地空电磁—核磁共振联测方法在地层富水性探测中的应用与研究.pdf

第 卷第期 年月山西煤炭 文章编号：（）犇 犗 犐：地空电磁核磁共振联测方法在地层富水性探测中的应用与研究郭源（中煤平朔集团有限公司地质测量中心，山西 朔州 ）摘要：针对地层富水对煤炭生产安全的危害，为露天矿富水区探测提供一种新型快速的探测方法。面对研究区地理地质条件，工作区域高压电线、大型露天采掘装备强干扰、矿区复杂地形、高背景电阻率等特殊情况，采用地空电磁探测方法划定富水区、导水通道及含水点，核磁共振方法推断含水层位置、含水量大小等。研究表明，地空电磁核磁共振探测方法可圈定地下含水区域，评估地下 的地质水文信息，对含水层的分辨能力效果显著。该方法具有较好的应用前景，为同类矿山提供了参考。关键词：地空电磁；核磁共振；富水性中图分类号：文献标识码：开放科学（资源服务）标识码（犗 犛 犐 犇）：犃 狆 狆 犾 犻 犮 犪 狋 犻 狅 狀犪 狀 犱犚 犲 狊 犲 犪 狉 犮 犺狅 犳犌 狉 狅 狌 狀 犱 犪 犻 狉犈 犾 犲 犮 狋 狉 狅 犿 犪 犵 狀 犲 狋 犪 狀 犱犖 狌 犮 犾 犲 犪 狉犕 犪 犵 狀 犲 狋 犻 犮犚 犲 狊 狅 狀 犪 狀 犮 犲犑 狅 犻 狀 狋犛 狌 狉 狏 犲 狔 犻 狀犠 犪 狋 犲 狉 狉 犻 犮 犺犇 犲 狋 犲 犮 狋 犻 狅 狀犌 犝 犗犢 狌 犪 狀（犌 犲 狅 犾 狅 犵 犻 犮 犪 犾 犛 狌 狉 狏 犲 狔犆 犲 狀 狋 犲 狉，犆 犺 犻 狀 犪 犆 狅 犪 犾犘 犻 狀 犵 狊 犺 狌 狅犆 狅犔 狋 犱，犛 犺 狌 狅 狕 犺 狅 狌 ，犆 犺 犻 狀 犪）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，（）（），犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：；收稿日期：作者简介：郭源（），山西朔州人，本科，工程师，主要从事煤矿地质工作，：引文格式：郭源地空电磁核磁共振联测方法在地层富水性探测中的应用与研究山西煤炭，（）：，（）：地空电磁探测是利用飞机平台搭载电磁勘探设备的地球物理勘查技术。由于该方法采用飞行平台作为搭载装置，无需地面人员接近勘查作业区，特别适合高山、沙漠、湖泊沼泽、森林覆盖等地形复杂地区。国外航空电磁勘查自 世纪 年代开始发展，目前已形成时间域和频率域、主动源和被动源、固定翼和直升机吊舱平台的系列航空电磁勘查系统。应用领域由传统的金属矿产和油气资源勘查，发展到包括环境工程、地下水和地热资源、海洋地形调查、极地研究等应用领域。国内 世纪 年代曾发展过航空电磁系统，曾研制出了固定翼频率域和时间域航空电磁系统。年代由于地质行业萧条，航空电磁系统的开发基本处于停滞状态。随着国家经济高速发展，对复杂地形区域大深度探测需求的不断增加，最近 年内，地空电磁方法逐步得到发展。然而，国内外学者对地空电磁探测的理论研究和应用主要集中在时间域地空电磁探测方法，频率域电磁测量方法的研究较少。近几年，李世平等在露天矿地下水勘察中，对地、空协同时频域电磁法稍有研究。核磁共振技术已经广泛应用于对地下水资源勘探以及对灾害水调查评估工程中。早在 世纪，国外已经申请了核磁共振的相关专利，并初步实现了对野外实测数据的计算。世纪初期，国外进行了基于核磁共振原理的地下水探测方法直接得到含水体含水率大小、孔隙度以及渗透性等信息的计算研究。国内对核磁共振法探测地下水的研究起步较晚，主要是潘玉玲等对核磁共振技术进行了应用和推 广，林 君 等研 制 了 国 内 自 主 知 识 产 权 的 型核磁共振地下水探测仪，在全国范围内得到了广泛应用。然而，国内核磁共振技术计算方法的研究还相对较少，蒋川东等在国内率先研究了二维阵列线圈磁共振地下水探测正演理论，并提出了阵列式线圈的工作模式，但计算方法的研究相比国外仍然有较大差距。近几年，国内科研院所对横向约束理论和分块计算方法进行研究，研究了核磁共振技术计算新方法，完成拟二维分块式计算方法的原理研究，弥补了国内在计算方法上的不足。随着经济的快速增长，对复杂地形区域大深度探测需求的不断增加，以及地层富水对煤炭生产安全的危害。为落实有关防治水规定，切实实现露天矿规划采剥区水害的探查、预防与治理。基于研究区地理地质条件，在工作区域高压电线、露天大型装备强干扰、矿区复杂地形、高背景电阻率等特殊情况下，研究地空电磁核磁联测探测效果以及实用性，为露天矿含水区探测提供一种新型快速探测方法。经过综合分析以及对采集数据的反演，可获取相关水文地质信息，对煤矿企业的安全生产具有重要的指导意义和实用价值，经济效益巨大，社会效益显著。探测范围及方法 探测范围本次探测工作区域如图所示。图中黑粗单线部分为地空方法中地面布设的发射源位置，电极与电极，发射导线长度为 ；黑色线框区域为实际测量区域，由、四个顶点确定，具体坐标不做表述。测量区域东西长约 ，南北宽约 ，总面积约 。图测区位置示意图 针对含水区对煤炭生产安全的危害，验证地空电磁核磁共振联测探测方法，在该区域的探测效果和适用性，重点验证在工作区域高压线、露天大型采掘装备强干扰、矿区复杂地形、高背景电阻率等特殊情况下，地空电磁核磁共振联测探测方法对含水层的分辨的能力和效果。探测方法及原理地空电磁核磁共振联测方法，通过电阻率参数粗略但快速地圈定地下采空区的整体范围，通过磁场信号的幅值和衰减变化参数，直接反映地下含水情况，从而圈定地下含水区。地空电磁探测工作原理地面和空中的电磁探测工作原理如图所示。该系统以超大功率的电性源发射作为激励场源，频率可根据需要调整，可有效激发深部异常体，从而垂向探测含水层；利用发射电极深部接地技术、接地耦合匹配技术，达到极低的接地电阻，实现超大电流发射，增强接收信号；利用双源多频伪随机波实现时频同时发射，以及多个应用频点的一次全覆盖。将接山西煤炭第 卷收系统吊载在无人飞行器上，通过控制飞行速度和飞行测线，可以实现密集频点测量。空中测量方式可实现复杂地形区域等人力难以进入的区域的测量，受地形影响小，勘探效率更高，与地面相比勘探分辨率更高等优点。图地面和空中电磁探测工作原理 地面核磁共振工作原理核磁共振工作原理如图所示。向铺在地面上的线圈（发射线圈）中供入频率为拉摩尔频率的交变电流，在地中交变电流形成的交变磁场激发下，使地下水中氢核形成宏观磁矩。这一宏观磁矩在地磁场中产生旋进运动，其旋进频率为氢核所特有。在切断电流脉冲后，用同一线圈（接收线圈）拾取由不同激发脉冲矩激发产生的信号，该信号呈指数规律衰减，信号的强弱或衰减快慢直接与水中质子的数量有关，即该信号的幅值与所探测空间内自由水含量成正比。因此，构成了一种直接探测地下水信息的技术，形成了地面核磁共振探测地下水信息的方法。利用顺磁氢质子可以产生核磁共振松弛现象的原理，对于地下介质中主要出现在水分子中的氢离子，只要检测到磁共振信号就可以证明检测点地下水的存在 。通过核磁共振响应与反演软件进行配合，可以迅速得到被测工区的地下水层深度、含水量以及渗透率等地下水文信息，通过水文参数确定含水采区，同时可评估地下 深度的地质水文信息。图地面核磁共振工作原理 探测方案、装备与施工情况 地空电磁探测方案采用地空电磁探测方法，在选定的探测区域开展全面探测。如图所示，在测区分为北部区域、中部区域组、中部区域组和南部区域个部分，测区内测线以东西方向平行布设，设计测线 条，实际飞行测线 条，获取有效数据测线 条，长度为 。地空电磁探测装备由地面单元与空中单元组成，如图所示。地面单元以大功率发射装备为主，空中单元以旋翼无人机飞行平台为主体，近地搭载接收线圈飞行。根据对深度的不同要求，经过多次试验对比分析，确定采用适宜的参数。无人飞行平台的航迹可按照要求任意设定，限于篇幅具体参数本人不做详细介绍。图测区测线布排与区域分组示意图 图地空电磁探测系统 地面核磁共振探测方案核磁共振探测装备由发射装置与接收装置组成，如图所示。在地空电磁探测结果的基础上，利用地面核磁共振技术进一步探测，对低阻区异常特性来源是否为地下水进行辨认。地面核磁共振探测共布置个测点，布设于地空电磁探测方法确定的第期郭源：地空电磁核磁共振联测方法在地层富水性探测中的应用与研究疑似异常区中，进行低阻异常富水特性验证。图核磁共振探测仪器 数据处理与解释 地空电磁探测成果解释数据采集结束后，对测量数据按测线进行了归类整理、分析。根据视电阻率曲线绘制各测线的视电阻率拟断面图。最终，通过视电阻率图中低阻分布区域，并结合实际的地形因素确定疑似含水区域。本次试验疑似含水区域的判定标准为多条测线共同反应低阻通道，特别是在地表浅部具有明显的低阻特征与地表海拔高度相对较低区域重合的位置。本文选择中部区域组进行解释，测线为 ，如图所示。该组区域测线测量比较完整，在空间位置上相近。中部区域组测线的视电阻率成像如图所示。由于测区内条测线的位置平行且靠近，各条测线的视电阻率分布形态相似。在视深度 范围内均呈现为低阻分布，在大于 的深度中，电阻率较高。在高阻分布中，右侧电阻率等值线线上凸起。整体上，高低阻呈层状分布比较明见，高低阻分界面相对平整。对于中浅部低阻分布，测线右侧呈现高低阻间隔分布，低阻分布由地表延伸至地下中等深度，其中 、和 测线的电阻率较低。在测线中间位置，低阻区域呈现大面积的连通分布，其中 测线的电阻率值最低。在测线右侧，地表浅部区域呈现弱高阻分布，在中部则有相互连通的低阻分布，并且这种分布在各条测线上均有显示，在电阻率分布上表现为含水特征。山西煤炭第 卷图 测线视电阻率成像 将各条测线的视电阻率反演结果与实际的地形情况相结合，推测中部区域组的疑似含水情况如图所示。虽然各条测线的中部区域均表现出低阻特征，但是其在地形上分布与缓坡地形，因此推测中部区域为疑似渗（聚）水区域。对于测线右侧形状对应于低洼区域，推测该区域为疑似含水区，结合地表地貌特征，确定疑似含水点。地空反演解释总结结合测区北部区域、中部区域组、中部区域组和南部区域综合反演解释结果，可以获得测区内部疑似含水区域总体分布情况，如图所示。其中，疑似含水区域、疑似含水区域和疑似含水区第期郭源：地空电磁核磁共振联测方法在地层富水性探测中的应用与研究域因地形低洼，电阻率值较低，其含水的可能性较大。疑似含水区因为地处缓坡地形，其渗水的可能性较大，存水的可能性较弱。进一步融合地形和反演解释结果，将疑似含水区进行融通，推测测区内可能的导水通道条。其中，通道和通道为东西分布，通道和通道为南北走向，这条通道构成主要通道，通道和通道为分支通道。在含水区内，结合实际地貌特征，确定疑似含水点 处。图中部区域组疑似含水区 图测区整体疑似含水情况图 核磁共振探测方法成果解释探测得到的含水量情况如图 所示，核磁共振方法、号点位于疑似含水区中。从图（）、（）中分析可知，该异常区含水体主要为个部分：浅层内分布含水量约为的薄含水层，分布含水量约为 的含水层，深层 及以下分布含水量为 的较厚含水层。图 核磁共振方法解释结果 核磁共振方法号点位于疑似含水区中，从图（）分析可知，该异常区含水体主要为个部分：浅层 内分布含水量约为的薄含水层，深层 及以下分布约为 的较厚含水层。钻孔验证、开采揭露、专项水文勘查项目验证情况在地空电磁、核磁共振方法探测确定的含水区域内，通过历年生产补充勘探，在此区域内大量钻孔涌水量较大，出现不同程度的涌水情况，进一步验证了地空电磁核磁共振探测方法圈定的富水区的较可靠性。随着采掘工程的进一步推进，矿坑东部、南部端帮区域出现较大面积的渗水情况，南部矿坑采掘至 煤底板坑下积水较多，影响矿方的正常生产。基于地空电磁核磁共振探测的研究成果，矿方提前指定了排水计划、排水管路，对坑下积水进行不间断地排放，未对生产造成较大的影响。考虑到安家岭露天矿下一步采剥至马关河区域将留设永久边帮，对露天矿边帮稳定性影响较大，严重影响矿井安全生产。因此在后期开展了专项水文地质勘查工作，进一步获取含水层的相关水文地质参数。安家岭矿马关河区域水文勘查与研究物探与钻探成果显示，矿坑南部区域地层相对较富水，圈定了富水区与地空电磁核磁共振探测一致的区域圈定的富水区基本一致，进一步验证了地空电磁核磁共振探测富水区的可靠性。结论地空电磁核磁共振联测方法，是物探领域地空一体化应用的新技术、新方法。研究结果表明，地空电磁技术能够划定富水区、导水通道及含水点，核磁共振技术能够确定富水性，推断含水层位置、含水量大小等，可评估地下 深度的不同层位薄厚含水层的含水量等地质水文信息，研究成果能够有效指导地面水文钻探工作，对边坡稳定、生产安全等起到重要的指导作用，为制定防排水计划及措施提供技术依据，为同类矿山提供了参考。山西煤炭第 卷参考文献：李世平，郭一娜地、空协同时频域电磁法在露天矿地下水勘察中的应用矿业工程，（）：，（）：潘玉玲，贺预，李振宇，等地面核磁共振找水方法在中国的应用效果地质通报，（）：，（）：林君核磁共振找水技术的研究现状与发展趋势地球物理学进展，（）：，（）：蒋川东，林君，段清明，等二维阵列线圈核磁共振地下水探测理论研究地球物理学报，（）：，（）：杜文龙瞬变电磁法在煤矿富水区探测中的应用山东煤炭科技，（）：，（）：林婷婷，蒋川东，齐鑫，等地面磁共振测深分布式探测方法与关键技术地球物理学报，（）：，（）：李世峰，梁盛军，周建雄，等强干扰背景条件下 探测铁矿资料解释方法研究地质与勘探 ，：，：陈斌，胡祥云，刘道涵，等磁共振测深技术的发展历程与新进展地球物理学进展 ，（）：，（）：邢修举，于景?核磁共振探水在矿井超前地质预报的试验研究煤炭科技 ，（）：，（）：候恩科，樊江伟，高利军，等地面核磁共振技术在隐伏火烧区富水性探测中的应用煤田地质与勘探 ，（）：，（）：（编辑：单婕）第期郭源：地空电磁核磁共振联测方法在地层富水性探测中的应用与研究