瞬变电磁法在探测采空区中的应用_孙英峰.pdf
Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 瞬变电磁法在探测采空区中的应用 孙英峰 1, 2, 3, 罗 霄 4, 5,高艺瑞1, 王朋朋1, 董川龙1, 贺永昌6 (1.中国矿业大学 (北京) 能源与矿业学院, 北京 100083; 2.中国矿业大学 (北京) 应急管理与安全工程学院, 北京 100083; 3.共伴生能源精准开采北京市重点实验室, 北京 100083; 4.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院, 北京 100013; 5.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;6.山西乡宁焦煤集团, 山西 乡宁 042100) 摘要 为了研究运用瞬变电磁法探测兼并重组整合矿井采空区的方法, 在研究瞬变电磁法探 测技术原理和对背景噪声进行调查的基础上, 采用瞬变电磁法分别对通合 2 号煤层工业广场和 生产区的采空区进行了探测研究。通过数据解释, 结果表明, 在工业广场存在 3 处采空破坏异常 区, 在生产区存在 8 处采空区。 关键词 瞬变电磁法; 整合矿井; 采空区; 工业广场; 生产区 中图分类号 TD163.1文献标志码 B文章编号 1003-496X (2020 ) 03-0157-07 Application of Transient Electromagnetic in Detection of Goaf SUN Yingfeng1, 2, 3, LUO Xiao4,5, GAO Yirui1, WANG Pengpeng1, DONG Chuanlong1, HE Yongchang6 (1.School of Energy and Mining Engineering, China University of Mining and Technology(Beijing) , Beijing 100083, China; 2.School of Emergency Management and Safety Engineering, China University of Mining and Technology(Beijing) , Beijing 100083, China;3.Beijing Key Laboratory for Precise Mining of Intergrown Energy and Resources, China University of Mining and Technology(Beijing) , Beijing 100083, China;4.Safety Institute of China Coal Research Institute, Beijing 100013, China; 5.State Key Laboratory of Coal Resource High Effective Mining & Clean Utilization (China Coal Research Institute) , Beijing 100013, China; 6.Shanxi Xiangning Coking Coal Group, Xiangning 042100, China) Abstract To study the of using transient electromagnetic to detect the goaf of the integrated mine, on the basis of studying the principle of transient electromagnetic and investigating the background noise, the goaf in the industry square and the production area in Tonghe No.2 coal seam are detected by transient electromagnetic , respectively. Through data interpretation, the results indicate that there are three broken regions of goaf in the industry square and eight broken regions of goaf in the production area. Key words transient electromagnetic ; integrated mine; goaf; industry square; production 我国采煤历史悠久, 新中国成立前后, 各地小煤 窑层出不穷, 私挖滥采严重, 在加之采矿工艺落后, 产生了大大小小的采空区,而且分布也较广,这些 采空区大都不会记载下来[1], 由于采后对采空区没 有及时处理,导致采空区积水严重,如果在后续采 掘中,没能对这些老空区进行详细的勘探,极有可 能导通老空区积水,引发矿井透水事故,严重威胁 着我国高产高效矿井的建设与发展[2]。目前采空区 常用的探测方法有物理探测和钻孔探测,采用钻孔 对采空区进行探测,需要布置大范围、高密集度的 勘探孔, 需要投入大量的人力, 而且钻探周期长, 钻 探量大, 成本较高, 相对钻孔探测, 物探技术成本相 对较低、 工作效率高、 对地质适应强, 其中物理探测 包括高密度电阻率法、 地震法、 瞬变电磁法、 放射性 勘探、微重力勘探等,各种方法在探测手段和精度 上各有优缺点[3]。其中瞬变电磁勘探法主要反映响 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.03.035 孙英峰, 罗霄, 高艺瑞, 等.瞬变电磁法在探测采空区中的应用 [J] .煤矿安全, 2020, 51 (3) 157-163. SUN Yingfeng, LUO Xiao, GAO Yirui, et al. Application of Transient Electromagnetic in Detection of Goaf [J] . Safety in Coal Mines, 2020, 51 (3) 157-163. 基金项目 中国博士后科学基金资助项目 (2018M641526) 移动扫码阅读 157 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 应随时间变化的关系,是属于时间域的,简称为 TEM,它接受的信息是建立的一次脉冲磁场间歇期 间导电体中感应电流产生的随时间变化的感应电磁 场[4]。牟铁超[5]研究了复杂地形对瞬变电磁法勘探地 形的影响,通过地形校正和工作参数校验,对铁峰 煤矿井田范围内采空区位置及范围进行了探测, 并 经钻孔勘探对瞬变电磁法勘探成果进行了验证。王 德阳[6]从麦克斯韦尔方程出发, 得到了水平层状大 地磁偶极源和中心回线电磁响应公式,基于此对一 维采空区模型进行正演模拟,讨论了瞬变电磁对采 空区及积水采空区的响应情况,分析了煤层采空区 的实际状态。杨增林[7]以瞬变电磁法为基础, 通过对 其成像的基本理论和数学变换方法等进行研究, 建 立了理论模型并得到了很好的效果,然后将上述理 论成果应用于陕北某矿区的采空区分布状况的探测 中, 分析三维成像结果。王伟都[8]使用大定源装置对 瞬变电磁法进行了一维正演,并利用烟圈反演对一 维正演的结果进行反演,分析各个模型的似电阻率 和视深度的相互关系,研究烟圈反演成果的特点, 最后结合瞬变电磁法与三维激光扫描模型形成了煤 矿采空积水区的立体模型。李飞等指出矿井瞬变电 磁法探测中存在电阻率偏低问题,并进一步分析电 阻率偏低的原因, 提出了电阻率校正方法[9-11]。李凯 等[12-13]基于瞬变电磁法对矿山异常含水地质体、 采 空区响应特性与探测进行了相关的研究。近年来, 众多学者对小回线瞬变电磁法进行了大量探索, 特 别是在矿井瞬变电磁法探测理论、技术方法和资料 处理解释[14-19]等方面取得了重要成果。 1矿井概况 山西乡宁焦煤集团通合煤矿位于乡宁县枣岭乡 可涧村,属乡宁县枣岭乡管辖。山西乡宁焦煤集团 通合煤业有限公由原山西乡宁长咀湾煤业有限公 司、 原山西乡宁可涧煤业有限公司、 原山西乡宁贾坪 煤业有限公司、原山西乡宁周家山煤业有限公司及 新增资源区兼并重组整合而成,重组整合矿井面临 的安全开采问题就是异常采空区,由于采矿历史原 因,矿区内的老矿井和小窑在开采过程中极有可能 留下异常老空区。经地质调查发现整合矿井内有 2 处小窑, 小窑 1 为私人煤矿, 位于可涧村一带, 小煤 窑 2 为村办煤矿, 位于可涧村一带。 井田位于河东煤田南缘,主要含煤地层为二叠 系下统山西组、石炭系上统太原组和石炭系中统本 溪组, 勘探目标煤层 2 号煤层, 2 号煤层位于山西组 中下部,下距 10 号煤层 35.27~54.97 m,平均距离 41.69 m。平均标高 682 m。煤层厚度 5.40~7.48 m, 平均 6.53 m。含 0~3 层夹石, 结构简单-较简单。顶 板一般为粉砂岩或中粒砂岩, 偶为细粒砂岩或泥岩。 底板为泥岩或粉砂岩, 偶为细粒砂岩或石英砂岩。 2瞬变电磁法探测方法 2.1瞬变电磁法探测技术原理 瞬变电磁法的原理是电磁感应定律。向待测地 质体发射脉冲磁场,利用接地电极观测涡流的探测 方法。它的工作原理具体如图 1。 式 (1 ) 表述了视电阻率与磁导率、 发射框匝数、 衰减时间等参数之间的关系。 ρt μ0 4πt 2μ0SNsn 5t (V/I) [] 2/3 (1) 式中 ρt为视电阻率; μ0为磁导率; S 为发射框 的面积; N 为发射框匝数; s 为接收框面积; n 为接收 框匝数; t 为衰减时间; V/I 代表的是归一化的二次 场感应电压。 “烟圈” 沿倾斜锥面向下的传播速度 v 2ρ■ πμ0t ■ (2) 式中v 为传播速度; μ0为磁导率; t 为衰减时 间; ρ 为电阻率。 2.2勘探区噪声调查 物探工作开展前完成勘探区背景场测量是非常 必要的,按基本均匀分布的原则在勘探区进行了背 景场调查。 勘探区噪声 (背景) 调查表见表 1。 由表 1 可以看出,测区内一般情况下电磁噪声都在 1.83 10-9V/ (A m2) 以下, 只有个别点超出这个范围, 因 此本工区电磁背景场值为 1.8310-9V/ (A m2) 。 2.3物探测线布置 图 1TEM 工作原理 Fig.1Working principle of TEM 158 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 测量仪器采用南方灵锐 S-82 双频 GPS(11 3) 定位仪及其配套设备。 所有物理点均采用 RTK 动 态实时定位。 工业广场勘探区面积约 0.16 km2, 瞬变 电磁探测工程测网布置为 20 m10 m 的网度, 共布 设扫面测线 17 条。工业广场物探工程量统计见表2。 生产区勘探面积约 1.43 km2,瞬变电磁探测工 程测网布置为 40 m20 m 的网度, 共布设扫面测线 32 条。生产区物探工程量统计见表 3。 3瞬变电磁探测结果解释 3.1工业广场采空区瞬变电磁探测结果解释 3.1.1工业广场断面解释 660 线 TEM 视电阻率断面图如图 2。从横向上 看, 190~260 点之间 TEM 视电阻率呈现为低阻异常 特征,结合已知资料以及野外地质调查结果推断 190~260 点异常为 2 号煤采空破坏引起的。 600~680 点之间 TEM 视电阻率呈现为低阻异常特征, 根据已 知资料及野外地质调查结果推断, 600~680 点异常 为 2 号煤采空破坏引起的。820~870 点之间 TEM 视 电阻率呈现为低阻异常特征,根据已知资料及野外 地质调查结果推断, 820~870 点异常为 2 号煤采空 破坏引起的。900~960 点之间 TEM 视电阻率呈现为 低阻异常特征,根据已知资料及野外地质调查结果 推断, 900~960 点之间异常为 2 号煤采空破坏引起 的。1 030~1 070 点 TEM 视电阻率呈现为低阻异常 特征, 根据已知资料及野外地质调查结果推断, 1 030~1 060 点异常为 2 号煤采空破坏引起的。 680 线 TEM 视电阻率断面图如图 3。从横向上 看, 200~270 点之间 TEM 视电阻率呈现为低阻异常 施工方法坐标点检查点合计 测量1 843601 903 TEM 扫面1 843581 901 点号x 坐标y 坐标平均噪声/ (V A-1 m-2) 13 962 263.37019 429 206.0691.3410-9 23 962 198.23219 469 384.3738.5910-9 33 962 231.09919 469 227.6691.0110-9 43 962 205.15219 469 293.1557.2910-9 53 962 200.01919 469 321.4916.2910-9 63 962 168.05419 469 406.2762.4510-9 73 962 156.35719 469 443.7393.0910-9 83 962 138.22119 469 490.9843.3410-9 93 962 124.11019 469 527.5014.5410-9 103 962 111.25819 469 566.1542.0810-9 113 962 076.16819 469 660.2691.6310-9 123 962 019.08919 469 818.8522.2210-9 133 962 005.30919 469 857.4398.2710-9 143 961 977.63219 469 932.2221.3410-9 153 961 957.52219 469 988.6222.3310-9 163 961 936.52319 470 045.7161.0110-9 173 961 915.65319 470 101.3611.9310-9 183 962 215.33019 469 220.4661.4010-9 193 962 160.61119 469 371.0651.6110-9 203 962 140.05419 469 427.1481.1010-9 213 962 099.21919 469 540.0641.4310-9 223 962 065.14019 469 634.0413.5910-9 233 962 034.05219 469 718.5175.4910-9 243 961 996.51119 469 821.9102.1510-9 253 961 972.46819 469 887.6912.6810-9 263 961 924.87919 470 019.3842.4210-9 273 961 904.99619 470 074.9287.6710-10 283 962 189.79419 469 232.6076.8510-10 293 962 149.56219 469 345.3782.9610-9 303 962 139.10419 469 373.4091.6210-9 313 962 073.75419 469 551.7151.0310-9 323 962 044.03819 469 636.0682.1210-9 333 961 889.12519 470 059.6402.3510-9 343 962 106.30619 469 404.3731.2910-9 353 961 928.20619 469 892.7031.5410-9 363 962 031.88419 469 547.4803.2210-9 373 961 964.05119 469 736.0575.4210-9 383 961 905.94119 469 895.2614.1210-9 393 962 140.10119 469 193.6171.1210-9 403 962 058.14519 469 418.8621.5210-9 均值1.8310-9 施工方法坐标点检查点合计 测量1 843601 903 TEM 扫面1 843581 901 表 1勘探区噪声 (背景) 调查表 Table 1Survey of noise background in exploration area 表 2工业广场物探工程量统计表 Table 2Statistics of geophysical detection in industry square 表 3生产区物探工程量统计表 Table 3Statistics of geophysical detection in production area 坐标位置 图 2660 线 TEM 视电阻率断面图 Fig.2TEM apparent resistivity section of line 660 159 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 特征,结合已知资料以及野外地质调查结果推断 200~270 点异常为 2 号煤采空破坏引起的。根据已 知资料及野外地质调查结果推断, 420~480 点呈现 的 TEM 视电阻率低阻异常是因为 2 号煤采空破坏 所引起的; 550~630 点之间呈现的视电阻率异常是 因为 2 号煤采空破坏造成的。基于已知资料及野外 地质调查结果,推断可知 670~720 点之间呈现的低 阻异常特征是因为 2 号煤采空破坏所引起的。低阻 异常特征在 780~820 点之间 TEM 视电阻率上有所 显现,根据已知资料及野外地质调查结果推断, 780~820 点之间异常为 2 号煤采空破坏引起的。低 阻异常特征在 930~980 点之间的 TEM 视电阻率上 亦有所显现,根据已知资料及野外地质调查结果推 断, 930~980 点之间异常为 2 号煤采空破坏引起的。 在 660 线和 680 线 TEM 视电阻率断面等值线图上, 采空 (破坏) 区引起异常区具有较好的相关性, 数据 处理的一致性较好。 3.1.2工业广场平面解释 在平面上将全区各个断面 2 号煤推断的异常汇 总在一起, 得到的全区 TEM 各断面 2 号煤推断异常 平面展布图如图 4。 将 2 号煤 TEM 各断面异常与底板等高线切片 平面等值线图进行叠加, 得到 TEM 各断面异常与视 电阻率平面等值线的叠合图如图 5。 3.1.3工业广场采空破坏异常区推断解释 将 TEM 断面探测的 2 号煤异常区展开, 映射到 同一个平面上, 形成 TEM 各断面 2 号煤异常平面展 布图。 利用 TEM 各断面 2 号煤异常与 2 号煤层顺层 切片视电阻率等值线平面叠合图,并结合了矿方给 定的地质资料、 钻孔资料、 采掘工程图及相关地质勘 查资料,依据采矿工程相关规律,推断解释物探结 果,将勘探区划分并圈定了 3 处异常区分别为 CKQ-1、 CKQ-2、 CKQ-3,工业广场 2 号煤采空破坏 异常区平面图如图 6, 推断为 2 号煤层采空破坏引起。 采空异常区 CKQ-1 位于勘探区西部,面积约 12 442 m2; 采空异常区 CKQ-2 位于勘探区中部, 面 积约 38 603 m2;采空异常区 CKQ-3 位于勘探区东 部面积约 33 409 m2, 工业广场 2 号煤层物探异常区 汇总表见表 4。 3.2生产区采空区瞬变电磁探测结果解释 3.2.1生产区断面解释 TEM 拟视电阻率断面图如图 7。 1340 线 TEM 拟视电阻率断面图 (图 7 (a) ) 横向 上看, 700~950 点之间 TEM 拟视电阻率呈现为低阻 异常特征,结合已知地质资料以及野外地质调查结 图 3680 线 TEM 视电阻率断面图 Fig.3TEM apparent resistivity section of line 680 图 4工业广场 TEM 各断面 2 号煤推断异常平面展布图 Fig.4TEM inferred anomalies layout in No.2 coal seam at each section in industry square 图 5工业广场 TEM 各断面 2 号煤异常与 2 号煤层底板 等高线切片视电阻率平面等值线叠合图 Fig.5Overlap diagram of TEM apparent resistivity anomalies plane and floor contour section in No.2 coal seam in industry square 图 6工业广场 2 号煤采空破坏异常区平面图 Fig.6Plan of anomaly area caused by goaf in No.2 coal seam in industry square 坐标位置 160 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 相关地质勘查结果推断, 1 080~1 180 点、 1 230~1 510 点、 1 560~1 680 点以及 1 760~1 850 点之间异常均 为 2 号煤采空破坏引起的。 1300 线 TEM 拟视电阻率断面图 (图 7 (b) ) 横向 上看, 650~890 点之间 TEM 拟视电阻率呈现为低阻 异常特征,通过对比地质资料可知地表该异常附近 存在地裂缝, 地质资料提供 680~880 为已知采空区, 故推断 650~890 点异常为 2 号煤采空破坏引起的。 1 710~1 820 点和 1 860~2 060 点之间 TEM 拟视电 阻率呈现为低阻异常特征,结合已知地质资料以及 野外地质调查结果,地质资料提供 1 720~2 040 为 已知采空区, 故推断 1 710~1 820 点和 1 860~2 060 点异常为 2 号煤采空破坏引起的。 另外该 TEM 拟视 电阻率断面图 1 060~1 120 点、 1 250~1 400 点、 1 500~1 640 点以及 1 760~1 850 点之间也呈现为 低阻异常特征,和已知采空区曲线形态相似,根据 资料及野外地质调查结果推断, 1 080~1 180 点、 1 230~1 510 点以及 1 560~1 680 点之间异常均为 2 号煤采空破坏引起的。 根据图 7 (c ) 显示的 820 线 TEM 拟视电阻率断面 图,从横向上可明显得出, 1 480~1 720 点之间 TEM 拟视电阻率呈现为低阻异常特征, 结合已知地质资料 以及野外地质调查结果, 地质资料提供 1 560~1 680 为 已知采空区, 故推断 1 480~1 720 点异常为 2 号煤采 空破坏引起的。另外该 TEM 拟视电阻率断面图 530~ 680 点和 1 060~1 140 点之间也呈现为低阻异常特 征, 和已知采空区上方拟视电阻率曲线形态相似, 根据 资料及野外地质调查结果推断, 530~680 点和 1 060~1 140点之间异常均为2 号煤采空破坏引起的。 780 线 TEM 拟视电阻率断面图 (图 7 (d ) ) 横向上 看, 1 470~1 680 点之间 TEM 拟视电阻率呈现为低阻 异常特征,结合已知地质资料以及野外地质调查结 果, 地质资料提供 1 500~1 680 为已知采空区, 故推 断 1 470~1 680 点异常为 2 号煤采空破坏引起的。另 外该 TEM 拟视电阻率断面图 600~680 点、 970~1 050 点、 1 110~1 170 点以及 1 230~1 300 点之间也呈现为 低阻异常特征, 和已知采空区上方拟视电阻率曲线形 态相似, 根据资料及野外地质调查结果推断, 600~680 点、 970~1050 点、 1 110~1 170 点以及 1 230~1 300 点 之间异常均为 2 号煤采空破坏引起的。 3.2.2生产区平面解释 将全区各个断面 2 号煤推断异常区呈平面展 开, 组成的物探区 TEM 各个断面 2 号煤推断异常平 面展布图如图 8。 将 TEM 各断面 2 号煤推断异常叠合在 2 号煤 切片平面等值线图上, 组成的 TEM 各断面 2 号煤推 断异常与 2 号煤切片拟视电阻率平面等值线叠合图 如图 9。 3.2.3生产区采空异常区推断解释 结合地质资料、 钻孔资料、 采掘工程图及地面地 质勘查, 根据采矿相关规律, 推断解释勘探区资料, 将 勘探区划分了 8 处异常区, CK1~CK8,推断为 2 号煤 层采空破坏引起,生产区 2 号煤层采空异常区统计 表见表 5, 生产区推断 2 号煤采空区平面图如图 9。 4结论 1) 在工业广场圈定了 3 处采空破坏异常区, CKQ- 图 8生产区 TEM 各断面 2 号煤推断异常平面展布图 Fig.8EM inferred anomalies layout in No.2 coal seam at each section in production area 图 9生产区 TEM 各断面 2 号煤推断异常与 2 号煤切片 拟视电阻率平面等值线叠合图 Fig.9Overlap diagram of TEM apparent resistivity anomalies plane and floor contour section in No. 2 coal seam in production area 坐标位置 坐标位置 162 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 表 4工业广场 2 号煤层物探异常区汇总表 Table 4Summary of geophysical anomaly area in No.2 coal seam in industry square 编号面积/m2异常特征可靠性 CKQ-112 442相对低阻异常较可靠 CKQ-238 603相对低阻异常较可靠 CKQ-333 409相对低阻异常较可靠 图 7TEM 拟视电阻率断面图 Fig.7Section map of TEM quasi-apparent resistivity 果,地表该异常附近存在地裂缝,地质资料提供 700~840 为已知采空区, 故推断 700~950 点异常为 2 号煤采空破坏引起的。TEM 拟视电阻率呈现为低阻 异常特征,根据地质资料可知 1 840~2 000 为已知 采空区,故推断 1 890~2 030 点异常为 2 号煤采空 破坏引起的。另外该 TEM 拟视电阻率断面图 1 080~ 1 180 点、 1 230~1 510 点、 1 560~1 680 点以及1 760~ 1 850 点之间也呈现为低阻异常特征,和已知采空区上方拟视电阻率曲线形态相似,依据地质资料和 161 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 图 10生产区推断 2 号煤采空区平面图 Fig.10Inferred goaf distribution in No.2 coal seam in production area 表 5生产区 2 号煤层采空异常区统计表 Table 5Statistics of goaf anomaly area in No.2 coal seam in production area 编号面积/m2异常特征可靠性 CK16 678相对低阻异常可靠 CK2170 359相对低阻异常可靠 CK374 020相对低阻异常可靠 CK4120 151相对低阻异常可靠 CK542 526相对低阻异常可靠 CK6176 836相对低阻异常可靠 CK7180 174相对低阻异常可靠 CK815 487相对低阻异常可靠 1、 CKQ-2、 CKQ-3。采空异常区 CKQ-1 位于勘探区 西部, 面积约 12 442 m2; 采空异常区 CKQ-2 位于勘 探区中部, 面积约 38 603 m2; 采空异常区 CKQ-3位 于勘探区东部面积约 33 409 m2。 2) 在生产区圈定 2 号煤层采空区 8 处, CK1~CK8, 采空异常区 CK-1 位于勘探区西部边缘、 CK2 位于 勘探区中北部、 CK3 位于勘探区西部边缘、 CK4 位于 勘探区南部边缘, CK5 位于勘探区中部、 CK6 位于勘 探区中东部、 CK7 位于勘探区东部、 CK8 位于勘探区 东部边缘。 参考文献 [1] 赵光荣.基于 EH4 电磁成像系统的煤矿采空区探测 技术 [J] .煤炭科学技术, 2009 (11) 110-112. 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The ation of metal jet and the action range of penetrating coal seam are anal