矿井瞬变电磁法参数优化试验及超前探测应用.pdf

第 ４８ 卷第 ６ 期煤 炭 科 学 技 术Ｖｏｌ􀆱 ４８ Ｎｏ􀆱 ６ ２０２０ 年６ 月Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｊｕｎ.２０２０ 移动扫码阅读 牟 义ꎬ李江华ꎬ徐 慧ꎬ等.矿井瞬变电磁法参数优化试验及超前探测应用[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２０２０ꎬ４８６ １８４－１９０.ｄｏｉ１０􀆱 １３１９９/ ｊ􀆱 ｃｎｋｉ􀆱 ｃｓｔ􀆱 ２０２０􀆱 ０６􀆱 ０２４ ＭＵ Ｙｉꎬ ＬＩ Ｊｉａｎｇｈｕａꎬ ＸＵ Ｈｕｉꎬｅｔ ａｌ.Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｓｔ ｏｆ ｍｉｎｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ａｐｐｌｉ￣ ｃａｔｉｏｎ ｏｆ ａｄｖａｎｃｅｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ [ Ｊ] 􀆱 Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ ２０２０ꎬ ４８ ６ １８４ － １９０. ｄｏｉ １０􀆱 １３１９９/ ｊ􀆱 ｃｎｋｉ􀆱 ｃｓｔ􀆱 ２０２０􀆱 ０６􀆱 ０２４ 矿井瞬变电磁法参数优化试验及超前探测应用 牟 义１ꎬ２ꎬ３ꎬ李江华１ꎬ２ꎬ３ꎬ徐 慧１ꎬ２ꎬ３ꎬ马志超１ꎬ２ꎬ３ꎬ崔金亮１ꎬ２ꎬ３ꎬ张永超１ꎬ２ꎬ３ １.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院ꎬ北京 １０００１３ꎻ２.煤炭科学研究总院 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室ꎬ 北京 １０００１３ꎻ３. 北京市煤矿安全工程技术研究中心ꎬ北京 １０００１３ 摘 要为了精准超前探测采空区及积水区ꎬ确保煤矿的安全掘进ꎬ通过对已知积水采空区进行矿井 瞬变电磁法探测对比试验ꎬ分析不同参数对积水采空区电场响应特征的影响ꎬ优化了一套适合积水采 空区探测的发射频率、叠加次数以及采集密度等采集参数ꎬ并将该优化参数应用到井下超前探测实践 中ꎬ成功发现前方采空区及积水区ꎮ 结果表明矿井瞬变电磁法采用 ６.２５ Ｈｚ 的发射频率、３２ 次叠加 以及中密度采集方式ꎬ对采空区及积水区超前探测较好ꎻ将该采集优化参数应用到晋城矿区井下超前 探测ꎬ以王台铺矿超前探测应用为例ꎬ发现掘进工作面前方存在明显的 １ 处高阻异常体和 ２ 处低阻异 常体ꎬ且分界面明显ꎬ其与查明的小煤窑巷道分布区基本重合ꎬ后经过打钻验证ꎬ正前方 ５０ ｍ 之外的 高阻异常区见空ꎬ通过钻孔透视发现ꎬ为小煤窑采空区且无积水ꎬ后退 ３０ ｍꎬ向右侧帮 １ 处低阻异常 区打钻ꎬ打到深度 ３５ ｍ 遇空出水ꎬ水量较大ꎬ为采空区积水ꎬ取得较好探测效果ꎻ根据在鄂尔多斯地方 煤矿、临汾地方煤矿、晋煤集团、朔州地方煤矿等井下探测总结的经验ꎬ一般视电阻率位于 ３０ Ω􀅱ｍ 以下推断为含水异常ꎬ３０ Ω􀅱ｍ 以上推断为不含水正常岩层ꎬ更高则推断为高阻异常ꎮ 关键词超前探测ꎻ采空区ꎻ瞬变电磁法ꎻ发射频率ꎻ叠加次数ꎻ采样密度ꎻ矿井 中图分类号ＴＤ１６６ꎻ Ｐ６３１.３ 文献标志码Ａ 文章编号０２５３－２３３６２０２００６－０１８４－０７ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｓｔ ｏｆ ｍｉｎｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ａｄｖａｎｃｅｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ＭＵ Ｙｉ１ꎬ２ꎬ３ꎬ ＬＩ Ｊｉａｎｇｈｕａ１ꎬ２ꎬ３ꎬ ＸＵ Ｈｕｉ１ꎬ２ꎬ３ꎬ ＭＡ Ｚｈｉｃｈａｏ１ꎬ２ꎬ３ꎬ ＣＵＩ Ｊｉｎｌｉａｎｇ１ꎬ２ꎬ３ꎬ ＺＨＡＮＧ Ｙｏｎｇｃｈａｏ１ꎬ２ꎬ３ １􀆱 Ｍｉｎｅ Ｓａｆｅｔｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＢｒａｎｃｈꎬＣｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅꎬ Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００１３ꎬＣｈｉｎａꎻ２􀆱 Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｃｌｅａｎ Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎꎬ Ｃｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅꎬ Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００１３ꎬＣｈｉｎａꎻ３􀆱 Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｍｉｎｅ Ｓａｆｅｔｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒꎬ Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００１３ꎬＣｈｉｎａ ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｄｅｔｅｃｔ ｔｈｅ ｇｏｂ ａｎｄ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ－ｂｅａｒｉｎｇ ａｒｅａ ｉｎ ａｄｖａｎｃｅꎬ ａｎｄ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｓａｆｅ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｍｉｎｅꎬ ｔｈｅ ｍｉｎｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｅｔｅｃｔ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｉｎ ｔｈｅ ｋｎｏｗｎ ｗａｔｅｒ－ｂｅａｒｉｎｇ ｇｏｂꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｔｏ ｔｈｅ ｍｉｎｅｄ－ｏｕｔ ｇｏｂ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ. Ａ ｓｅｔ ｏｆ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌꎬ ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｔｈｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｄｅｎｓｉｔｙ ｗｅｒｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｗｅｒｅ ａｐ￣ ｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｏｆ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ａｄｖａｎｃｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎꎬ ｔｈｅ ｆｒｏｎｔ ｇｏｂ ａｎｄ ｗａｔｅｒ－ｂｅａｒｉｎｇ ｇｏｂ ａｒｅａ ｗｅｒｅ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ｄｉｓｃｏｖｅｒｅｄ. Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｉｎｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｍｅｔｈｏｄ ｕｓｅｄ ｔｈｅ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ６.２５ Ｈｚꎬ ３２ ｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｅｄｉｕｍ ｄｅｎｓｉｔｙ ａｃ￣ ｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓꎬ ａｎｄ ｉｔ ｗａｓ ｂｅｔｔｅｒ ｔｏ ｄｅｔｅｃｔ ｔｈｅ ｇｏｂ ａｎｄ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ－ｂｅａｒｉｎｇ ａｒｅａꎻ Ｔｈｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｗｅｒｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ｉｎ Ｊｉｎｃｈｅｎｇ Ｍｉｎｉｎｇ Ａｒｅａ. Ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ａｄｖａｎｃｅｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｗａｎｇｔａｉｐｕ ｍｉｎｅ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅꎬ ｉｔ ｗａｓ ｓｅｅｎ ｔｈａｔ ｔｈｅｒｅ ｗａｓ ａｎ ｏｂｖｉｏｕｓ ｈｉｇｈ－ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｎｏｍａｌｙ ａｎｄ ｔｗｏ ｌｏｗ－ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｎｏｍａｌｉｅｓ ｉｎ ｆｒｏｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｆａｃｅꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｗａｓ ｏｂｖｉ￣ ｏｕｓꎬ ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｂａｓｉｃａｌｌｙ ｔｈｅ ｓａｍｅ ａｓ ｔｈｅ ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｒｅａ ｏｆ ｓｍａｌｌ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｒｏａｄｗａｙ. Ａｆｔｅｒ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ａｎｄ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎꎬ ｔｈｅ ｈｉｇｈ－ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｎｏｍａｌｙ ａｒｅａ ５０ ｍ ａｈｅａｄ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒｏｎｔ ｗａｓ ｅｍｐｔｙꎬ ａｎｄ ｉｔ ｗａｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｆｌｕｏｒｏｓｃｏｐｙ ｔｈａｔ ｉｔ ｗａｓ ａ ｓｍａｌｌ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｇｏｂ 收稿日期２０１９－１０－１８ꎻ责任编辑赵 瑞 基金项目国家科技重大专项资助项目２０１６ＺＸ０５０４５００１－００４ꎻ国家自然科学基金青年基金资助项目５１８０４１６２ꎬ５１７０４１６２ 作者简介牟 义１９８３ꎬ男ꎬ山东日照人ꎬ副研究员ꎮ Ｔｅｌ０１０－８４２６４７４４ꎬＥ－ｍａｉｌ６１６７３２７５＠ ｑｑ.ｃｏｍ ａｎｄ ｔｈｅｒｅ ｗａｓ ｎｏ ｗａｔｅｒ. Ｗｈｅｎ ｒｅｔｒｅａｔｉｎｇ ３０ ｍ ｂａｃｋｗａｒｄꎬ ａ ｌｏｗ－ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｎｏｍａｌｙ ａｒｅａ ｗａｓ ｄｒｉｌｌｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｒｉｇｈｔ ｓｉｄｅꎬ ｈｉｔｔｉｎｇ ａ ｄｅｐｔｈ ｏｆ ３５ ｍ ４８１ 牟 义等矿井瞬变电磁法参数优化试验及超前探测应用２０２０ 年第 ６ 期 ｗｉｔｈ ｅｆｆｌｕｅｎｔꎬ ｌａｒｇｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｗａｔｅｒꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｗａｓ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｇｏｂꎬ ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ａ ｇｏｏｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ. Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｕｍｍａｒｙ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ｏｆ ｌｏｃａｌ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｉｎ Ｏｒｄｏｓꎬ Ｌｉｎｆｅｎ ｌｏｃａｌ ｃｏａｌ ｍｉｎｅꎬ Ｊｉｎｍｅｉ Ｇｒｏｕｐꎬ Ｓｈｕｏｚｈｏｕ ｌｏｃａｌ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｍｉｎｅｓꎬ ｔｈｅ ａｐｐａｒｅｎｔ ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ ｖａｌｕｅ ｗａｓ ｇｅｎｅｒａｌｌｙ ｂｅｌｏｗ ３０ Ω􀅱ｍꎬ ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｉｎｆｅｒｒｅｄ ｔｏ ｂｅ ｗａｔｅｒ－ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ａｎｏｍａｌｙꎬ ａｎｄ ３０ Ω􀅱ｍ ｏｒ ｍｏｒｅ ｗａｓ ｉｎｆｅｒｒｅｄ ｔｏ ｂｅ ａ ｎｏｒｍａｌ ｒｏｃｋ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｗｉｔｈｏｕｔ ｗａｔｅｒꎬ ａｎｄ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｉｎｆｅｒｒｅｄ ｔｏ ｂｅ ａ ｈｉｇｈ－ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｎｏｍａｌｙ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ａｄｖａｎｃｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎꎻ ｇｏｂꎻ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｍｅｔｈｏｄꎻ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙꎻ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎꎻ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｄｅｎｓｉｔｙꎻｍｉｎｅ ０ 引 言 矿井 瞬 变 电 磁 法 Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ＭｅｔｈｏｄꎬＴＥＭ采用电磁波在煤矿井下全空间激发一 次场ꎬ在一次场脉冲的间隔期间断电后 ꎬ观测由 围岩体感应形成的二次场随时间的变化[１]ꎮ 其在 对采煤工作面内部以及巷道掘进前方隐伏小煤窑采 空区、断层、陷落柱、水文钻孔等地质异常体的导含 水性超前探测中取得了良好的应用效果[２]ꎮ 受井 下空间及防爆限制ꎬ矿井瞬变电磁探测回线边长尺 寸和发射功率较小ꎬ为了达到相应的探测深度及探 测精度ꎬ研究合适的数据采集及处理参数尤为重 要[３]ꎮ 国内不少专家学者进行了大量研究ꎬ姜志海 等[４]采用物理试验对矿井瞬变电磁观测系统的发 射功率、发射磁矩、关断时间等参数随发射线圈匝数 的变化关系ꎬ以及关断时间、接收信号随接收线圈匝 数的变化关系进行了定性研究ꎻ李飞等[５]通过数值 模拟和现场试验ꎬ分别研究了矿井半空间和全空间 条件下瞬变电磁法偶极装置观测信号随收发距的变 化规 律ꎻ 陈 明 生 等[６]应 用 时 域 有 限 差 分 方 法 ＦＤＴＤ分析地下和地面的瞬变响应ꎬ采用 ３５ ｍｓ 的延迟时间可探测较浅的异常体ꎻ陈健强[７]开展了 瞬变电磁法探测参数的现场试验研究ꎬ通过发射频 率、叠加次数、数据采集密度等采集参数及视电阻率 系数、深度系数等处理参数的对比试验ꎬ得出了适用 于试验矿区及相似地球物理场条件下的最优探测参 数ꎻ邱浩[８]在朝阳煤矿９１０１ 工作面巷道掘进过程中 通过基于瞬变电磁法频率、叠加次数的参数优化试 验ꎬ确定了工作面内部老旧巷道探测的最优参数ꎻ文 献[９－１２]分别从地面瞬变电磁法中心回线、小线 框、浅埋深采空区以及不同系统装置的角度对各类 参数进行了地面试验研究ꎬ优化了相关地面采集技 术ꎬ取得了一定成果ꎮ 在以上研究基础上ꎬ为了获取适合井下施工的 矿井瞬变电磁法参数ꎬ在晋煤集团朝阳矿已知积水 采空区进行了大量参数优化试验工作ꎬ并将优化结 果应用到晋煤集团王台铺矿超前探测采空区及积水 区ꎬ取得一定的成果ꎬ对榆林、鄂尔多斯、山西等地的 矿井瞬变电磁法探测工作可以起到一定的借鉴 作用ꎮ １ 试验区概况及试验设计 １.１ 试验区概况 晋煤集团某矿 ９１０１ 工作面轨道巷位于 ９ 号煤 层中ꎬ探测位置东面为矿界ꎬ南部为未采区可能存 在采空区ꎮ 井田内可采煤层为山西组的 ３ 号煤层 及太原组的 ９、１５ 号煤层ꎮ ２０１５ 年 ８ 月 ２３ 日在轨道巷 １ １５２ ｍ 处施工超 前探测钻孔ꎬ在掘进工作面正前方 ４５ ｍ 处与右帮方 位角 １６０方向 ６５ ｍ 处见空ꎬ并有采空区积水涌出 图 １ꎮ 经测定ꎬ水压最大可达 ０.２ ＭＰａꎬ涌水量为 １０２０ ｍ３/ ｈꎮ 采取水样进行水质化验后ꎬ发现非常 高的矿化度和 ＳＯ ２－ ４ 含量ꎬ具备采空区积水水文地质 特征ꎮ 超前探测钻孔揭露采空区以后ꎬ为了提高瞬变 电磁法探测精度ꎬ在 ９１０１ 工作面轨道巷 １ １５２ ｍ 处 图 １ꎬ进行了矿井瞬变电磁法超前探测参数优化 试验的现场数据采集工作ꎮ 试验现场轨道巷宽度 ４.１ ｍꎬ高度 ２.２ ｍꎬ锚杆锚网支护ꎬ综掘机退后 ２７ ｍꎬ掘进工作面正中间 １ 号钻孔与右帮 Ｂ５ 号钻孔作 为放水孔对采空区积水进行疏放ꎬ外接排水钢管ꎬ长 度 １ ｍ 左右ꎬ掘进工作面与右帮管路接口处有少量 涌水ꎮ 距掘进工作面 ３５ ｍ 处有钢管等铁器ꎬ右帮 距掘进工作面 ５ ｍ 处钻孔有渗水ꎬ颜色为黄色ꎮ 图 图 １ 物探位置钻孔示意 Ｆｉｇ.１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ５８１ ２０２０ 年第 ６ 期煤 炭 科 学 技 术第 ４８ 卷 １ 中ꎬ１ 号钻孔方位角 ９０ꎬ倾角＋５ꎬ孔深 ４５ ｍ 时 出水ꎬ出水量约为 １０ ｍ３/ ｈꎬ水压 ０.２ ＭＰａꎮ Ｂ４ 号钻 孔方位角 １８０ꎬ倾角－１ꎬ孔深 １２７ ｍꎬ揭露全煤ꎮ Ｂ５ 号钻孔方位角 １６０ꎬ倾角－０.９ꎬ孔深时 ６５ ｍ 出 水ꎬ出水量约为 １０ ｍ３/ ｈꎬ水压 ０.２ ＭＰａꎮ １.２ 试验设计 矿井瞬变电磁法超前探测试验设计探测方向为 顺煤岩层向掘进工作面前方探测ꎬ共布置横向探测角 度 １４ 个图 ２ꎬ探测角度分别是左侧帮１８０、１６５、 １５０、１３５、１２０、１０５、正前方９０、 ９０、右侧帮 ０、１５、３０、４５、６０、７５ꎬ计 １４ 个测点数据[１２]ꎮ 图 ２ 横向探测角度示意 Ｆｉｇ.２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｌａｔｅｒａｌ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ ２ 参数优化试验 ２.１ 发射频率 矿井瞬变电磁一般要求井下探测区域附近进行 断电处理ꎬ以防止受到生产用电的干扰ꎻ矿井瞬变电 磁仪的发射波形为方形波ꎬ发射频率为普通用电频 率的倍数或约数ꎬ通过滤波可完全对普通用电频率 的干扰进行剔除[１３－１４]ꎮ 频率越高ꎬ探测深度越小ꎬ 目标体分辨率越高ꎻ频率越低ꎬ探测深度大ꎬ目标体 分辨率越低ꎮ 在频率的选择上ꎬ一般以实际探测时 曲线的完整为标准ꎬ既要兼顾探测深度ꎬ又能兼顾探 测精度[１５－１６]ꎮ 本次试验选取发射频率为 ２.５、６.２５ 和 ２５ Ｈｚ 时 进行试验叠加次数均为 ３２ 次ꎬ采样密度均为中密 度ꎮ １ 号钻孔方向探测角度 ９０方向不同发射 频率的归一化电压－时间曲线和视电阻率－深度曲 线分别如图 ３ 和图 ４ 所示ꎬ由图 ３ 可以看出６.２５ 和 ２５ Ｈｚ 曲线衰减较为圆滑ꎬ２.５ Ｈｚ 曲线 ４０ ｍｓ 之前曲 线衰减较为圆滑ꎬ４０ ｍｓ 之后曲线尾支出现较大的 跳跃性ꎬ曲线衰减不稳定ꎬ且随着频率从２.５、６.２５ Ｈｚ 到 ２５ Ｈｚ 逐步增大ꎬ其感应二次场随衰减时间的增 加而减少ꎻ在图 ４ 中表现为随频率增大ꎬ其最大探测 深度减少ꎬ２.５、６.２５、２５ Ｈｚ 最大探测深度分别为 １７０、１２０、１００ ｍ 左右ꎮ 结合图 １ 中在探测深度４５ ｍ 打钻出水位置ꎬ可以看出随着频率增大ꎬ视电阻率 也逐步增大ꎬ２５ Ｈｚ 的曲线视电阻率显示较高ꎬ不能 很好地表现低阻异常ꎬ２.５ Ｈｚ 曲线视电阻率虽然较 低ꎬ但衰减不稳定ꎬ影响探测精度ꎬ而 ６.２５ Ｈｚ 曲线 衰减圆滑ꎬ且在出水位置表现出相吻合的低阻异常ꎬ 与现场实际最为符合ꎮ 图 ３ １ 号钻孔方向测点归一化电压－时间曲线 Ｆｉｇ.３ Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ ｖｏｌｔａｇｅ－ｔｉｍｅ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｐｏｉｎｔｓ ｉｎ Ｎｏ.１ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ 图 ４ １ 号钻孔方向测点视电阻率－深度曲线 Ｆｉｇ.４ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ－ｄｅｐｔｈ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｐｏｉｎｔｓ ｉｎ Ｎｏ.１ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ 不同发射频率的瞬变电磁法顺层方向超前探测 视电阻率等值线拟断面如图 ５ 所示ꎬ图中横坐标 ０ 点位置为探测位置ꎬ横坐标负轴对应巷道左侧ꎬ正轴 对应巷道右侧ꎬ纵坐标为沿顺层方向探测的距离ꎻ图 中从冷色调到暖色调表示视电阻率不断升高ꎮ 从图 ５ 中可以明显看出２.５ Ｈｚ 和 ６.２５ Ｈｚ 的断面图中ꎬ１ 号钻孔 ４５ ｍ 处开始出现凹陷状冷色调低阻异常ꎬ与 现场打钻情况相符ꎬ而 ２５ Ｈｚ 的断面图则出现正常 的视电阻率值ꎬ冷色调低阻异常出现在 ７０ ｍ 之后ꎬ 与打钻出水情况不符ꎻ考虑到现场掘进工作面左右 帮均有锚网及钻杆等铁器干扰ꎬ在图 ５ 中所有断面 图中左右帮均出现大片低阻干扰异常ꎬ与 Ｂ５ 号钻 孔出水位置重合ꎬ不具备验证性ꎮ ２.２ 叠加次数 矿井瞬变电磁法在数据采集时ꎬ可能遇到游散 ６８１ 牟 义等矿井瞬变电磁法参数优化试验及超前探测应用２０２０ 年第 ６ 期 图 ５ 不同发射频率超前探测视电阻率等值线拟断面 Ｆｉｇ.５ Ｐｓｅｕｄｏ－ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ａｐｐａｒｅｎｔ ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ ｉｓｏｌｉｎｅ ｆｏｒ ａｄｖａｎｃｅｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ 电流等随机干扰ꎬ通过多次数据采集并叠加到一起 可以减弱随机干扰ꎬ增强数据的真实性ꎻ但有时遇到 井下交流电缆等周期性干扰ꎬ通过多次数据采集叠 加ꎬ可能增强或突出周期性干扰ꎬ降低探测结果的可 靠性[１７－１８]ꎮ 另外ꎬ叠加次数越多ꎬ采集时间越长ꎬ施 工效率越低ꎬ所以不能简单增加叠加次数来提高数 据质量ꎬ不能简单从叠加次数的多少来说明探测结 果的质量ꎬ选择叠加次数也是以实际探测时曲线的 完整、圆滑为标准[１９－２０]ꎮ 本次选取叠加次数为 １６、３２ 和 ６４ 次进行试验 发射频率均为 ６.２５ Ｈｚꎬ采样密度均为中密度ꎮ １ 号钻孔方向探测角度 ９０方向不同叠加次数的归 一化电压－时间曲线和视电阻率－深度曲线分别如 图 ６ 和图 ７ 所示ꎮ 由图 ６ 可知３ 种叠加次数曲线 衰减均较为圆滑ꎬ只有 １６ 次叠加曲线尾支出现上 扬ꎬ不能有效压制晚期二次场干扰ꎬ不同之处在于在 图 ６ １ 号钻孔方向测点归一化电压－时间曲线 Ｆｉｇ.６ Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ ｖｏｌｔａｇｅ－ｔｉｍｅ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｐｏｉｎｔｓ ｉｎ Ｎｏ.１ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ 图 ７ １ 号钻孔方向测点视电阻率－深度曲线 Ｆｉｇ.７ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ－ｄｅｐｔｈ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｐｏｉｎｔｓ ｉｎ Ｎｏ.１ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ０.１３.０ ｍｓ 时ꎬ３２ 次叠加次数曲线整体归一化电压 值最大ꎬ１６ 次和 ６４ 次叠加次数曲线最小ꎬ１６ 次叠加 次数相比较于 ６４ 次整体略大ꎻ图 ７ 中 ３２ 次叠加次 数曲线整体视电阻率位于 ３０ Ω􀅱ｍ 以下ꎬ而 １６ 次 和 ６４ 次叠加次数曲线在 ３０ Ω􀅱ｍ 以上ꎬ在 １ 号钻 孔 ４５ ｍ 深度也有类似的表现ꎮ 根据在井下探测总 结的经验ꎬ一般视电阻率值位于 ３０ Ω􀅱ｍ 以下推断 为含水异常ꎬ３０ Ω􀅱ｍ 以上推断为不含水正常岩层 或高阻异常ꎮ 因此ꎬ３２ 次叠加次数在 １ 号钻孔 ４５ ｍ 深度表现为低阻含水异常ꎬ与出水位置相吻合ꎬ 与现场实际最为符合ꎬ为矿井瞬变电磁法最佳叠 加次数ꎮ 瞬变电磁法顺层方向不同叠加次数超前探测视 电阻率等值线拟断面如图 ８ 所示ꎬ可以明显看出３２ 次的断面图中 １ 号钻孔 ４５ ｍ 处开始出现大片蓝色 图 ８ 不同叠加次数超前探测视电阻率等值线拟断面 Ｆｉｇ.８ Ｐｓｅｕｄｏ－ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ａｐｐａｒｅｎｔ ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ ｉｓｏｌｉｎｅ ｆｏｒ ａｄｖａｎｃｅｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ７８１ ２０２０ 年第 ６ 期煤 炭 科 学 技 术第 ４８ 卷 低阻异常ꎬ与现场打钻情况相符ꎬ而 １６ 次和 ６４ 次叠 加次数的断面图均出现正常或偏高的视电阻率值ꎬ 与打钻出水情况不符ꎻ左右帮均存在铁器干扰ꎬ断面 图左右帮不具备试验验证性ꎮ ２.３ 采样密度 一般采样密度越高ꎬ采集的数据点越多ꎬ数据质 量越可靠ꎬ但采样密度越高ꎬ采集时间越长ꎬ施工效 率就越低ꎬ且受限于计算机处理效率ꎬ不能无限增大 采样密度[２１－２２]ꎮ 另外ꎬ采样密度越高ꎬ采集的电性 信息越多ꎬ地质信息越丰富ꎬ分辨异常越精细ꎬ同时 采集到的干扰信息也可能增多ꎬ干扰增大ꎬ所以需要 试验选择合理的采样密度来提高数据质量ꎬ不能简 单从增加采样密度来提高异常分辨率ꎬ选择采样密 度也是以实际探测时曲线的衰减圆滑程度为标准ꎬ 更要兼顾实际ꎮ 本次试验选取低密度、中密度和高密度进行试 验发射频率均为６.２５ Ｈｚꎬ叠加次数均为３２ 次ꎮ １ 号钻孔方向探测角度 ９０方向不同采样密度的归 一化电压－时间曲线和视电阻率－深度曲线如图 ９ 和图 １０ 所示ꎬ由图 ９ 可知ꎬ３ 种采样密度曲线衰减 均较为圆滑ꎬ且较为重合ꎬ高密度采样曲线尾支稍显 上翘ꎬ归一化感应电压未见明显差异ꎻ图 １０ 中表现 为较明显的视电阻率差异ꎬ中密度采样曲线整体视 电阻率最低ꎬ低密度采样曲线视电阻率整体居中ꎬ高 密度采样视电阻率值整体偏高ꎬ但均位于 ３０ Ω􀅱ｍ 以下ꎬ属于低阻含水异常ꎬ低阻异常幅度有差异ꎮ 因 此ꎬ中密度采样曲线吻合程度最高ꎬ为矿井瞬变电磁 法最佳采样密度[２３]ꎮ 图 ９ １ 号钻孔方向测点归一化电压－时间曲线 Ｆｉｇ.９ Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ ｖｏｌｔａｇｅ－ｔｉｍｅ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｐｏｉｎｔｓ ｉｎ Ｎｏ.１ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ 图 １０ １ 号钻孔方向测点视电阻率－深度曲线 Ｆｉｇ.１０ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ－ｄｅｐｔｈ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｐｏｉｎｔｓ ｉｎ Ｎｏ.１ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ 瞬变电磁法顺层方向低密度、中密度、高密度采 样的超前探测视电阻率等值线拟断面如图 １１ 所示ꎮ 可以看出低密度采样断面图中低阻异常位于正 图 １１ 不同采样密度的超前探测视电阻率等值线拟断面 Ｆｉｇ.１１ Ｐｓｅｕｄｏ－ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ａｐｐａｒｅｎｔ ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ ｉｓｏｌｉｎｅ ｆｏｒ ａｄｖａｎｃｅｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｄｅｎｓｉｔｉｅｓ 前方及偏左方向ꎬ中密度低采样断面图中低阻异常 呈现在正前方一片ꎬ左右对称ꎬ而高密度采样断面图 中低阻异常位于正前方及偏右方向ꎬ中密度采样断 面图中的低阻异常可以较好地涵盖现场实际富水区 分布ꎮ ３ 应用实例分析 按照以上优化的瞬变电磁法发射频率、叠加次 数以及采样密度等参数ꎬ对山西晋城矿区王台铺矿 进行矿井瞬变电磁法超前探测工作ꎬ以准确查明前 方采空区及积水情况ꎮ 超前探测位置位于 ＸＶ３３０８ 工作面的 ３３０８３ 巷 ５００ ｍ 处距离开切眼 ３０ ｍꎬ探 测成果叠加如图 １２ 所示ꎬ图中从蓝色到红色冷色 调到暖色调表示视电阻率不断升高ꎮ 可以看出在 掘进工作面两帮随着距离增大ꎬ出现较大面积的低 阻异常区蓝色ꎬ推断为含水采空区ꎻ而在掘进工 作面前方较近区域存在大范围高阻异常区红色ꎬ 推断为不含水或弱含水采空区ꎮ ８８１ 牟 义等矿井瞬变电磁法参数优化试验及超前探测应用２０２０ 年第 ６ 期 图 １２ 顺层切片叠加及小窑采空区分布 Ｆｉｇ.１２ Ｓｔｒａｔｉｇｒａｐｈｉｃ ｓｌｉｃｅ ｓｔａｃｋｉｎｇ ａｎｄ ｓｍａｌｌ ｋｉｌｎ ｇｏａｆ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ 由图 １２ 可以看出存在明显的 １ 处高阻异常体 和 ２ 处低阻异常体ꎬ且分界面明显ꎬ其与查明的小窑 巷道分布区基本重合ꎮ 后经过矿方打钻验证ꎬ正前 方 ５０ ｍ 之外的高阻异常区见空ꎬ通过钻孔透视发 现ꎬ为小煤窑采空区ꎬ无积水ꎬ后退 ３０ ｍꎬ向右侧帮 １ 处低阻异常区打钻ꎬ打到深度 ３５ ｍ 遇空出水ꎬ水量 较大ꎮ 可以看出ꎬ瞬变电磁法发射频率、叠加次数以 及采样密度优化结果在晋城矿区煤矿应用取得较好 验证效果ꎮ ４ 结论与建议 １矿井瞬变电磁法确定了采用 ６.２５ Ｈｚ 的发射 频率、３２ 次叠加和中密度采集方式的采空区及积水 区超前探测优化参数ꎬ可取得较好探测效果ꎮ ２根据在鄂尔多斯地方煤矿、临汾地方煤矿、 晋煤集团、朔州地方煤矿等井下探测总结的经验ꎬ一 般视电阻率值位于 ３０ Ω􀅱ｍ 以下推断为含水异常ꎬ ３０ Ω􀅱ｍ 以上推断为不含水正常岩层ꎬ更高则推断 为高阻异常ꎮ ３将采集优化参数应用到瞬变电磁法实例中ꎬ 成功发现前方采空区及积水区ꎮ ４本次试验由于防爆仪器本身局限性ꎬ部分常 用参数如发射电流等不能试验ꎬ并且尚未考虑资料 处理过程部分参数如视电阻率系数、深度系数等对 数据曲线的影响ꎬ未来试验中会加大这方面参数的 试验工作ꎮ 致谢感谢晋煤集团技术研究院物探工程分公 司以及煤炭科学技术研究院有限公司安全分院晋城 项目部的各位领导、同事对本次试验的重视和支持 参考文献Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ [１] 申宝宏ꎬ郑行周ꎬ弯效杰.煤矿隐蔽致灾因素普查技术指南 [Ｍ].北京煤炭工业出版社ꎬ２０１５. 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