煤矿井下孔中直流电法超前探测数值模拟研究.pdf
第4 2卷 第2期 2 0 2 0年3月 物探化探计算技术 C OMP UT I NGT E CHN I QU E SF O RG E O P HY S I C A LAN DG E O CHEM I C A LE X P L O RAT I ON V o l . 4 2 N o . 2 M a r . 2 0 2 0 收稿日期2 0 1 8 1 1 0 5 基金项目中煤科工集团自筹资金项目(2 0 1 8-T D-QN 0 5 5) 第一作者刘磊(1 9 8 8-) , 男, 硕士, 助理研究员, 主要研究方向为煤矿井下电法勘探,E m a i l c h d l i u l e i @1 6 3. c o m。 文章编号1 0 0 1 1 7 4 9( 2 0 2 0)0 1 0 2 3 9 0 5 煤矿井下孔中直流电法超前探测数值模拟研究 刘 磊,范 涛,李博凡 ( 中煤科工集团西安研究院有限公司, 西安 7 1 0 0 7 7) 摘 要为解决煤矿井下独头巷道超前探测问题, 对层状介质下钻孔内供电、 接收工作模式三维 直流超前探测模型, 采用有限单元法进行了数值模拟。结果表明, 钻孔内供电并接收, 极大提高 了异常幅度, 简化了视电阻率曲线与异常的对应关系, 极大提高了对未知致灾隐患的探查能力。 关键词超前探测;有限元方法;孔内供电;孔内接收 中图分类号P6 3 1. 3 文献标志码A 犇 犗 犐 1 0. 3 9 6 9/ j . i s s n . 1 0 0 1 1 7 4 9. 2 0 2 0. 0 2. 1 3 0 引言 直流电法超前探测作为一种常规的煤矿井下巷 道超前探查方法已经运用多年。虽然地面直流电法 探查理论已比较成熟, 模拟手段多种多样, 但对于独 头巷道/隧道超前探测实际问题, 目前仍没有被普遍 认可的解决方式。对于该问题进行细致研究的学者 也较多, 分别从工程运用和数值模拟规律研究方面 得出了较多的规律认识[ 1-2], 但问题并未得到合理 解决。为提高超前探测的异常幅度和探测距离, 张 力等[ 3]利用同极性电流互斥的原理采用同极性电极 组的形式将电流‘ 驱赶’ 到迎头更前方, 事实证明效 果有限; 王运斌[ 4]对钻孔中布置电极探测前方板状 体进行了简单讨论。直接在钻孔中进行探查的研究 文献相对较少, 且主要集中于地面垂直钻孔跨孔透 视方面, 文献[ 5-7] 从工程运用角度对跨孔直流电 法的实际作用进行了多方面阐述。高级等[ 8]对地- 孔联合高密度三维工作方式进行了正反演研究, 采 用钻孔进行深度约束后, 反演精度得到较大提升; 张 平松等[ 9]首次将孔中直流电法透视运用到煤矿井下 进行顶板垮落监测, 为井下孔中直流电法探测的研 究提供了新思路。巷道超前探测受施工条件限制, 多钻孔进行孔中透视的方法无法实现, 必须探索基 于单个钻孔的探测新模式。无论采取何种方式, 模 型固定条件下, 减小异常与供电和接收点距离是从 本质上提升异常幅度的方法, 将供电、 接收电极都安 置于超前钻孔中, 电极布置如图1所示。 地面浅层钻孔极少穿过不同地层, 异常体背景 介质一般为均匀第四系覆盖层, 探测极距变化时背 景介质对测量信号影响不变。在含煤地层中, 煤层 顶、 底板一般为泥岩或砂岩, 电阻率与煤层相差较 大, 增大极距时, 盖层和下伏地层均会对测量信号产 生渐变影响, 异常可能淹没于渐变背景。笔者对层 状介质下两种简单的模型进行模拟, 计算对应模型 视电阻率, 为实现单孔超前探测提供一种解决思路。 1 孔中直流电法数值模拟研究 均匀全/半空间球体异常和层状介质直流电法 数值模拟有比较明确的解析/递推公式, 能比较方便 地研究模型与接收电压数据变化关系。层状模型需 采用数值模拟研究方法。均匀介质能较好反映异常 体对总体信号的影响, 定量评价探测方法的可靠性; 图1 孔中高密度直流电法电极布置示意图 F i g . 1 S c h e m a t i cd i a g r a mo fh i g hd e n s i t yD C e l e c t r o d e l a y o u t i nh o l e s 图2 全空间模拟陷落柱位置 F i g . 2 P o s i t i o no f c o l l a p s ec o l u m n i nw h o l es p a c e 层状介质贴近探测环境实际, 为实测数据解释提供 更可靠依据。为全面分析规律, 进行三维模拟之前, 先对全空间模型进行研究, 获得全空间模型结果后 进行分析, 以此为基础对层状介质下的异常模型进 行进一步研究。陷落柱和采空巷道是工作面开采与 巷道掘进中常见的异常现象, 分别以二者为例研究 孔中探测方法对于不同模型的探测效果。 1. 1 全空间模型下的数值模拟研究 1. 1. 1 模型1全空间背景下的陷落柱模拟 全空间背景电阻率设定为1 0 0Ωm, 异常体电 阻率为1 0Ωm, 以孔口为坐标原点, 钻进方向为狓 轴, 钻孔径向为狔轴, 陷落柱狓方向范围4 0m~6 0 m,狔方向范围5m~1 5m,狕方向范围-3 0m~3 0 m, 异常体平面位置示意图如图2所示, 钻孔深度 1 0 0m, 孔中电极编号1-2 1, 电极间距5m,1号电 极位于钻孔开孔处。 采用三极AMN装置工作,犃极供电时所有电 极接收。全空间条件下点电极供电球状异常体的异 常电位计算公式为 犝=犐 ρ1 4 π[ 1 犚 +∑ 0 ( ρ 2-ρ1)狀 ρ1狀+ρ 2(狀+1) 狉 2狀+ 1 0 犱 狀+ 1 狉 狀+ 1犘狀( c o sθ) ] ( 1) 式中 ρ 1、 ρ 2分别为全空间介质和异常体电阻率;犱 为供电点与球心距离; 狉为接收点与球心距离;犚为 供电点与接收点之间的距离;犘狀为狀阶勒让得函 数, 分别计算犕、犖处的电位可得到电位差。 在孔深0m、 2 0m、4 0m、6 0m、8 0m、1 0 0m, 得 到的电位差曲线如图3所示。从图3中可以看出, 图3 全空间下不同电极供电电位差曲线 F i g . 3 P o t e n t i a l d i f f e r e n c ec u r v e so fd i f f e r e n t e l e c t r o d e su n d e r f u l l s p a c e 图4 全空间下不同电极供电视电阻率曲线 F i g . 4 R e s i s t i v i t yc u r v e so fd i f f e r e n t e l e c t r o d e s i nt h ew h o l es p a c e 电位差数值随着与供电位置距离变大逐渐衰减, 无 法直观反映陷落柱的位置。根据视电阻率的定义公 式 ρ 狊=犓 Δ犝 犐 ( 2) 式中犓为三极装置系数; Δ犝是犕、犖之间的电位 差, 将电位差曲线转换为视电阻率曲线, 0m、2 0m、 4 0m处供电时得到的视电阻率曲线如图4所示。 从图4可以看出, 供电位置不同得到的视电阻率曲 线形态有较大差别, 随着供电位置靠近异常体, 视电 阻率曲线极小值位置略微有变化, 异常幅度逐渐增 大, 最大异常幅度可达3 0%以上, 相比在巷道中接 收情况, 异常幅度已有极大提高。 对电位差数据进行视电阻转换,犕、犖中点对应 该值的横向位置, 0. 4倍接收极距对应该值的径向 位置进行常规高密度处理, 得到陷落柱在钻进方向 和径向的位置, 处理结果如图5所示。图5给出了 实际模型与反演结果的对比, 孔中高密度测量方法 042 物探化探计算技术4 2卷 图5 全空间陷落柱反演结果模型对比 F i g . 5 C o m p a r i s o no f i n v e r s i o nm o d e l s f o r c o l l a p s i n g c o l u m n s i nw h o l es p a c e 图6 全空间模拟采空巷道位置示意图 F i g . 6 S k e t c hm a po fg o a f l o c a t i o n i nf u l l s p a c es i m u l a t i o n 图7 全空间采空巷道模型反演结果 F i g . 7 I n v e r s i o nr e s u l t so fg o a f r o a d w a y m o d e l i nw h o l es p a c e 在横向( 钻杆径向) 上分辨良好, 清楚反映了陷落柱 边界, 在纵向上, 深度由极距简单估算得到, 未能反 映陷落柱径向边界。背景与异常体区分十分明显。 1. 1. 2 模型2 全空间背景采空巷道模型 采空巷道是工作面开采常见现象。与陷落柱平 面等轴形态不同, 采空巷道宽度有限, 延伸方向具有 一定长度, 方向与钻孔方向夹角决定了探测结果的 好坏, 当巷道与钻孔垂直时, 探测效果最为明显。巷 道宽度5 m, 与孔口距离7 0 m( 图6) 。 对巷道模型进行数值模拟, 接收电压曲线与陷 落柱类似, 无法直接分辨, 视电阻率曲线上, 视电阻 率极小值与模型横向位置对应更精确, 形态基本一 致, 对数据进行成像, 结果如图7所示。 低阻采空巷道反演结果与模型基本一致, 在径 向深度方向上, 成像结果相对较差, 未能精确反映模 型真实位置。 1. 2 孔中直流电法超前探测数值模拟研究 全空间模型对于揭示模型与数据的对应关系有 较大帮助, 有助于根据现象分析本质规律, 真实探测 是在层状模型的背景下, 三维模型只能采取数值计算 方法获得模拟数据, 直流电法满足的边值问题为[ 1 0] 图8 层状介质三维剖分模拟示意图 F i g . 8 S k e t c hm a po f t h r e ed i m e n s i o n a l s u b d i v i s i o no f l a y e r e dm e d i u m 图9 层状介质陷落柱模型反演结果 F i g . 9 I n v e r s i o nr e s u l t so f c o l l a p s ec o l u m n i n l a y e r e dm e d i a (σ狌)=- 犐 δ ( 犃) ( 3) 给定模型参数, 求解式( 3) 对应的边值问题 [1 1], 得到节点电位, 即可进行电流场分布规律研究。本 文模拟中, 模型离散采用均匀正六面体网格, 网格尺 寸4m, 狓、狔方向网格个数均为1 0 0,狕方向网格个 数5 0个, 模型网格剖分如下图所示, 以模型中心为 坐标原点, 模型剖分示意图如图8所示。 通过六面体网格的剖分, 在网格处填充不同的 电阻率值, 可构建不同的地质模型进行模拟。 1. 2. 1 模型1层状介质陷落柱模拟 层状模型中, 煤层顶板盖层、 底板下伏地层与煤 层在电阻率上有较大差异。煤层一般表现为高阻性 质, 顶、 底板岩性一般为泥岩、 砂泥岩或砂岩, 电阻率 较低, 在层状介质模型中( 图8) , 煤层厚度为1 0m, 电阻率为10 0 0Ωm, 上覆岩层与下伏地层厚度为 1 0 0m, 电阻率为1 0 0Ωm, 陷落柱规模2 0m2 0 m6 0m, 电阻率为1 0Ωm, 采用三极装置进行高 密度采集, 即每个电极均作为供电电极一次, 将模拟 数据进行视电阻率转换, 计算得到的剖面图见图9。 图9展示了层状介质下陷落柱模型的电阻率断面图 结果, 在径向0m~5m深度范围内, 电阻率值较 高, 小极距时测量结果主要反映煤层电阻率, 随着极 1422期 刘 磊,等 煤矿井下孔中直流电法超前探测数值模拟研究 图1 0 全空间采空巷道模型反演结果 F i g . 1 0 I n v e r s i o nr e s u l t so fg o a f r o a d w a ym o d e l i n l a y e r e dm e d i a 距增大, 低阻陷落柱异常逐渐显现, 视电阻率断面图 异常中心与模型中心吻合, 但形态有较大差异, 总体 上能确定陷落柱的大致位置。层状介质陷落柱模型 模拟结果表明, 采用孔中径向探测的方法, 对于探明 异常体的位置效果显著, 相比巷道中测量的方式, 解 释成果有了极大提高。 1. 2. 2 模型2层状介质采空巷道模拟 图9给出了陷落柱模型的模拟结果, 层状模型 下陷落柱的反映不如全空面显著, 但依旧能反映异 常体的真实位置, 陷落柱一般具有一定规模, 容易分 辨, 而采空巷道的规模一般为3m~5m, 对小规模 的异常模型进行模拟能更彻底地检验方法的合理性 和可靠性。煤层、 上覆地层、 下伏地层电阻率维持与 陷落柱模型一致, 巷道宽度与高度均为5m, 巷道走 向与钻孔钻进方向垂直, 位置与全空间巷道模型一 致, 采用三极装置进行高密度模式观测, 并对数据进 行视电阻率转换, 得到断面图结果见图1 0。从图1 0 可以看出, 层状介质下, 相同规模的巷道异常体相比 于全空间模型, 探查结果并不十分明显, 由异常体引 起的异常幅度‘ 淹没’ 在由极距变化带来的顶、 底板 影响中, 顶、 底板的影响对于实际异常的发现十分不 利。 2 单钻孔透视运用实例 数值模拟研究规律表明, 在均匀背景介质中, 采 用单孔探测方式可以对异常在钻孔钻进方向和钻孔 径向进行较为准确定位。 3 3 0 2工作面在开采前进行工作面内部构造探 查时揭露了一个长轴大小为6 5m, 短轴为4 5m的 陷落柱, 为保障开采安全, 工作面回采时预留长度为 1 0 0m, 宽度为9 0m的保护煤柱。由于陷落柱靠近 3 3 0 2工作面巷道,3 3 0 3工作面回采扰动可能导致陷 落活化透水, 为保障开安全, 在陷落柱边界外5m 施工一个深度为1 2 0m, 倾角为2 6 o, 钻孔轨迹水平 图1 1 孔中直流电法陷落柱探查结果 F i g . 1 1 D e t e c t i o nr e s u l t so f s u b s i d e n c ec o l u m n b yD Cm e t h o d i nb o r e h o l e 投影平行于长轴的底板倾斜钻孔, 采用三极供电装 置获得观测数据, 数据处理后结果如图1 1所示。图 1 1给出了单孔径向探测的结果。从探测结果来看, 探测结果对陷落柱有较为明显的反映。但对比数值 模拟结果, 成像效果准确度大大降低。差异主要由 三方面构成①由于井下环境干扰导致数据精度下 降;②仪器设备本身供电电流微弱, 测量数据只能反 映大致规律;③实际探查背景远比全空间/层状介质 复杂。 3 结论 1) 采用孔中供电接收的侧向探测方式, 异常体 具有更大幅度的异常, 大大增加了探测结果的可靠 性。 2) 孔中观测方式情况下, 接收数据对异常体的 横向位置( 钻进方向) 定位准确, 对径向定位相对较 差, 异常形态与模型有较大差距, 但异常中心与模型 中心大致吻合。 3) 全空间模型下异常体的规律更加明显, 而层 状介质下由于极距增加导致煤层顶、 底板影响逐渐 增强, 在径向方向上, 背景电阻率值逐渐降低, 真实 异常体的异常幅度叠加在非均匀背景之上。 4) 实际探查实例说明了单钻孔探测孔旁异常的 可能性, 探查结果对异常体具体位置的确定并不十 分明显, 需要进一步采取反演解释方法。 参考文献 [1] 黄俊革, 鲍光淑, 阮百尧.坑道直流电阻率测深异常研 究[J].地球物理学报, 2 0 0 5,4 8(1) 2 2 2-2 2 8. 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H o u s e,1 9 9 4.(I nC h i n e s e) 犖 狌 犿 犲 狉 犻 犮 犪 犾 狊 犻 犿 狌 犾 犪 狋 犻 狅 狀狅 犳犪 犱 狏 犪 狀 犮 犲 犱犱 犲 狋 犲 犮 狋 犻 狅 狀犫 狔犱 犻 狉 犲 犮 狋 犮 狌 狉 狉 犲 狀 狋犿 犲 狋 犺 狅 犱 犻 狀犫 狅 狉 犲 犺 狅 犾 犲狅 犳 犮 狅 犪 犾犿 犻 狀 犲 L I UL e i,F ANT a o,L IB o f a n (X i ' a nR e s e a r c hI n s t i t u t eo fC h i n aC o a lT e c h n o l o g y& E n g i n e e r i n gG r o u pC o r p,X i' a n 7 1 0 0 7 7,C h i n a) 犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋I no r d e r t os o l v et h ec o a lm i n ea d v a n c e dd e t e c t i o np r o b l e mi nr o a d w a y,t h e l a y e r e dm e d i as i m u l a t i o nu n d e r t h e p o w e r s u p p l ya n dr e c e i v i n g i nt h eb o r e h o l ew a sc a r r i e do u tb yt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o di nt h i sp a p e r .T h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a t t h ep o w e r s u p p l ya n dr e c e i v e d i n s i d e t h eh o l eg r e a t l y i m p r o v et h ea b n o r m a l a m p l i t u d e,s i m p l i f i e st h ec o r r e s p o n d i n g r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea p p a r e n t r e s i s t i v i t yc u r v ea n da b n o r m a l,g r e a t l y i m p r o v e t h ea b i l i t yo fd e t e c t i o nt ot h eu n k n o w nd a n g e r . 犓 犲 狔 狑 狅 狉 犱 狊a d v a n c e dd e t e c t i o n;f i n i t ee l e m e n tm e t h o d;p o w e rs u p p l y i nh o l e;r e c e i v e i nh o l e 3422期 刘 磊,等 煤矿井下孔中直流电法超前探测数值模拟研究