全空间定点三维瞬变电磁探测技术研究及应用_邢修举.pdf

第 46 卷 增刊 1煤田地质与勘探Vol. 46 Supp.1 2018 年 7 月COALGEOLOGY Science and Technology Innovation Fund of Xi’an Reserch Institute of CCTEG 2018XAYQN11 第一作者简介 邢修举，1988 年生，男，河南南阳人，助理研究员，从事矿井/隧道电磁法勘探研究，E-mailxxjcumt1636 引用格式 邢修举，蒋齐平，吴正飞，等. 全空间定点三维瞬变电磁探测技术研究及应用[J]. 煤田地质与勘探，2018，46增刊 160–65. XING Xiuju， JIANG Qiping， WU Zhengfei， et al. Three-dimensional transient electromagnetic detection technology of fixed point in full space[J]. Coal Geology thewater-repellentmodelwithdifferentpositionandshape,theapparentresistivityofthe three-dimensional space of equipotential surface area basically coincides with its actual volumetric dimension. In the application of concealed collapse columns inside the working face 19108 of Jinggongyi Mine No. 1 in Pingshuo, the collapse columns inside the working face can be accurately displayed in the three-dimensional anomaly space, providing effective technical means for geological forecast during drivage excavation and before extraction in a working face. Keywords transient electromagnetic ; fixed-point three-dimensional detection technology; physical simulation; hidden collapse column 矿井瞬变电磁法以其施工便捷、工作效率高、纵 横向分辨率高和对低阻反应灵敏等优点在探测煤矿巷 道前方及工作面顶底板和工作面内导含水异常体构 造中的应用越来越广[1-3]，且效果显著[4-6]。但在煤矿应 用 20 多年以来，其探测技术多是单点或者扇形探 测[7-9]，对目标体的空间展布范围探测有限，且探测结 果显示不直观[10-12]。因此，尝试设计掘进工作面定 点三维立体探测技术，对掌子面前方构造异常体范 围、空间发育形态进行探测，通过实地应用，效果 良好，三维空间解释成果形象、直观，具有较好的 ChaoXing 增刊 1邢修举等 全空间定点三维瞬变电磁探测技术研究及应用61 技术指引作用。 1定点三维瞬变电磁探测技术 1.1矿井瞬变电磁法 矿井瞬变电磁法是一种时间域瞬变电磁法，在矿 井中主要使用不接地磁偶源装置方式，在一个线圈中 通一间歇性电流，在间歇期间，另一个线圈接收来自 发射线圈激发煤层及周围岩体产生的电磁感应信号， 该信号信息是掘进工作面回采工作面侧帮附近煤 层、岩层等地质体的综合信号响应，结合已知地质情 况， 通过对信号的分析来达到分辨掘进工作面回采工 作面内部前方地质体内含水构造的规模及赋存形态 等情况。由于巷道全空间影响，测量的电磁感应信号 为掘进工作面顶板、底板、前方及后方周围空间的综 合电磁感应，巷道内瞬变电磁响应可近似等效为同时 向上、向下及向外扩散电流环，即双“烟圈效应”[13-16]， 如图 1 所示。 图 1烟圈效应示意图 Fig.1Sketch of smoke ring effect 1.2定点三维探测技术 掘进掌子面三维超前的定义通过使用边长为 2 m 的多匝方形收发装置，在狭小的掘进工作面距离掌子 面 0.4 m、距离巷道底板 0.3 m 的巷道中心位置，设计 等间隔或者不等间隔角度的密集散点对掌子面前方一 定体积范围内的岩层含富水性进行三维立体探测。为 了更形象地对三维数据进行设计采集，将其分不到不 同角度的扇形断面上如图 2 所示可根据目标体的需 要调整α与顶底板的夹角，相关参数如表 1 所示。 图 2二维扇形断面示意图 Fig.2Schematic cross-section of a two-dimensional sector 表 1数据剖面说明 Table 1Description of data section 方向物理点数物理点角度/ 扇形断面 剖面 H-45、H-30、H15、 H-0、H15、H30、H45 9 –60、–45、–30、–15、 0、15、30、45、60 注剖面命名中 H 代表“水平”含义，空间范围以巷道中心线 为轴心，下负上正，左负右正。 1.3资料处理 对于采集的原始数据导入电脑进行重复数据的 挑选、剔除畸变点，数字滤波，感应电位–时间的对 应关系转换成视电阻率值–时间的对应关系， 时深转 换计算每个时间道对应的深度，处理成图。 全空间视电阻率计算公式 2/32/32/35/3 SSV 6.32 CFJUt    1 式中 C 为全空间校正系数；FS与 JS分别为发射与 接收回线等效面积；UV为接收的归一化二次场电 位；t 为接收的二次场衰减时间。 全空间瞬变电磁深度计算经验公式为 1/5 2 0.6 f nIL H       2 式中 n 为发射线圈匝数，I 为发射电流，L 为方形 发射线圈边长，ρ为视电阻率值，η为未供电激励时 接收线圈接收到的干扰信号强度。 将常规的二维扇形坐标转换成三维立体坐标， 如 图 3 所示x 轴表示巷道掌子面的水平方向， 单位 m； Y 轴表示巷道掌子面沿开挖方向，单位m；Z 轴表 示巷道掌子面垂直方向，单位m。将每个点的深 度–视电阻值换算成对应的扇形坐标系对应的位置， 然后把多个扇面的数据离散化到对应的三维空间 中，从时深反演处理得到的视电阻率深度数据转换 成三维笛卡尔坐标系下的散点数据。将整理好的三 维数据体使用反向距离插值方法对所获得的离散数 据点进行插值处理，然后在三维空间内对数据进行 网格化处理，最后基于所获得的网格化数据在三维 空间内进行出图。 ChaoXing 62煤田地质与勘探第 46 卷 图 3二维扇形断面离散化成三维立体空间 Fig.3Two-dimensional fan-shaped sections discretized into three-dimensional space 2导含水构造体的物理模拟 2.1物理模拟准则 对于煤矿常见的导含水构造断层、陷落柱、构 造破碎带等地质问题，本文选用导电性良好的铜、 铁质物体依据一定的尺寸和这些导含水构造常见形 态来模拟其瞬变电磁响应特，通过处理将模拟结果 在三维立体空间中显示。 模拟时需在实验室中以某种比例尺复制地质模 型，实验室模型的电学参数一般也应按一定的比例 改变，观测线圈也要微型化。电磁法的物理模拟所 遵守的相似准则是从麦克斯韦方程出发推出的，对 于时间域瞬变电磁场的物理模拟基本公式 22 mf fm L k L   3 式中 σm为模拟物体电导率，Lm模拟物体所有线型 尺度；σf为被模拟的野外地质构造体电导率，Lf为 被模拟的野外构造体所有线型尺度；k 为线性比例 尺，又称为缩比系数。 在模拟实验中目的物的大小、埋深等线性尺度 均应按此比例设置，小尺寸的模型需有足够高的电 导率，并满足电导率与线型长度的平方的乘积为常 数，则物理模型的响应特征与相应的实验条件下的 响应特征一致。 2.2模拟实验设计 使用近似有长方体的铜柱作为导含水陷落柱的 模型、长方体的铁柱作为断层和含水破碎带，具体 参数如表 2 所示。 表 2模拟体的参数 Table 2Parameters of simulation body 异常体模型长/cm宽/cm高/cm电导率σ/sm–1 铜柱6671.56107 铁柱5469.93106 模拟实验选用澳大利亚生产的 Terra TEM 仪 器，该仪器可以在安全发射电流内任意匹配相应的 收发装置。采用中心回线装置形式，发射线圈及接 收线圈均采用直径 0.45 mm 规格铜质漆包线，发射 线圈为边长 20 cm 的方形、30 匝，接收线圈为边长 4 cm 方形、100 匝。 2.3模拟结果 陷落柱、断层和构造破碎带是煤矿中常遇到的 导含水构造灾害地质体，物理模拟其三维瞬变电磁 响应规律对实地探测工作具有重要的指导意义。 在模拟测量时铜柱和铁柱是直立的，收发装置 的中心点和模拟体重心在同一水平面上，测量的角 度为一个 47内角的锥形，在该锥形内以等间隔 10 为一个测量点进行定点三维立体探测，对每个模型 自左向右设计 11 个探测方向， 探测方向如探测结果 的探测示意图所示。 图 4 是收发装置距离铜柱 25 cm 的视电阻率等 势面三维空间异常图，探测角度 1、2、3、9、10、 11 号探测方向在视电阻率等势面空间异常凸显没 有显示， 也就是这 6 个探测方向探测不到掌子面正 前方的异常体。从 4 号与 8 号探测方向开始，响应 幅值开始增强，5、6、7 号探测方向上的响应幅值 最强。根据这一响应规律，可以判断 4～8 号探测 方向均能探测到掌子面正前方的异常体， 响应幅值 的强弱决定于线圈与异常体的耦合程度， 当线圈法 线方向垂直指向异常体时， 一次场与异常体的耦合 最强，此时激发的二次场响应也最强，如 5、6、7 号探测方向；当线圈旋转，其法线方向开始偏离异 常体时，一次场与异常体的耦合程度减弱，相应接 收到的二次场响应幅值减弱，如 2、3、9、10 号探 测方向。 ChaoXing 增刊 1邢修举等 全空间定点三维瞬变电磁探测技术研究及应用63 图 4视电阻率等势面三维空间显示图铜柱距离探测位置 25 cm Fig.4Three-dimensional space images of equipotential surface of apparent resistivity Cu plate is 25 cm away from the detection position 图 5 是收发装置距离铜柱 45 cm 的视电阻率等 势面三维空间异常图，其显示的响应规律与图 4 几 乎一致，只是响应的异常幅度较图 4 弱，整体的响 应规律一致。 图 6 是模拟断层及破碎带的距离铁柱 45 cm 视电 阻率等势面三维空间异常图，整体的响应规律一致， 但在纵向响应范围发生一定的变化，在横向响应的范 围也变大，与实际设计的铁柱体积范围有一定误差。 图 5视电阻率等势面三维空间显示图铜柱距离探测位置 45 cm Fig.5Three-dimensional space images of equipotential surface of apparent resistivity Cu plate is 45 cm away from the detection position 图 6视电阻率等势面三维空间显示图铁柱距离探测位置 45 cm Fig.6Three-dimensional space display diagram of equipotential surface of apparent resistivity iron plate distance detection position 45cm 通过异常地质体不同空间位置的瞬变电磁 响应物理模拟结果图 4图 6 分析，得到如下 结论 a. 当收发装置正对着异常体时，其视电阻率值 最低，当收发装置偏离异常体时，视电阻率开始变 大，异常幅度变弱；异常体不在收发装置探测范围 时，视电阻率等值较高。这也说明了小线圈瞬变电 磁探测具有一定的方向性。 b. 异常的形态和设置的异常形态有一定的差 异，但异常的中心位置一致。说明瞬变电磁探测成 果的异常边界范围与实际的会有一定的误差，但异 常响应的中心位置一致。 c. 异常的阈值与设置的实际视电阻率值有较 大区别，说明瞬变电磁探测视电阻率值是综合的地 电反应，异常阈值的选择应根据探测区域的地质条 件综合情况来选取。 ChaoXing 64煤田地质与勘探第 46 卷 3工程应用 平朔井工一矿是平朔集团的主力生产矿井，19108 工作面是太西采区 9 煤组第三个工作面，工作面长度 3 130 m，宽度 300 m。19108 工作面顶板的直接充水含 水层为 4 煤与 9 煤之间砂岩含水层，根据 9 煤层平均 13.62 m 的厚度计算，预计冒裂高度 85 m 左右，工作 面上部为 14108 工作面采空区，距离 9 煤平均 50 m， 受采动影响， 上部 K3 等砂岩含水层通过冒落裂隙带影 响 19108 工作面，特别是在普 23 孔向斜轴部易形成 4 煤采空区积水危险区。底板含水层有 K2 砂岩层，奥灰 岩含水层等，井田内奥灰水位标高为 1 060 m 左右，工 作面整体标高低于奥灰水位，属带压开采，在大的断 层构造及可能存在的陷落柱区域存在导通奥灰含水 层，出现突水的危险。19108 工作面顶底板主要含水、 隔水层及与 9 煤层的位置关系如图 7 所示。 图 719108 工作面顶底板主要含水、隔水层及与 9 煤层 的位置关系示意图 Fig.7Positional relationship among the major aquifer, aquifuge and seam 9 in working face 19108 图8是工作面一部分音频电穿透煤层顶底板40 m 范围内煤岩层的视电导率平面图，在工作面切眼向 外 1 5601 720 m 范围有一处较明显的良导电性异 常区。根据该异常区 9 煤底板标高1 000 m，距奥 灰含水层顶部约 45 m，底板带水压 1.1 MPa，突水 系数 0.023 MPa/m，由于该异常附近在巷道掘进过 程中未发现明显的断层等地质构造，为安全期间， 仍建议矿方进行钻探验证，来确认异常情况。 图 8音频电穿透视电导率平面异常图 Fig.8Plane anomaly of audio electrical perspective conductivity 根据前期 19108 工作面的音频电穿透物探异常 区的钻探验证，在工作面靠近辅运巷的 F17 测量点 向西 1545 m，工作面内 3070 m 范围，打钻出水 量大，出水来源不明，如表 3 所示，由于属于带压 开采，存在底板奥灰含水层突水隐患。现用三维瞬 变电磁法对打钻出水地点进行探测，来查明该区域 异常体的范围和在煤层顶底板的分布情况。 依据打钻出水情况，瞬变电磁探测设计① 在 19108 辅运巷的 F17 测量点以该测量点为中心，以 间隔 5 m为一个测量点向东西方向各进行 20个测量 点，在每个测量点设计仰角 20、10，顺煤层，俯 角 10、20、30、40、50等共计 8 个探测方向； ② 在 19108 辅运巷的 F17 测量点向西 30 m 的避车 硐室设计扇形超前探测，共设计仰角 30、15，顺 煤层，俯角 15、30、45、60等探测角度。 表 3钻孔设计及钻探情况 Table 3Borehole design and drilling 孔号开孔位置/m方位/倾角/孔深/m异常情况 F7-1F17点向西10.5169.818.7110110113 m 采空区，施工过程中无异常及钻孔出水现象。 F7-2F17点向西18.5193.719.5130 5768 m 位置出现低钻压、空推钻进，钻进较快，并伴随钻孔 出水，出水量约22.2 m/h。钻进至68 m 处钻机给进压力增大， 钻速减缓趋于正常，出现少量返渣，终孔出水量约33.5 m/h。 F7-3F17点向西30.5193.7160 5158 m 钻压减小，存在空推现象，5860 m 范围内出现夹钻 现象，终孔起完钻出水量约31 m/h。 图 9 是沿 19108 辅运巷侧帮探测和避车硐室扇 形超前探测综合处理后的异常空间正视图。从异常 空间图中可以看出，该异常成塔型形态，发育到煤 层顶板上方 15 m 左右尖灭， 在探测区域内发育到地 板下 50 m 范围仍然向下发育， 其形态与陷落柱一般 发育形态吻合。 物探报告提交后，矿方经过加孔疏放和注浆加 固底板等工作，现该工作面已顺利越过该陷落柱， 依据回采情况顺煤层陷落柱的范围与瞬变电磁法探 测水平切片范围基本一致图 10 所示。充分说明使 图 9 综合探测结果视电阻率异常体等势面正视图 Fig.9 Front view of equipotential plane of an body abnormal in apparent resistivity in the integrated detection results ChaoXing 增刊 1邢修举等 全空间定点三维瞬变电磁探测技术研究及应用65 图 10综合处理后视电阻率等势面顺煤层切片图 Fig.10Synthetically processed apparent resistivity equipotential surface coal seam slice 用矿井瞬变电磁定点三维探测法对工作面内部隐伏 陷落柱探测的有效性，为物探方法的合理使用和对 该类问题的提前探测提供了良好的技术参考。 4结 论 a. 在矿井中设计掘进巷道和回采工作面的定点三 维瞬变电磁立体探测技术，能够对探测区域内的含富 水性的空间展布形态和范围进行较准确的定位探测。 b. 通过对陷落柱、导含水断层和破碎带的物理模 拟，三维空间等势面图显示出矿井瞬变电磁多匝小回线 具有较好的方向性，其探测结果能够较准确的将设置的 异常范围及空间位置显示在三维空间图中。 c. 在井工一矿隐伏陷落柱的探测结果表明，定 点三维瞬变电磁探测能够较准确的显示工作面内部 的隐伏陷落柱三维空间形态，为煤矿水文地质灾害 超前探测提供了一种有效的技术手段。 参考文献 [1] 虎维岳.矿山水害防治理论与方法[M]. 北京煤炭工业出版 社，2005. [2] 刘志新. 矿井瞬变电磁场分布规律与应用研究[D]. 徐州中 国矿业大学，2007. [3] 刘盛东， 刘静， 岳建华. 中国矿井物探技术发展现状和关键问 题[J]. 煤炭学报，2014，39119–25. LIU Shengdong，LIU Jing，YUE Jianhua. Development status and key problems of Chinese mining geophysical technology[J]. Journal of China Coal Society，2014，39119–25. [4] 姜志海. 巷道掘进工作面瞬变电磁超前探测机理与技术研究[D]. 徐州中国矿业大学，2008. [5] 刘树才，岳建华，刘志新. 煤矿水文物探技术与应用[M ]. 徐 州中国矿业大学出版社，2005. [6] 程建远， 石显新. 中国煤炭物探技术的现状与发展[J]. 地球物 理学进展，2013，2842024–2032. CHENG Jianyuan， SHI Xianxin. Current status and development ofcoalgeophysicaltechnologyinChina[J].Progressof Geophysics，2013，2842024–2032. [7] 姜志海， 岳建华， 刘树才. 多匝重叠小回线装置的矿井瞬变电 磁观测系统[J]. 煤炭学报，2007，32111152–1156. JIANG Zhihai ， YUE Jianhua ， LIUShucai. Mine transient electromagneticobservationsystemofsmallmulti-turn coincident configuration[J]. Journal of China Coal Society ， 2007，32111152–1156. [8] 张振勇. TEM 技术在岩层富水性探测中的应用[J].煤田地质 与勘探，2015，436109–113. ZHANG Zhenyong. Application of TEM technique in detecting the water enrichment of strata[J]. Coal Geology Exploration， 2015，436109-113 [9] 邢修举， 于景邨. 煤矿综采面突水水源瞬变电磁探测技术及应 用[J]. 能源与环保，2017，39196–99. XING Xiuju ， YU Jingcun. The application of mine transient electromagnetic detection technology on working face water inrush water[J]. China Energy and Environmental Protection，20171 96–99. [10] 于景邨. 矿井瞬变电磁法勘探[M]. 徐州中国矿业大学出版 社，2007. [11] 于景邨， 刘志新. 用瞬变电磁法探查综放工作面顶板水体的研 究[J]. 中国矿业大学学报，2007，364542–546. YU Jingcun ， LIU Zhixin. Research on full space transient electromagnetic techniquefor water hazard to the roof of caving exploration in coal mines[J]. Journal of China University of Mining Technology，2007，364542–546. [12] 王恩营，刘山清，高荣斌，等. 基于瞬变电磁法探究中高阶煤 层瓦斯含量与视电阻率关系的试验[J]. 煤田地质与勘探， 2017，456149–153. WANG Enying，LIU Shanqing，GAO Rongbin，et al. Transient electromagnetic exploration-based experiment on the relationship between the level of gas content and apparent resistivity in high rank coalseam[J].CoalGeologyExploration，2017，456149–153.. [13] 杨海燕， 岳建华. 巷道影响下三维全空间瞬变电磁法响应特征[J]. 吉林大学学报，2008，381129–134. YANGHaiyan， YUEJianhua.Three-dimensional full-spacetransient electromagneticresponsecharacteristicsunderinfluenceof roadway[J].JournalofJilinUniversity，2008，381129–134. [14] 李明星， 程久龙. 矿井瞬变电磁超前探测地质异常三维可视化[J]. 煤矿安全，2011，111187–91. LI Mingxing，CHENG Jiulong. Mine transient electromagnetic advance detection geologic anomaly 3d visualization[J]. Safety in Coal Mines，2011，111187–91. [15] 李貅. 瞬变电磁测深的理论与应用[M]. 西安陕西科学技术 出版社，2002. [16] 蒋宗林，田永华. 综合物探技术在陷落柱富水性评价中的 应用[J]. 煤炭科学技术，2015，4311139–142，151. JIANGZonglin ， TIAN Yonghua.Integratedgeophysical technology applied to watery uation of sinkhole[J]. Coal Science and Technology，2015，4311139–142，151. ChaoXing