煤矿采空区瞬变电磁超前探测波场成像研究.pdf

煤炭工程 第 52卷第 2期 COAL ENGINEERING Vol. 52, No. 2 doi 10. 11799/ce202002013 煤矿采空区瞬变电磁超前探测波场成像研究 邱浩心J郝宇军役陈健强MW 1.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京100013； 2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室煤炭科学研究总院，北京100013； 3.北京市煤矿安全工程技术研究中心，北京100013； 4.山西晋煤集团技术研究院有限责任公司，山西晋城048006 摘 要常规井下瞬变电磁超前探测技术存在体积效应，仅能确定富水采空区的方位，难以对 其边界进行精确探测，为了查明朝阳煤矿9101巷道掘进前方的采空区及其富水情况，基于矿井瞬 变电磁超前探测方法，釆用瞬变电磁超前探测波场成像技术进行处理，结果表明，同传统全空间数 据处理视电阻率结果相比，瞬变电磁超前探测波场成像技术能够确定采空区富水边界位置，波场曲 线幅值同含水采空区出水位置对应较好，采空区的富水边界位置同全空间波场成像结果更为吻合。 关键词矿井瞬变电磁法；采空区；富水性探测；波场成像 中图分类号TD745 P631. 1文献标识码A 文章编号1671-0959202002-0056-03 Wave field imaging system in advance detection of watery goaf using mine transient electromagnetic QIU Ha o1,2,3,4 , HAO Yu -ju n4 , Ch en Jia n -qia n g1,234 1. Min e Sa f et y Tec h n o l o gy Bra n c h, Ch in a Co a l Resea rc h In st it u t e, Beijin g 100013, Ch in a； 2. St a t e Key La bo ra t o ry o f Co a l Min in g a n d Cl ea n Ut il iza t io n, Beijin g 100013, Ch in a； 3. Beijin g Min e Sa f et y En gin eerin g Tec h n o l o gy Resea rc h Cen t er, Beijin g 100013, Ch in a； 4. Jin c h en g An t h ra c it e Min in g Gro u p Tec h n o l o gy Resea rc h In st it u t e Co . , Lt d. , Jin c h en g 048006, Ch in a Abstract Tra dit io n a l min e t ra n sien t el ec t ro ma gn et ic a dva n c e det ec t io n t ec h n o l o gy h a s vo l u me ef f ec t . Th e t ec h n o l o gy c a n o n l y det ec t t h e po sit io n o f wa t ery go a f , bu t it is dif f ic u l t t o a c c u ra t el y det ec t t h e bo u n da ry. In o rder t o a c c u ra t el y det ec t t h e dist ribu t io n a n d wa t ery bo u n da ry o f go a f in f ro n t o f 9101 ro a dwa y in Ch a o ya n g Co a l Min e, a dva n c e det ec t io n da t a is pro c essed by wa ve f iel d ima gin g syst em ba sed o n min e t ra n sien t el ec t ro ma gn et ic met h o d. Th e resu l t s sh o we t h a t wa t ery bo u n da ry po sit io n o f t h e wa t ery go a f c a n be del imit ed by t h e wa ve f iel d ima gin g syst em. Th e a mpl it u de o f t h e wa ve f iel d c u rve c o rrespo n ds wel l t o t h e po sit io n o f t h e wa t ery go a f . Bo u n da ry po sit io n o f t h e wa t ery go a f is mo re c o n sist en t wit h t h e wa ve f iel d ima gin g resu l t s. Keywords min e t ra n sien t el ec t ro ma gn et ic met h o d ； go a f； wa t er yiel d pro pert y det ec t io n ； wa ve f iel d ima gin g 近年来，由于我国资源整合矿井不规范生产、 资料缺失等历史遗留问题，导致煤矿在资源整合后 安全生产问题严重。采空区水害作为最主要的水害 类型之一，其在资源整合矿积水分布情况复杂，采 空区的水源和透水方式决定了其具有很强的致灾 性⑴。2018年9月1日起施行的煤矿防治水细 则针对老空水水害的探查、评价和防治制定了多 项条文，在划分矿井水文地质类型时，将矿井及周 边老空水分布状况单独列为一项分类指标，可见其 对煤矿安全生产的威胁程度之大。 目前，井下物探多采用瞬变电磁法、直流电法、 音频电穿透法探测采空区积水情况〔I〕，特别是在 巷道掘进超前探测方面，矿井瞬变电磁法因具有对 低阻体反应敏感、多匝小回线装置轻便高效的优点， 成为最常用的巷道掘进超前探水方法之一，国内专 家学者在对各类方法的理论与应用方面开展了一系 收稿日期2018-11-08 基金项目国家自然科学基金资助项目51704162, 51674142；国家科技重大专项资助项目2016ZX05045001-004 作者简介邱浩1987,男，硕士，助理研究员，从事应用地球物理方向的研究工作，E-ma il qiu h a o geo 163. c o mo 引用格式邱 浩，郝宇军，陈健强.煤矿采空区瞬变电磁超前探测波场成像研究[J].煤炭工程，2020, 522 56-58. 56 2020年第2期 煤炭工程施工技术 列的研究工作“血，但矿井瞬变电磁法受体积效应影 响较大，对于富水异常体的电性界面，特别是巷道 掘进前方采空区的富水边界分辨能力不足，严重降 低了采空区水害的探测预警效果。因此，开展采空 区瞬变电磁超前探测波场成像技术研究，对于提高 采空区水害探测预警的准确性具有重要的实际意义。 笔者针对煤矿井下巷道掘进超前探测方法特点，采 用波场变换数值计算与成像技术进行数据处理，显 著提高了方法的纵向分辨率，确定了巷道掘进前方 采空区的富水边界，可指导煤矿巷道超前探测工作。 1全空间波场变换 瞬变电磁场分量与其相对应的波场之间的数学 积分形式为⑺8） 式中，P（r , ）为瞬变电磁场分量；〃（r , g）为 转换波场分量，与瞬变电磁场时间t对应的变量g为 波场类时间变量，以亦为单位。通过该变换，可以 将瞬变电磁场分量随时间t的衰减曲线转换为波场 随类时间g的传播曲线，所以可以利用地震数据处 理方法来求解转换波场的物性与几何参数⑼间。 将式（1）的积分方程离散化，写成矩阵形式 AU P； U 仙，，,，unY, P （P1,，Pj,，P）T （2） 式中，A为阶矩阵，求解式（2）,即可完 成瞬变电磁扩散场到波动场的转换，矩阵方程式 （2）具有不适定性，可采用正则化、矩阵分解等方 法求解l“J2]o在矿井瞬变电磁探测方法中，瞬变电 磁扩散场的数据P（r, t）的确定需要以下物理量时 间序列数量m；测点个数“瞬变电磁扩散场时间t ; 波场类时间g；垂直感应磁场值B”；感应电动势 （0,由仪器测得；场强H,且垂宜磁场与场强由以 下公式计算得出。 B _“t 2 Sr” 3 4 U（r , g）则可以通过（2）式求解。完成波场变换 后，采用反褶积等地震数据处理方法对转换波场数 据进行处理，得到单位测点压缩后的虚拟波场值, 再进行波场时深转换，利用全空间视电阻率值计算 方法进行全空间波场成像数值计算。具体计算过程 为数据预处理-波场变换-插值圆滑-反褶积一＞ 时深转换。 2采空区超前探测波场成像方法 在井下瞬变电磁超前探测工作中，经过场变换 及波场数据处理，根据地面合成孔径思想，将井下 超前探测每一个探测方向的测点等效为小孔径，对 其进行相关合成，其合成孔径成像公式为 m 2N M 〃‘（r”w，4）殂-忌）（5） i m j 1 式中，合成孔径总长度为2N1；其中irg, 几）为合成孔径处理后mN测点探测的合成信号值; m为起始探测点方向编号；m 2N为终止探测测点 方向编号；M指单一方向测点重复探测次数；为 相关系数；U（r；, 为r,探测测点第j次测量时的 波场值；为权系数取极值时的时移量。 在井下掘进巷道超前探测中，各个探测测点方 向上波场变换信号间的相关程度可通过相关系数来 衡量，相关系数与相关性评价见表1。 表1相关系数与相关性评价表 相关系数相关性 0.0-0. 2极弱相关或无相关 0.2-0. 4弱相关 0.4-0. 6 中等程度相关 0.6-0. 8强相关 0.8-1.0极强相关 3工程实例 朝阳煤矿9号煤层局部存在采空区，为了查明9 号煤层9101巷道218m处掘进前方可能存在的采空 区及其富水边界，采用矿井瞬变电磁法进行超前探 测，并采用波场成像技术进行数据处理，综合分析 采空积水区及富水边界，为巷道安全掘进提供指导。 3.1探测方案 根据总结以往试验成果，设计如下探测方案 采用重叠回线装置，收发线圈边长2m,发射电流 3.5A,巷道线圈布置与探测方向如图1所示，探测 线圈法线方向即为探测方向，在巷道掘进前方布置 0180共计14个方向的测点，从左侧180。方向至 右侧0。方向对应1 14号测点。 3.2成果分析 9101巷超前探测视电阻率如图2所示，由传统 视电阻率等值线断面图可知，在巷道掘进前方85。 57 施工技术煤炭工程 2020年第2期 135。方向，对应49号测点探测方向，深度40 60m范围岀现1处低阻异常区域，相对视电阻率阻 值低于30Q m,区域呈现低阻特征，由浅部向深 部扩张，由于体积效应，图2中30-60m位置低阻 区域边界不能解释为巷道富水区域的实际边界； 距离/m 巷道迎头 0 -100 -80 -60 -40 -20 视电阻率 /Q m ■ 150 I 125 1100 175 |50 图2 9101巷超前探测视电阻率等值线断面图 9101巷超前探测波场如图3所示，同地震数据 解释方法类似，在图3中510号测点深度35 45m 范围、57-65m范围可发现两个较为明显的电性界 面，见矩形区域，其中在37m、71m处波场曲线振 幅相对较强，连续且振幅较强的波场曲线同相轴可 解释为巷道富水区域的实际边界，与图2中低阻异 常区域对应的5-8号方向测点岀现的低阻异常区域 对应，推断该位置为巷道掘进前方采空区实际富水 图3 9101巷超前探测波场成像 边界，经钻探验证，在巷道掘进前方105。方向水平 布置钻孔，在孔深38m处出水，出水量7m3/h,钻 探结果表明波场曲线振幅较强位置深度同采空区富 水边界位置对应较好，采空区富水边界深度位置同 超前探测波场成像结果更为吻合。 4结论 1 同传统全空间数据处理视电阻率结果相比， 瞬变电磁超前探测波场成像技术能够确定采空区富 水边界具体位置。 2 波场曲线幅值同含水采空区出水位置对应较 好，采空区富水边界位置同超前探测波场成像结果 更为吻合，煤矿采空区瞬变电磁超前探测波场成像 可应用于巷道掘进前方采空区富水边界的探测工作。 参考文献 [1] 李文.煤矿采空区地面综合物探方法优化研究[J].煤炭 科学技术，2017, 451 194-199. 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