薛國(guó)強(qiáng)李 海陳衛(wèi)營(yíng)余傳濤常江浩于景邨

(1.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 中國(guó)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029; 2.中國(guó)科學(xué)院 地球科學(xué)研究院,北京 100029;3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 地球與行星科學(xué)學(xué)院,北京 100049;4.青海省第三地質(zhì)勘查院,青海 西寧 810029; 5.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,山西太原 030024;6.河北地質(zhì)大學(xué),河北 石家莊 050031;7.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

我國(guó)以煤炭為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)在未來(lái)30 a內(nèi)不會(huì)發(fā)生根本性改變。我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)形勢(shì)近年來(lái)持續(xù)穩(wěn)定好轉(zhuǎn),但煤礦事故時(shí)有發(fā)生,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),與地質(zhì)因素有關(guān)的各類事故占80%。深部煤炭開采地質(zhì)條件復(fù)雜,隱蔽災(zāi)害源多樣性、突發(fā)性和時(shí)變性是導(dǎo)致煤礦事故頻發(fā)的主要因素,使煤礦災(zāi)害防控面臨巨大挑戰(zhàn)。煤炭資源與環(huán)境領(lǐng)域遇到前所未有的地質(zhì)難題,其根本問題在于:煤礦開采的規(guī)模和埋深越來(lái)越大,地質(zhì)環(huán)境日趨復(fù)雜,受限探測(cè)監(jiān)測(cè)手段,導(dǎo)致對(duì)煤炭地質(zhì)體和災(zāi)害體認(rèn)知不足[1]。因此,亟需創(chuàng)新地球物理精細(xì)探測(cè)理論與技術(shù),提高煤礦地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)能力。

煤礦含水體易引發(fā)地下礦井突水,與瓦斯、粉塵、火災(zāi)、動(dòng)力地質(zhì)災(zāi)害等并列為影響礦山安全的主要災(zāi)害源。按照含水體的水源劃分,煤礦含水體可分為地表水體、沖積層水體、砂巖類含水體、灰?guī)r類含水體等,這幾類含水體所引發(fā)的煤礦突水事故占全國(guó)典型案例90%以上,其中尤其以灰?guī)r巖溶所引發(fā)的礦井水害最多[2]。查明煤礦含水體的空間賦存狀況和發(fā)育趨勢(shì),預(yù)測(cè)和預(yù)防礦井突水災(zāi)害是煤礦安全生產(chǎn)亟待解決的問題。

電磁法是含水體探測(cè)的主要地球物理手段,是以介質(zhì)的電磁性(包括電阻率、極化率和磁導(dǎo)率等)差異為物質(zhì)基礎(chǔ),通過觀測(cè)和研究人工或天然的交變電磁場(chǎng)隨空間分布規(guī)律與時(shí)間的變化規(guī)律,達(dá)到對(duì)地下目標(biāo)體探測(cè)的一類電法勘探方法[3]。按電磁法觀測(cè)的是隨頻率還是隨時(shí)間的變化,可分為頻率域電磁法(Frequency domain electromagnetic method,FEM)和瞬變電磁法(Transient electromagnetic method,TEM)。其中,瞬變電磁法數(shù)據(jù)采集與含水體有關(guān)的二次場(chǎng)信號(hào),不僅可在地面觀測(cè),也可以直接在井下進(jìn)行觀測(cè),獲得離目標(biāo)區(qū)域更近且信噪比更高的數(shù)據(jù)。由于瞬變電磁法對(duì)低阻體敏感,而含水體與圍巖相比常常呈明顯的低阻特征。因此,瞬變電磁法是目前煤礦含水體探測(cè)的主要電磁方法。

在實(shí)際應(yīng)用中,已有眾多學(xué)者采用瞬變電磁法開展了煤礦含水體探測(cè),其中包括了地面、井下和地空等探測(cè)方法[4-5],煤礦含水體發(fā)育的時(shí)移監(jiān)測(cè)[6]和水文地質(zhì)災(zāi)害勘測(cè)[7]等研究。

由于深部煤炭開采地質(zhì)條件復(fù)雜,隱蔽災(zāi)害源多樣性、突發(fā)性和時(shí)變性,使煤礦災(zāi)害防控面臨巨大挑戰(zhàn)。煤炭資源與環(huán)境領(lǐng)域遇到前所未有的地質(zhì)難題,其根本問題在于:地球物理探測(cè)和監(jiān)測(cè)手段有限,導(dǎo)致對(duì)煤炭地質(zhì)體和災(zāi)害體探測(cè)能力不足。因此,亟需創(chuàng)新地球物理精細(xì)探測(cè)理論與技術(shù),提高煤礦地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)能力。筆者分析了近年國(guó)內(nèi)煤礦復(fù)雜體瞬變電磁探測(cè)理論、方法、技術(shù)、裝備、應(yīng)用等方面研究新進(jìn)展,并進(jìn)一步指出發(fā)展煤礦環(huán)境下弱信號(hào)觀測(cè)的高精度、高分辨率、抗強(qiáng)干擾、高效率大功率電磁裝備是今后的發(fā)展方向。

1 煤礦含水地質(zhì)體賦存特征

含水地質(zhì)體主要包括煤層頂板水、底板水、煤層采空區(qū)水。與圍巖相比,含水體的電阻率較低,是電磁法探測(cè)的前提。同時(shí),當(dāng)采空區(qū)或者其他潛在含水結(jié)構(gòu)未富水時(shí),區(qū)域與圍巖相比,將呈現(xiàn)明顯的高阻特征。因此,瞬變電磁法能同時(shí)對(duì)煤礦含水體和采空區(qū)進(jìn)行探測(cè),是煤礦含水體探測(cè)的主要方法之一。

煤系地層中常見的含水體為松散覆蓋層中的孔隙水和基底中奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖含水。煤系地層之上一般覆蓋有50～200 m 厚的第四系的松散層,其中一般含有2～4 層的孔隙含水層組,其含水性強(qiáng)弱取決于成因類型和巖性組合。易引起煤礦礦井充水的是第四紀(jì)底部附近的松散層含水巖組。奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖是華北地區(qū)含煤巖系基底富水性最強(qiáng)的含水地層,石灰?guī)r連續(xù)型(即厚層或中厚層石灰?guī)r),常在該層底部形成層狀溶洞,成為區(qū)域性巖溶富水帶。

老窯積水是主要的含煤巖系內(nèi)部水害水源。古代的小煤窯和近代煤礦的采空區(qū)及廢棄巷道由于長(zhǎng)期停止排水而保存的地下水。實(shí)質(zhì)上它也是地下水的一種充水水源。中國(guó)不少老礦井,在其淺部分布有許多小煤窯,深度為100～150 m,還有近代的一些采空區(qū)和廢巷。這些早已廢棄的老窯與廢巷,儲(chǔ)存大量地下水,這種地下水常以儲(chǔ)存量為主。當(dāng)生產(chǎn)礦井遇到它們時(shí),往往容易遭遇突水,破壞性強(qiáng),對(duì)煤礦生產(chǎn)危害較大。

煤礦中水的傳導(dǎo)是造成煤田水患的重要誘因。煤礦導(dǎo)水體包括斷裂帶、導(dǎo)水陷落柱、采空塌陷區(qū)等。張性斷層的破裂面多數(shù)是張開具有空隙,破碎帶中多為角礫層,疏松多孔有利于地下水的流動(dòng)和儲(chǔ)存,這類斷層具有導(dǎo)水性,是礦井涌水的良好通道。導(dǎo)水陷落柱的基底溶洞發(fā)育,空間很大,柱體內(nèi)填充物未被壓實(shí),溝通煤層底板和頂板數(shù)個(gè)含水層,高壓地下水充滿柱體,溶巖作用強(qiáng)烈,采掘工作面一旦揭露柱體,地下水大量涌入井巷,水量大且穩(wěn)定,易造成淹井事故。采空區(qū)導(dǎo)水裂隙帶與采空區(qū)密切聯(lián)系,若上部發(fā)展到強(qiáng)含水層和地表水體底部,礦坑涌水量會(huì)急劇增加。

2 瞬變電磁探測(cè)新的理論

瞬變電磁探測(cè)的理論突破是提升方法精度的前提,能為煤礦復(fù)雜含水體探測(cè)奠定理論基礎(chǔ)。本節(jié)將介紹基于時(shí)變點(diǎn)電荷載流微元的瞬變電磁場(chǎng)理論和礦井瞬變電磁法全空間場(chǎng)理論的研究進(jìn)展,前者對(duì)電磁場(chǎng)的求解精度有重要影響,但目前仍停留理論研究階段,尚未取得實(shí)際應(yīng)用。后者是礦井瞬變電磁的理論基礎(chǔ),目前已有多個(gè)應(yīng)用實(shí)例。

2.1 基于時(shí)變點(diǎn)電荷載流微元的瞬變電磁場(chǎng)理論研究進(jìn)展

經(jīng)典勘探電磁場(chǎng)理論中,發(fā)射源的微元為偶極子形式(圖1),而有限尺寸的源以偶極子的積分形式表達(dá)。圖1中-30,-20,-10 為電磁場(chǎng)響應(yīng)與源的幅值之比,這種基于偶極子疊加的計(jì)算方式,一定程度上可以改善采用直接單個(gè)偶極子假設(shè)帶來(lái)的誤差,但其仍未能恢復(fù)偶極子微元本身略去的高階項(xiàng),不能從根本上消除源尺寸在近源區(qū)域造成的計(jì)算誤差,無(wú)法適應(yīng)近源精細(xì)勘探需求。此外,傳統(tǒng)計(jì)算方式中需進(jìn)行的時(shí)頻轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波還會(huì)給計(jì)算結(jié)果帶來(lái)一定誤差。

圖1 點(diǎn)電荷微元和偶極子微元的電磁場(chǎng)輻射方向示意Fig.1 Illustration of the electromagnetic field excited by a point charge and a dipole

為進(jìn)一步推動(dòng)瞬變電磁勘探方法的發(fā)展,奠定精確勘探研究基礎(chǔ),筆者[8]和周楠楠等[9]提出基于時(shí)變點(diǎn)電荷載流微元的瞬變電磁場(chǎng)計(jì)算理論。從載流微元出發(fā),以時(shí)變點(diǎn)電荷假設(shè)代替偶極子假設(shè),并且不再經(jīng)過傅里葉或拉普拉斯變換,直接在時(shí)間域中求解層狀介質(zhì)表面上大定源回線、長(zhǎng)接地導(dǎo)線源的解析表達(dá)式。通過分析不同場(chǎng)區(qū)中時(shí)變TEM 場(chǎng)的性質(zhì),分析典型地層的時(shí)變電磁響應(yīng)特征,推導(dǎo)出確實(shí)適合全場(chǎng)、全期的視電阻率公式。并結(jié)合理論模型和實(shí)際例子對(duì)研究成果進(jìn)行一定的檢驗(yàn)。對(duì)資料處理和解釋方法的進(jìn)一步研究,為瞬變電磁法的進(jìn)一步深入研究和推廣應(yīng)用打下了理論基礎(chǔ)。

在基于時(shí)變點(diǎn)電荷假設(shè)的電磁場(chǎng)計(jì)算理論中,通過引入時(shí)域格林函數(shù),直接在時(shí)間域內(nèi)求取瞬變電磁場(chǎng)的解析解。采用積分運(yùn)算,把電磁場(chǎng)阻尼波動(dòng)方程的求解問題化為求其格林函數(shù)積分形式解的問題;建立輔助路徑解決奇點(diǎn)問題,利用復(fù)分析中的約當(dāng)引理、留數(shù)定理和廣義函數(shù)等理論和方法,推導(dǎo)計(jì)算出時(shí)間域格林函數(shù)的時(shí)空四重廣義積分,得到達(dá)朗貝爾方程的直接時(shí)域格林函數(shù)精確解析式。該方法以時(shí)變點(diǎn)電荷微元代替?zhèn)鹘y(tǒng)的偶極子源,使源真正的微元化,考慮了源的精準(zhǔn)位置矢量、消除了源尺寸帶來(lái)的影響,且不再經(jīng)過頻時(shí)變換,直接在時(shí)域位函數(shù)的基礎(chǔ)上計(jì)算時(shí)域瞬變場(chǎng),恢復(fù)了時(shí)域電磁場(chǎng)的因果律,避免了頻時(shí)變換帶來(lái)的截?cái)嗾`差?；跁r(shí)變點(diǎn)電荷理論,顯著提升了電磁場(chǎng)的計(jì)算精度,尤其在近源區(qū)域,精度可提升3 倍以上[9]。

盡管基于時(shí)變點(diǎn)電荷載流微元的瞬變電磁理論目前尚未得到實(shí)際應(yīng)用,但是其對(duì)煤礦含水體探測(cè)仍具有指導(dǎo)意義。后續(xù)章節(jié)將介紹基于全空間場(chǎng)理論的礦井瞬變電磁法,由于該方法施工空間受限,需在近源區(qū)域開展探測(cè)。通過對(duì)近源區(qū)域模擬精度的提升,可為礦井瞬變電磁法提供新模擬思路。

2.2 礦井瞬變電磁法全空間場(chǎng)理論進(jìn)展

全空間下電磁場(chǎng)的傳播特征是礦井瞬變電磁法的理論基礎(chǔ)。為此,于景邨[10]出版了《礦井瞬變電磁法勘探》,系統(tǒng)奠定了礦井瞬變電磁法全空間場(chǎng)理論基礎(chǔ)。該書從電磁場(chǎng)基本方程出發(fā),通過對(duì)礦井下全空間瞬變電磁場(chǎng)分布特征的數(shù)值模擬,推導(dǎo)并定義了礦井瞬變電磁法的視電阻率計(jì)算方法。根據(jù)井下巷道內(nèi)瞬變電磁法勘探工作裝置形式,分析礦井瞬變電磁法勘探中各種人文噪聲,并介紹了礦井瞬變電磁法的處理技術(shù)、全空間瞬變電磁法勘探數(shù)據(jù)時(shí)深換算理論及方法。

近年來(lái),隨著數(shù)值模擬手段的發(fā)展和應(yīng)用,礦井瞬變電磁法的全空間理論得到了長(zhǎng)足發(fā)展。相比于地面瞬變電磁法,礦井瞬變電磁法的電磁場(chǎng)在全空傳播,響應(yīng)會(huì)受到全空間下各個(gè)方向的異常體的影響。在此情形下,對(duì)異常響應(yīng)的數(shù)值模擬至關(guān)重要。JIANG 等[11]通過推導(dǎo)波數(shù)域方程,發(fā)展了全空間的2.5 維有限差分?jǐn)?shù)值模擬方法。岳建華等[12]采用三維數(shù)值模擬方法對(duì)礦山巷道下方的瞬變電磁響應(yīng)開展了模擬,LI 等[13]和CHANG 等[14]則針對(duì)巷道或者隧道掘進(jìn)面前方的目標(biāo)體響應(yīng)開展了三維數(shù)值模擬,分析了掘進(jìn)面前方低阻異常體所引起的響應(yīng)。在數(shù)值模擬方法的發(fā)展和模擬結(jié)果分析下,礦井瞬變電磁的探測(cè)能力得到進(jìn)一步驗(yàn)證,推動(dòng)了方法在實(shí)際探測(cè)中的應(yīng)用。

3 瞬變電磁探測(cè)方法進(jìn)展

3.1 修正式中心回線瞬變電磁法

中心回線裝置是瞬變電磁法勘探中最常用的裝置之一。在實(shí)際應(yīng)用中,回線裝置發(fā)射線框邊長(zhǎng)一般為100～800 m。當(dāng)發(fā)射回線邊長(zhǎng)較大時(shí),若僅在發(fā)射線框中心點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè),會(huì)大大降低TEM 法的工作效率(圖2(a))。大定源回線裝置雖然可以在回線內(nèi)外進(jìn)行觀測(cè)(圖2(c)),但由于響應(yīng)在線框外有變號(hào)現(xiàn)象,視電阻率成像和反演均不穩(wěn)定。

圖2 3 種不同回線瞬變電磁法裝置形式[15]Fig.2 Three types of loop source electromagnetic method[15]

為了提高回線源瞬變電磁法的工作效率和解釋精度,根據(jù)中心回線和大定源回線2 種裝置各自的應(yīng)用范圍與特點(diǎn),筆者[15]提出了對(duì)回線源瞬變電磁法探測(cè)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)的方法,即:在觀測(cè)方法上,采用大回線發(fā)射,提高探測(cè)深度,并在發(fā)射回線中心區(qū)域一定范圍內(nèi)進(jìn)行觀測(cè)(圖2(b)),最大限度地保留該裝置近場(chǎng)觀測(cè)的特性。

裝置形式的轉(zhuǎn)變會(huì)導(dǎo)致資料解釋技術(shù)的不同。由于觀測(cè)點(diǎn)位置已經(jīng)偏離了中心點(diǎn)位置,繼續(xù)套用傳統(tǒng)的中心回線裝置的計(jì)算公式和處理方法,雖然計(jì)算相對(duì)快捷,但是測(cè)量精度相對(duì)較低,對(duì)于深部小構(gòu)造以及弱異常,會(huì)產(chǎn)生較大的影響。因此,在資料處理時(shí),不能采用回線中心點(diǎn)公式計(jì)算視電阻率,而是要通過偶極子迭加方法,建立全場(chǎng)區(qū)公式,計(jì)算視電阻率。筆者[15]改進(jìn)了中心回線裝置的資料解釋方法,統(tǒng)一了大定源回線和中心回線理論公式,消除和避免了邊緣效應(yīng),將導(dǎo)水小斷層、奧陶灰?guī)r陷落柱的探測(cè)精度從原有的基礎(chǔ)上提高了15%～25%;劃定了中心回線觀測(cè)點(diǎn)精確探測(cè)的區(qū)域,以數(shù)據(jù)采集的可靠性保證精細(xì)探測(cè)的實(shí)現(xiàn)。這樣,在實(shí)際生產(chǎn)中,回線內(nèi)瞬變電磁測(cè)量裝置逐步代替了中心回線,即只在回線中間1/3～2/3 內(nèi)進(jìn)行觀測(cè)。形成了改進(jìn)后的中心回線方式。

修正式中心回線裝置及資料解釋技術(shù)的應(yīng)用效果在西藏某鉬礦的探測(cè)中得到驗(yàn)證[16]。隨后,在某含水采空區(qū)的探測(cè)中,利用修正式中心回線裝置開展了采空區(qū)的時(shí)移監(jiān)測(cè),獲得了采空區(qū)隨時(shí)間的發(fā)育情況[6]。在此基礎(chǔ)上,LI 等[17]發(fā)展了任意形狀回線的瞬變電磁反演方法,并成功應(yīng)用于山西某煤礦的采空區(qū)探測(cè)中。

3.2 電性源短偏移距瞬變電磁法

傳統(tǒng)瞬變電磁法的發(fā)射源主要是回線源,如中心回線裝置、重疊回線裝置、大定源裝置等?；鼐€源在地下僅能產(chǎn)生水平方向的感應(yīng)電流,使得回線源TEM 僅對(duì)低阻目標(biāo)體敏感。此外,回線源激發(fā)的信號(hào)在地層中衰減較快,導(dǎo)致探測(cè)深度較淺,因而回線源TEM 多用于500 m 以淺目標(biāo)體的探測(cè)。為實(shí)現(xiàn)更大深度的有效探測(cè),需要采用電性源裝置。電性源瞬變電磁的傳統(tǒng)工作方式是長(zhǎng)偏移距瞬變電磁法(Long offset TEM,LOTEM),利用數(shù)公里長(zhǎng)的接地導(dǎo)線向地下發(fā)射不關(guān)斷的雙極性方波電流,在大于3 倍探測(cè)深度的偏移距范圍內(nèi)觀測(cè)電磁場(chǎng)響應(yīng)[18]。由于接地線源在地下可產(chǎn)生水平和垂直兩個(gè)方向的感應(yīng)電流,對(duì)地下低阻和高阻目標(biāo)體都具有較強(qiáng)的分辨能力,在大深度的地殼研究、油氣藏勘查、地?zé)嵴{(diào)查等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。但是,偏移距越大施工強(qiáng)度就越大,對(duì)發(fā)射機(jī)功率和性能的要求也越高,加上采用不關(guān)斷連續(xù)波形電流,增加了數(shù)據(jù)處理難度。

近年來(lái),為了實(shí)現(xiàn)地下1.5 km 深度目標(biāo)體的精細(xì)探測(cè),筆者[19]發(fā)展了電性源短偏移距瞬變電磁法(Short offset TEM,SOTEM)。該方法利用含關(guān)斷時(shí)間的雙極性矩形波作為發(fā)射源信號(hào),在距離發(fā)射源較近(小于2 倍探測(cè)深度)的梯形區(qū)域采集純二次場(chǎng)信號(hào)(圖3),因此信號(hào)強(qiáng)度較大。采用當(dāng)前主流的電磁系統(tǒng),如V8、GDP-32 等,即可實(shí)施SOTEM 測(cè)量,因此該方法在實(shí)際應(yīng)用中易于推廣。近幾年,SOTEM得到了快速的發(fā)展,目前在正演模擬、視電阻率計(jì)算、反演解釋、施工技術(shù)等方面形成了較為成熟的方法體系[20-21]。

圖3 SOTEM 觀測(cè)區(qū)域示意Fig.3 Illustration of the observation area of SOTEM method

SOTEM 方法在煤礦含水體探測(cè)已獲得廣泛應(yīng)用。CHEN 等[4]采用SOTEM 成功刻畫了1 500 m 深度的煤層底板,同時(shí)圈定了采空區(qū)的位置。ZHOU等[5]開展了山地覆蓋區(qū)的SOTEM 煤礦采空區(qū)探測(cè),獲得了良好的探測(cè)效果。LI 等[22]和HOU 等[23]對(duì)低阻覆蓋層下的采空區(qū)進(jìn)行了探測(cè)。這些復(fù)雜情形下的采空區(qū)探測(cè)為煤礦水患探測(cè)起到了示范性效果,能夠?yàn)镾OTEM 在煤礦復(fù)雜含水體的探測(cè)和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

3.3 半航空瞬變電磁法

航空瞬變電磁法(Airborne TEM,ATEM)是基于機(jī)載平臺(tái)的瞬變電磁勘探方法。其基本原理與地面TEM 一致,通常將特定頻率的半正弦脈沖電流傳輸?shù)斤w機(jī)頭部,機(jī)翼和機(jī)尾周圍的水平環(huán)路線圈中,然后在脈沖間隔內(nèi)通過接收在飛機(jī)吊艙中牽引的線圈在不同時(shí)間接收電磁場(chǎng)(圖4(a))。然后,可以通過分析隨時(shí)間變化的場(chǎng)的強(qiáng)度和衰減特性來(lái)確定地下地質(zhì)體的空間分布和電特性。該方法是一種高靈敏度,探測(cè)深度大的純二次場(chǎng)測(cè)量方法。ATEM 還具有區(qū)分覆蓋范圍影響的能力,可以有效克服地面條件的局限性,并有效,精確地獲取機(jī)載平臺(tái)的地電信息,因此被廣泛用于礦產(chǎn),地下水和其他資源勘探中[24-25]。但是,ATEM 由于需要采用載荷較高的旋翼直升機(jī)或者固定翼飛機(jī)開展工作,成本較高。同時(shí),由于發(fā)射源置于航空平臺(tái)上,向地下注入能量有限,因此航空瞬變電磁法的探測(cè)深度有限。為此,近年來(lái)半航空瞬變電磁法(Semi Airborne TEM,SATEM)得到越來(lái)越多的關(guān)注。

半航空瞬變電磁法采用地面發(fā)射和控制機(jī)載接收的裝置形式(圖4(b))。它既利用了地面大功率發(fā)射的優(yōu)點(diǎn),又獲得了空中數(shù)據(jù)采集的高效特點(diǎn),可望兼具大深度和高效率的特點(diǎn),被認(rèn)為是地面TEM和ATEM 的結(jié)合。與地面TEM 相比,SATEM 更加有效地消除了地形條件的限制,從而大大降低了人員成本。與機(jī)載TEM 相比,它具有更高的信噪比,并且將系統(tǒng)中較為笨重的發(fā)射系統(tǒng)置于地面后,可采用無(wú)人機(jī)作為接受系統(tǒng)的搭載平臺(tái),其工作模式更安全。

近年來(lái),半航空瞬變電磁法的反演成像和應(yīng)用得到快速發(fā)展。李貅等[26]發(fā)展了逆合成孔徑成像方法,張瑩瑩等[27]發(fā)展了多輻射場(chǎng)源形式下的地空瞬變電磁成像,LIANG 等[28]發(fā)展了基于變形玻恩迭代法的地空瞬變電磁一維反演方法。JI 等[29]針對(duì)地空瞬變電磁的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),發(fā)展了基于自適應(yīng)卡爾曼濾波器的去噪方法。在煤礦含水體探測(cè)方面,WU 等[30]和張慶輝等[31]給出了半航空瞬變電磁法在采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用實(shí)例,王振榮等[32]將該方法成功應(yīng)用于陜西神木地區(qū)煤礦采空區(qū)勘查,所圈定的疑似積水采空區(qū),為該煤礦工作面合理布置和采空區(qū)治理等提供了可靠的地質(zhì)信息。

圖4 航空瞬變電磁法和半航空瞬變電磁法裝置示意對(duì)比Fig.4 Comparison of the schematic diagrams of airborne TEM and SATEM method

3.4 礦井瞬變電磁法

礦井瞬變電磁是一種全空間探測(cè)方法。它通過位于地下的煤礦井下巷道鋪設(shè)瞬變電磁探測(cè)的發(fā)射和接收裝置(圖5)。由于礦井瞬變電磁法需要將探測(cè)系統(tǒng)置于煤礦巷道或者工程隧道等空間受限環(huán)境下,多匝形式的小回線裝置是礦井瞬變電磁探測(cè)的主要裝置[33]。多匝小回線裝置會(huì)增強(qiáng)線圈互感作用,影響瞬變電磁衰減曲線的早期。通過優(yōu)化裝置參數(shù),能在一定程度優(yōu)化或者消除早期信號(hào)的畸變。同時(shí),研究信號(hào)的關(guān)斷效應(yīng)對(duì)響應(yīng)的影響[34],以及全空間模型下巷道空間對(duì)響應(yīng)的影響[11,35-37],對(duì)小回線裝置的成功應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

隨著礦井瞬變電磁法全空間理論的發(fā)展,礦井瞬變電磁法近年來(lái)得到較多應(yīng)用,從而推動(dòng)了礦井瞬變電磁法數(shù)據(jù)處理和反演方法的發(fā)展。楊海燕等[38]發(fā)展了礦井瞬變電磁法的全空間視電阻率成像。程久龍等[39]提出了波場(chǎng)變換數(shù)據(jù)處理及成像方法,實(shí)現(xiàn)瞬變電磁剖面到擬地震剖面的轉(zhuǎn)換,達(dá)到對(duì)電性界面的準(zhǔn)確劃分并得到成功應(yīng)用。程久龍等[40]改進(jìn)了粒子群優(yōu)化算法,提高了礦井瞬變電磁法的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理精度,并進(jìn)一步發(fā)展到2.5 維反演[41]和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的富水性預(yù)測(cè)方法[42]。

4 研究展望

盡管近年來(lái)瞬變電磁理論和方法均得到長(zhǎng)足發(fā)展,但其仍然難以滿足煤礦地區(qū)復(fù)雜含水體的精細(xì)探測(cè)需求。本節(jié)從技術(shù)發(fā)展和探測(cè)需求2 方面,給出了瞬變電磁法在復(fù)雜含水體探測(cè)方面的研究方向的展望。技術(shù)方面主要關(guān)注多分辨探測(cè)技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)。探測(cè)需求方面,多層采空區(qū)的精細(xì)探測(cè)仍然是實(shí)際生產(chǎn)中的難點(diǎn),而相關(guān)儀器設(shè)備的發(fā)展也是未來(lái)需要解決的問題。

4.1 瞬變電磁多分辨探測(cè)方法技術(shù)

多分辨探測(cè)理論方法研究包括全空間電磁波傳播理論研究;矢量、張量、梯度等多尺度探測(cè)方法研究;瞬變電磁多分辨探測(cè)方法技術(shù)研究主要包括立體化探測(cè)技術(shù)和研究多分辨探測(cè)技術(shù)。

電磁勘探的觀測(cè)方式和觀測(cè)參數(shù)的多樣化、觀測(cè)環(huán)境的復(fù)雜化、觀測(cè)數(shù)據(jù)大動(dòng)態(tài)弱信號(hào)強(qiáng)干擾等新特點(diǎn),亟需發(fā)展空天-地面-井中-海洋立體探測(cè)技術(shù),并取得實(shí)質(zhì)性地推廣應(yīng)用,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)地球深部的高分辨探測(cè)。

兼顧深部大探深和淺部高分辨的理論-方法-技術(shù)-應(yīng)用全鏈條式探測(cè)新方向研究是世界難題。發(fā)展地質(zhì)結(jié)構(gòu)約束的大尺度模型、多源多分量信息聯(lián)合反演技術(shù),完成模型由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、數(shù)據(jù)由單一到綜合的聯(lián)合反演解釋,提高電磁法探測(cè)的精度和分辨率。瞄準(zhǔn)國(guó)際前沿,縮小與國(guó)外技術(shù)差距。

4.2 電磁大數(shù)據(jù)技術(shù)

大數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)的應(yīng)用是目前地球物理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),在地球物理信號(hào)的去噪和反演方面,已得到成功應(yīng)用。當(dāng)前,大數(shù)據(jù)技術(shù)主要用于瞬變電磁去噪。由于瞬變電磁數(shù)據(jù)有數(shù)據(jù)量大、有用信號(hào)弱、噪聲來(lái)源多樣且特征復(fù)雜等特點(diǎn),去噪除處理難度大。此外,由于去噪處理與后續(xù)的數(shù)據(jù)反演往往相互獨(dú)立,當(dāng)去噪過程效果不佳、去噪后數(shù)據(jù)中仍有剩余干擾時(shí),反演結(jié)果可靠性也將受到嚴(yán)重影響。因此,實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的有效噪聲去除,是影響大地電阻率分布信息的關(guān)鍵前提問題,大數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí)的方法可望發(fā)揮作用。

大數(shù)據(jù)中分析理論可全方位分析和匹配各類反演方法的技術(shù)優(yōu)勢(shì),為特定地質(zhì)問題尋找最優(yōu)的解決方案;利用深度學(xué)習(xí)方法,實(shí)現(xiàn)電磁數(shù)據(jù)去噪、反演成像和地質(zhì)解釋;利用大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能算法實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁探測(cè)目標(biāo)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。隨著深度學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展,已有研究人員嘗試建立更加復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),以期通過機(jī)器經(jīng)驗(yàn)來(lái)部分替代人的經(jīng)驗(yàn),從而解決傳統(tǒng)地球物理數(shù)據(jù)處理與分析領(lǐng)域效率低且依賴人工質(zhì)量控制的問題。

4.3 多層采空區(qū)多方法精細(xì)探測(cè)

多層積水采空區(qū)的上部積水低阻層對(duì)下部積水層形成屏蔽,在煤礦普遍進(jìn)入深部開采的情況下,為防止上部采空區(qū)積水造成的突水事故,針對(duì)多層積水采空區(qū)的微弱異常、掩蓋異常的地形影響、靜態(tài)偏移和隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展日益嚴(yán)重的電磁干擾,根據(jù)煤田的地質(zhì)環(huán)境特征,很有必要綜合運(yùn)用TEM、可控源音頻大地電磁法和直流電阻率法等方法,采用地球物理電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算新技術(shù)、信息與信息處理新成果,解決采空區(qū)積水的高精度探測(cè)問題。

另外,探測(cè)積水采空區(qū)需要多種電磁勘探方法的協(xié)同配合,比如針對(duì)不同地表和地質(zhì)環(huán)境,利用高密度電法、瞬變電磁法、可控源音頻大地電磁法、激發(fā)極化法等方法進(jìn)行綜合勘探,能夠?yàn)榻鉀Q地形起伏、低阻地層屏蔽、礦區(qū)干擾等復(fù)雜環(huán)境條件探測(cè)提供解決思路。

4.4 瞬變電磁高分辨數(shù)據(jù)采集裝備研發(fā)

突破寬頻帶、低噪聲傳感及高分辨信號(hào)檢測(cè)技術(shù),實(shí)現(xiàn)高精度電磁探測(cè)裝備自主研發(fā)。通常認(rèn)為隨觀測(cè)時(shí)間延長(zhǎng)TEM 場(chǎng)的變化趨向平緩,采樣率可以降低。現(xiàn)有的主流TEM 探測(cè)儀器,如加拿大Phoenix公司的V8、Geonics 公司的PROTEM,美國(guó)Zonge 公司的GDP32、Laurelte 公司的terraTEM,國(guó)內(nèi)的長(zhǎng)沙白云地質(zhì)儀器開發(fā)有限公司的MSD-1 等,為使采集的數(shù)據(jù)占有相同的內(nèi)存空間,降低對(duì)傳輸速度的要求,對(duì)不同時(shí)間檔均采取了變頻采樣的方式,使各時(shí)間檔的采樣個(gè)數(shù)大致相同。實(shí)際上,信噪比隨觀測(cè)時(shí)間延長(zhǎng)呈降低趨勢(shì)。觀測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)的時(shí)間檔,需要更多的采樣數(shù)參加疊加平均,才能獲得較高信噪比的數(shù)據(jù)。隨著對(duì)電磁勘探精度要求的不斷提高,特別在多層積水采空區(qū)的探測(cè)中,為了提高縱向分辨率,儀器制造廠家應(yīng)用戶的要求,普遍將原有的20 個(gè)時(shí)間道增加到40 個(gè)時(shí)間道。有些儀器如加拿大Phoenix Geophysics Limited 公司的V8 儀器,最多可提供200 個(gè)時(shí)間道,且還有繼續(xù)增加的趨勢(shì)。

此外,由于煤礦區(qū)域往往具有多個(gè)人工干擾源,難以采集到高信噪比的數(shù)據(jù)。在此環(huán)境下,增大發(fā)射功率,發(fā)展電性源、大功率發(fā)射技術(shù)是保障干擾地區(qū)獲得高信噪比晚期信號(hào)的前提。同時(shí),通過高采樣率裝備的研發(fā),增加瞬變電磁系統(tǒng)的采樣率,從而實(shí)現(xiàn)短期、高疊加的數(shù)據(jù)采集,能夠在一定程度上壓制隨機(jī)噪聲,為后續(xù)高分辨信息的提取打下基礎(chǔ)。

5 結(jié) 語(yǔ)

盡管近年來(lái)地球物理方法和技術(shù)不斷更新和提高,煤礦含水體精細(xì)探測(cè)仍然是亟待解決的難題。在瞬變電磁法中,計(jì)算能力和數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展,推動(dòng)了基于時(shí)變點(diǎn)電荷載流微元理論和礦井瞬變電磁全空間理論的發(fā)展,指明了方法在精細(xì)探測(cè)的突破方向。

瞬變電磁新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用也在一定程度上提高了對(duì)煤礦含水體的探測(cè)能力。修正式中心回線裝置和電性源瞬變電磁法在保證探測(cè)深度和探測(cè)精度的同時(shí),提高了野外數(shù)據(jù)采集的效率。半航空瞬變電磁法是一種更為高效的新技術(shù),裝備和數(shù)據(jù)反演手段發(fā)展成熟后,可進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)采集速度,為煤礦區(qū)的面積性探測(cè)提供新的工具。礦井瞬變電磁法則著力于在煤礦巷道周邊的精細(xì)探測(cè),高精度的數(shù)據(jù)反演技術(shù)將進(jìn)一步提高該方法的應(yīng)用效果。瞬變電磁法作為一種對(duì)地下電阻率分布進(jìn)行成像的地球物理工具,在深度、精度和效率方面仍然具有很大發(fā)展空間,是未來(lái)煤礦含水區(qū)的探測(cè)的關(guān)鍵工具之一。