煤矿采空富水区瞬变电磁快速成像技术_袁永榜.pdf

第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 煤矿采空富水区瞬变电磁快速成像技术 袁永榜 （中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重庆 ４０００３７） 摘要为快速准确地探测煤矿井下巷道前方的采空富水区， 基于 ＭＡＴＬＡＢ 编程将瞬变电磁仪 器获取的二次场感应电压 Ｖｚ（ｔ） 转换为垂直磁场 Ｈｚ（ｔ） 来快速计算全区视电阻率值， 根据 “烟圈” 理论计算视深度， 形成视电阻率拟断面图， 实现探测过程中的视电阻率快速成像； 并通过多层介 质地电模型正演和井下掘进工作面的探测实例观察其效果。模型计算和实例应用表明 由感应 电压转换为垂直磁场求解全区视电阻率具有计算精度高、 速度快的优势； 井下现场快速视电阻 率成像， 可实现对富水异常的初步解释， 现场及时复测异常， 有利于提高探测的准确性。 关键词矿井瞬变电磁； 感应电压； 垂直磁场； 全区视电阻率； 快速成像 中图分类号TD7４５文献标志码Ｂ文章编号１００３－４９６Ｘ（２０２０）０５-0098-04 Research on Transient Electromagnetic Fast Imaging in Water Rich Area of Mine Goaf YUAN Yongbang （China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute, Chongqing 400037, China） Abstract To quickly and accurately detect the goaf rich water area in front of the coal mine roadway, MATLAB program is used to convert the secondary field induced voltage Vz（t）obtained by TEM into vertical field Hz（t） to calculate all-time apparent resis tivity quickly. The apparent depth is calculated according to the “smoke circle”theory to a pseudo section diagram of the apparent resistivity, so as to realize the fast imaging of the apparent resistivity in the detection process. The effect is observed through the forward modeling of multi-layer dielectric geo-electric model and the detection of driving face. The calculation of the model and the application of an example show that the conversion of the induced voltage to the vertical magnetic field has the advantages of high accuracy and high speed in calculating all-time apparent resistivity; the fast apparent resistivity imaging of underground site can realize the preliminary interpretation of the water rich anomaly, and timely retest of the anomaly on site is conducive to improving the accuracy of detection. Key words mine transient electromagnetic; induced voltage; vertical magnetic field; all-time apparent resistivity; fast imaging 在我国煤矿水害防治方面， 在下层煤开采时， 上 部采空区的富含水情况对掘进工作影响很大，必须 提前查清，排除安全生产隐患。矿井瞬变电磁法具 有对水体敏感、 方向指向性好、 探测距离大、 施工方 便等优点，已成为煤矿水害探查的主要物探方法之 一[1-5]。但常规矿井瞬变电磁探测技术及装备， 多是 基于在井下探测后到地面用专用软件进行处理解释 的模式，存在探测过程中仪器仅简单显示衰减原始 曲线，无法实时显示视电阻率剖面图，现场分析异 常可参考信息有限， 现场因干扰引起的 “假异常” 排 除困难等问题。当前瞬变电磁技术的应用对浅部信 息的探查需求不断提升，由晚期公式计算视电阻率 值的方法易丧失浅部信息，而全区视电阻率能较好 地兼顾早、晚、过渡期的信息，但计算方法相对复 杂。基于当前煤矿井下巷道快速掘进的要求，采用 一种基于感应电压转换为磁场再求解全区视电阻率 的快速成像方法， 以期为井下瞬变电磁视电阻率快速 解释提供依据， 并结合探测实例分析其应用效果。 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.05.019 袁永榜．煤矿采空富水区瞬变电磁快速成像技术 ［Ｊ］ ．煤矿安全， ２０２０， ５１ （５） 98-101， 106. YUAN Yongbang. Research on Transient Electromagnetic Fast Imaging in Water Rich Area of Mine Goaf ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （5） 98-101, 106. 基金项目“十三五” 国家科技重大专项资助项目 （2016ZX05045002 - 003） 移动扫码阅读 98 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 1矿井瞬变电磁快速成像技术原理 1.1基本原理 矿井瞬变电磁法自地面半空间引入井下全空 间，是一种基于电磁感应原理的时间域人工源电磁 探测方法。它利用一种不接地回线源向地下岩层空 间发送一次脉冲磁场，该一次场在围岩空间中激励 的感应涡流将产生随时间变化的二次场（感应电磁 场） ， 该二次场携带了围岩空间内丰富的地电信息， 一次场间歇期间，通过接收线圈观测该二次场， 提 取和分析其中的响应信息，从而实现探测围岩空间 的地质体分布特征[6]。矿井瞬变电磁原理示意图如 图 1。 1.2全区视电阻率 当前常规的瞬变电磁仪器实测值多为感应电压 值 V， 根据法拉第电磁感应定律有 Vｚ（ｔ） ＝－ｓｎ μ０ 鄣Ｈz（ｔ） 鄣ｔ （1） 式中 Vｚ（ｔ） 为感应电压； Ｈz（ｔ） 为磁场垂直分量； μ０为真空中的磁导率， 4π10-7H/m； s 为接收线圈 的面积， m2； n 为线圈的匝数， 匝； t 为时间， s。 式 （1） 可变为[7] 鄣Ｈz（ｔ） 鄣ｔ － 1 ｓｎ μ０ Vｚ（ｔ）（2） 对式 （2） 两边积分后为 b a 乙 鄣Ｈz（ｔ） 鄣ｔ dt－ 1 ｓｎ μ０ b a 乙Vｚ （ｔ） dt（3） 积分下限取时间变量 t ,可得 Ｈz（ｔ） 1 ｓｎ μ０ b t 乙Vｚ （ｔ） dt Ｈz（b ）（4） 根据衰减曲线， t 较大时，鄣Ｈz （ｔ） 鄣ｔ 和 Ｈz（ｔ）趋于 0， 在晚期的某一时刻 b， 不妨令 Hz（b ）0， 这时式 （4） 变为 Ｈz（ｔ） 1 ｓｎ μ０ b t 乙Vｚ （ｔ） dt（5 ） 将式 （5 ） 写成数值计算形式为 Ｈ （ｔ） 1 ｓｎ μ０ n i j 移Vｚ（ｔ） △tｉ（6 ） 其中 Vｚ（ｔｎ） 趋于 0。 由垂直磁场值计算视电阻率 ρ， 可有效避免双值函数计算的繁琐性。 中心回线源瞬变响应 Hz为[8-10] Vｚ（ρ,ｔ） I0 2a 3 πu姨 e -u 2 （１－ ３ ２ｕ2 ） ｅｒｆ （ｕ ｕｕ ） （7 ） ｅｒｆ （ｕ） ＝ ２ π姨 ｕ ０ 乙e -ｘ 2 ｄｘ， ｕ＝ a 2 μ０ ρｔ姨 式中 I0为发射电流， A； a 为发射线圈半径， m； ρ 为均匀半空间电阻率， 赘 m； ｔ 为观测时间， s； μ０为真 空磁导率， 4π10-7H/m。 u 的核函数 z （u） 3 πu姨 e -u 2 （１－ ３ ２ｕ2 ） ｅｒｆ （ｕ） ， z （u） 和 u 的函数关系如图 2。 可见， z （u ） 和 u 为一一映射的函数关系， 而 z （u） 为 Ｈz（ｔ） 的 2a/I 倍， 即在某一确定时刻 t 有唯一的 u 和 Ｈz（ｔ） 对应。这样， 已知 Ｈz（ｔ） 即可求出 u， 再通过 ρ a2μ０ 4tu2 即可求出视电阻率 ρ，此视电阻率适合早、 中、 晚各时间段， 故称为全区视电阻率。 1.3多层介质地电模型正演模拟 为验证由感应电压转换为垂直磁场计算全区视 电阻率的正确性，研究不同地电模型的瞬变电磁响 应特征， 设计 3 层地电模型 譹訛K 型 各层电阻率值 ρ1100 赘 m、 ρ2200 赘 m、 ρ3100 赘 m，各层厚度 h1100 m、 h2100 m； 譺訛H 型 各层电阻率值 ρ1２00 赘 m、 ρ2４0 赘 m、 ρ3２00 赘 m， 各层厚度 h1３0 m、 图1矿井瞬变电磁原理示意图 Fig.1Schematic diagram of mine transient electromagnetic 图2z（u） 和u的函数关系图 Fig.2Function relationship diagram of z（u）and u 99 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 h2５0 m。 设发射电流1 A； 面积 1 m2； 匝数 1 匝； 时 间 t110-60.1 s； 2 种地电模型 （K 型、 H 型） 的正 演全区视电阻率曲线分布如图 3、 图 4。 图 3、 图 4 的 2 种地电模型正演的全区视电阻率曲线中，红色实 线为由感应电压转换为磁场值计算的全区视电阻率 （ρｖ→ｈ ｚ） ，蓝色虚线代表由垂直磁场分量计算的全区 视电阻率 （ρｈｚ） 。 由图 3 可知， 2 条曲线拟合良好， 曲线早期趋于 第 1 层电阻率值 100 Ω m； 在 0.000 1 s 附近显现进 入第 2 层， 电阻率值升高， 但未能达到第 2 层的电阻 率值； 进入第 3 层后， 电阻值逐渐降低， 最终趋于第 3 层电阻率值，整体趋势符合 K 型地电模型曲线响 应特征。 由图 4 可知， 2 条曲线拟合良好， 曲线早期趋于 第 1 层电阻率值 200 Ω m； 进入第 2 层后， 电阻率 值降低， 曲线呈下凹趋势； 随时间延迟， 再第 3 层又 逐渐升高， 趋于第 3 层视电阻率 200 Ω m， 为典型 H 型地电模型的先下降后升高的响应曲线特征。 根据以上由感应电压转换的磁场值和磁场值直 接计算的 K 型和 H 型地电模型的全区视电阻率曲 线，可以证明模型验算的正确性和由仪器测量的感 应电压转换为磁场值进行全区视电阻率值计算的可 行性。通过算法耗时分析，核函数二分逐步逼近法 求解时间为 12.88 s， 感应电压转换为垂直磁场后由 二分搜索法求解时间为 2.08 s，说明其垂直磁场来 求解速度更快。 2矿井瞬变电磁快速成像实现 瞬变电磁的成像即由测点位置，计算出的视深 度和视电阻率值，绘制视电阻率拟断面图。由仪器 测得的感应电压，经过转换为磁场值，通过二分搜 索法求得全区视电阻率值[11]。根据瞬变电磁 “烟圈” 在地层中的传播规律， 使用 “烟圈” 理论中计算烟圈 传播速度 ｖ 的公式 ｖ＝2/π姨ρ/μ0t 姨 来计算视深 度[12]。利用 MATLAB 进行 GUI 编程， 根据视电阻率 剖面中横坐标点数和视深度，建立视电阻率剖面图 网格数组和视深度网格数组。根据预设的当前测点 位置，调用 MATLAB script 节点实时更新视电阻率 数组和视深度网格数组。 在 MATLAB script 节点中， 采用 shading interp 语句， 通过矩阵插值， 实现视电 阻率剖面图平滑成像，完成井下瞬变电磁视电阻率 快速成像。 3实例应用 3.1工作面地质概况 山西某矿一工作面开采 9煤层，煤层倾角 2～ 11，平均 5。上覆 8煤已回采， 8与 9煤层间距 1.10～4.05 m， 平均 2.88 m。 煤层顶板为细粒砂岩， 基 本顶为石灰岩；底板为砂质泥岩，基本底为中粒砂 岩； 工作面总体为一背向斜复合构造， 小断层、 陷落 柱发育， 煤层裂隙发育。该工作面上覆 8煤层采空 区可能积水，掘进中遇地质构造及顶板破碎带时会 有淋水出现， 局部淋水较大， 预计最大涌水量 25 m3/ h， 掘进前需提前查明其富含水情况。 3.2探测结果 分别在偏顶板 15方向、顺煤层 2 个方向各设 计 1 条测线， 每条测线布置 13 个测点， 扫描探测角 图3K型地电模型正演全区视电阻率曲线 Fig.3The all -time apparent resistivity curves of forward modeling of K-type geoelectric model 图4H型地电模型正演全区视电阻率曲线 Fig.4The all-time apparent resistivity curves of forward modeling of H-type geoelectric model 100 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 度间隔 15， 扫描探测 180范围， 矿井瞬变电磁测线 布置示意图如图 5，图 5 中箭头所示方向均代表线 框平面法线方向。 本次瞬变电磁探测采用多匝重叠回线装置， 发 射周期为 80 ms。 基于 MATLAB 编程， 将采集后数据 分别绘制了感应电压衰减曲线、感应电压多测道剖 面曲线， 并经过视电阻率、 视深度快速计算， 完成视 电阻率剖面图的快速绘制，用以判断探测位置前方 的富含水区域， 2 个方向瞬变电磁探测现场快速成 像结果如图 6。 图 6 中， 左侧上部显示为感应电压衰减曲线， 上 部中间为视电阻率剖面图，右侧部分为参数设置区 域； 下部显示 2 个探测方向的多测道剖面曲线。 2 个 视电阻率剖面图中，上图为偏顶板 15方向结果探 测结果， 下图为顺煤层方向探测结果， 纵坐标为探测 深度，横坐标为探测角度。视电阻率剖面图的色谱 自蓝色至红色表征视电阻率值从低到高。设置视电 阻率值小于 10 Ω m 的视电阻率等值线填充为蓝色。 由 6 分析可知， 2 个方向探测成果均揭示巷道 探测位置自偏左帮 90右帮 15方向存在低阻异常 区， 偏顶板 15方向较顺层方向整体视电阻率偏小， 视电阻率值小于 10 Ω m，推断为顶板采空区积水 引起的异常。左侧工作面为实体煤，分析低阻异常 主要为顶板采空范围积水造成。经右侧帮施工的探 放水钻孔验证， 倾角 612， 孔深 2030 m 出水， 流 量最高达 15 m3/h， 20 d 后出水量逐渐减少至 12 m3/d， 为 8煤层静态采空区积水， 与探测结果较吻合。 4结论 1） 将感应电压转换为磁场值和由磁场垂直分量 直接计算的全区视电阻率均能反映出地电模型电阻 率的 “真实值” ， 感应电压转换为磁场值再计算全区 视电阻率的方法有效避免了由感应电压直接求解算 法中双值函数判定的复杂过程， 具有计算精度高、 速 度快的优势。 2） 采用 MATLAB 编程实时对采集到的数据进 行视电阻率、视深度的快速计算，完成瞬变电磁探 测数据的全区视电阻率快速成像，实现了井下现场 瞬变电磁探测过程中成果的直观解释，大幅提升了 探测准确性和实时性。 3） 实例应用表明， 由感应电压转换为磁场值求 解的全区视电阻率较为准确，求得的异常范围更明 显， 应用效果较好。 参考文献 ［１］ 郭艳培， 张延博， 商岩冬．矿井瞬变电磁法探测工作面 外帮水体技术 ［Ｊ］ ．煤矿安全， ２０１８， ４９ （８） ８０－８３. 图62个方向瞬变电磁探测现场快速成像结果 Fig.6Fast imaging results of TEM in two directions 图5矿井瞬变电磁测线布置示意图 Fig. 5Schematic diagram of line layout of TEM （下转第 106 页） 101 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 （４） ７５－７６． ［３］ 任朦朦．槽波地震勘探技术在矿井中的应用分析 ［Ｊ］ ． 能源与节能， ２０１９ （１） １５４． ［４］ 李国法， 吴仕勇， 张钊．对勒夫型槽波频散特性及能量 问题的探讨 ［Ｊ］ ．能源与节能， ２０１９ （４） ３． ［５］ 郝会安， 廉洁．基于槽波的采煤工作面煤厚与断层综 合探测技术 ［Ｊ］ ．能源技术与管理， ２０１８， ４３ （１） ７－８． ［６］ 李松营， 廉洁， 滕吉文， 等．基于槽波透射法的采煤工 作面煤厚解释技术 ［Ｊ］ ．煤炭学报， ２０１７， ４２ （３） ７２０. ［７］ 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