~50 m,飞行续航在1~1.5 h,每天飞行公里数达20 km以上。目前已在南水北调、新藏铁路勘查、一带一路工程、重大军工项目等国家重大项目得到成功应用,探测线路总长度超过2 000 km。
如
表1所示为Wukong无人机航空瞬变电磁系统与国际主流以直升机搭载的VTEM系统和SkyTEM系统的参数对比。从
表1中可以看出,VTEM系统和SkyTEM系统以直升机平台搭载,系统载重大,发射线圈直径大,因此发射磁矩较大。但是,以直升机搭载的航电系统飞行速度快,飞行高度高,线圈离地高度大,在关断时间慢、采样率低的情况下,会导致探测结果分辨率低。Wukong无人机航空瞬变电磁系统以无人机平台搭载,采用大电流发射,高采样率,快关断技术,近地表低速,仿地飞行技术,既能保证探测结果高分辨率,也能达到直升机航电系统的勘探深度。
2.3 无人机航空瞬变电磁数据处理方法
采用非线性优化方法进行数据处理。徐正玉等
[25]对比分析了粒子群优化算法和萤火虫算法在瞬变电磁数据处理上的应用效果;Xu等
[26]在此基础上,提出了一种改进的粒子群算法(particle swarm optimization,PSO)和改进萤火虫算法(improved firefly algorithm,IFA)的组合算法PSO-IFA混合优化算法
[26]。下面建立含低阻薄层的层状模型来测试改进的优化算法反演效果。建立四层地电模型,每次只改变电阻率或者层厚一项参数,其他参数固定不变。第一种情况下,固定薄层厚度为20 m不变,只改变电阻率
ρ3,选取1、5、10、20、30、40、50 Ω·m 7种情况进行反演计算;第二种情况下,固定薄层电阻率20 Ω·m不变,只改变薄层厚度
h3,选取5、10、20、50、100 m五种情况进行反演计算,反演结果如
图4所示。PSO-IFA算法能准确有效地反映出低阻薄层的电阻率和层厚信息,且对深部地层异常信息反演结果没有影响,反演曲线重合一致,说明改进的PSO-IFA优化算法能有效地反映地电模型电性参数。
3 煤田采空区无人机航空瞬变电磁法野外应用
根据前文研究区概况所得,研究区范围内共有4处子火区,其中1号火区为重点调查区域。1号火区受地表采掘、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(
图5)。因此,地面物探方法难以施工,采用无人机航空瞬变电磁法进行探测。
在正式航空物探作业工作之前,需要对测量工作区开展航拍测绘和路径规划工作。采用大疆M300无人机进行测区航拍,采用激光雷达和正摄影同时进行测量,使解算结果同时具备点云模型的高精度。解算之后需要进行路径规划。采用自主研发的航空瞬变电磁的路径规划软件进行航线规划。输入测线坐标,设置安全半径,线圈离地高,节点阈值等信息,即可得到三维航线示意图,以便操作人员确定飞行轨迹是否正确。在完成上述工作后,进行无人机航空瞬变电磁野外测量工作。无人机飞行速度保持3 m/s,线圈离地高度5 m,发射电流60 A,发射线圈直径5 m。正常飞行时,实时记录测量电磁数据、飞行航迹、速度、时间等。无人机野外测量现场如
图6所示。
将无人机野外飞行坐标导出,投影到地形图上,就可以得到实际情况下,Wukong DTEM系统野外飞行轨迹情况,如
图7所示。从
图7中可以看出, 在1号火区测量中,共飞行24条测线,每条测线线距为30 m,测线长度约200 m左右,测线下标的数字表示实际测线长度。
将采集的航空瞬变电磁原始数据经滤波、加窗、叠加处理后,按照2 m点距进行数据导出。采用自主研发的瞬变电磁反演超算云服务器系统进行反演计算(
http://cloud.triloopco.com:3000/)。该超算系统支持线性迭代算法和非线性优化算法反演及拟二维反演功能;支持远程超算和野外现场实时成像,具有数据共享和快速交互等功能。
如
图7所示,本次无人机航空瞬变电磁工作测线共飞行24条。因调查区域范围大,测线多,无法将全部测线数据成果进行展示。因此,从调查区域内由东到西等间距地选择了测线TEM-1、TEM-5、TEM-10、TEM-15、TEM-20和TEM-24等6条瞬变电磁剖面数据进行反演解释。反演结果如
图8所示。根据矿区开采资料所得,该矿区内最低开采标高为825 m,地下水位为850 m左右。从
图8中可以看出,低阻异常标高在810~845 m,推测为富水裂隙发育区或采空区。这是因为煤矿开采区标高位于水位线以下,由于长时间的渗漏,积水慢慢充填了采空区。因此,在探测结果上呈现低阻异常。从
图8中还可以看出,异常水平位置基本位于测线前部分,这是由于该区域煤层倾向向北,倾角为45°左右,煤层在剖面中呈直线状向深部延伸。当无人机从北向南飞行时,最先测量的是位于测线北面深部的异常区域。
将所有瞬变电磁异常水平位置投影到测线布置图上,得到瞬变电磁异常平面解释图,如
图9(a)所示。从
图9(a)中可以看出,无人机航空瞬变电磁异常位置主要集中在火烧区范围内,位于探测区域的北面,沿着3号煤的顶板水平分布。这是由于在煤矿开采过程中,先开采了3号煤层,且煤层倾向向北,直线状向深部延伸,推测导致3号煤层下方存在大量的采空区或富积水区,因此呈现低阻异常。通过查阅矿区资料,将矿区提供的煤层巷道位置水平投影到异常平面图上,得到如
图9(b)结果。从
图9(b)中可以看出,无人机航空瞬变电磁异常正好位于煤层巷道上方或者附近,和巷道走向基本一致,与
图9(a)中异常解释对应一致。
4 结论
将无人机航空瞬变电磁法应用到煤田火烧区隐伏采空区探测中,得出以下结论。
(1) 无人机航空瞬变电磁法具有工作效率高,能实现复杂地形条件下,工程勘查精细化探测。
(2) 以煤田火烧区隐伏采空区探测为例,结合实际矿区资料分析,无人机航空瞬变电磁法探测结果异常分辨率和低阻异常细节效果更明显, 显示出较好的低阻分辨能力。
(3) 无人机航空瞬变电磁法野外实施效率高且环保,是一种高效绿色环保的物探新技术,与国家提倡的绿色勘探理念相契合,在煤田隐蔽治灾等精细化探测中具有广泛的应用前景。
PDF
(29804KB)
