基于参数优化试验的工作面空巷探测技术研究_邱浩.pdf

地地质质与与勘勘测测 基于参数优化试验的工作面空巷探测技术研究 邱 浩1，2，3 （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） ［摘 要］ 煤矿老旧空巷引起的水害是国内资源整合矿区面对的重要灾害之一， 为了查明朝阳 煤矿 9101 工作面内部老旧巷道的分布范围及其富水情况， 在巷道掘进过程中通过基于瞬变电磁法频 率、 叠加次数的参数优化试验， 确定了工作面内部老旧巷道探测的最优化参数， 指导 9101 工作面内 部老旧巷道的探测工作。 试验结果表明 工作面内部老旧空巷位置同探测结果存在显著的对应关系， 经过频率、 叠加次数参数优化处理的空巷探测技术可以有效确定空巷的分布及其富水情况， 可为工作 面的安全回采提供依据。 ［关键词］ 瞬变电磁法； 参数优化； 空巷探测； 富水特征 ［中图分类号］ TD166； P631. 3 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1006-6225 （2016） 04-0018-05 Detection Technology of Working Face Abandoned Roadway Based on Optimal Parameters QIU Hao1，2，3 （1. Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute， Beijing 100013， China； 2. State Key Laboratory of Coal Resource High Effective Mining Clean Utilization （China Coal Research Institute）， Beijing 100013， China； 3. Beijing Safety Engineering Technology Research Center， Beijing 100013， China） Abstract The water disaster that induced by abandoned roadway of coal mine was one of importantdisasters that must faced to for re- sources reassignment mine area in home， in order to ascertained the distribution scope of abandoned roadway and water distribution of 9101 working face of Chaoyang coal mine， on the basis of parameters optimal experiment of transient electromagnetic and stac- king fold during roadway driving process， the optimization parameters of abandoned roadway in working face， it references for defection working of abandoned roadway in working face. The results showed that an obviously corresponding relation was appeared between the a- bandoned roadway position and detection results. Detection technology of abandoned roadway was effectively after frequency and stacking fold optimized. Key words transient electromagnetic ； parameters optimal； abandoned roadway detection； water distribution characters ［收稿日期］ 2015-12-24［DOI］ 10. 13532/ j. cnki. cn11-3677/ td. 2016. 04. 005 ［基金项目］ 国家自然科学基金资助项目 （51404139）； 中国煤炭科工集团科技创新基金资助项目 （2014QN013） ［作者简介］ 邱 浩 （1987-）， 男， 辽宁铁岭人， 助理研究员， 硕士， 主要从事应用地球物理方向的研究工作。 ［引用格式］ 邱 浩 . 基于参数优化试验的工作面空巷探测技术研究 ［J］ . 煤矿开采， 2016， 21 （4） 18-22. 近年来， 随着煤炭资源市场的不断规范化， 我 国许多富煤区域进行了资源整合， 但由于小煤矿的 不规范生产、 资料缺失、 乱采乱挖现象严重， 导致 煤矿在资源整合以后面临严重的安全问题［1］。 国 内资源整合矿区不但采空区分布积水情况复杂， 在 井下工作面的回采中也受到老旧巷道的严重威胁， 工作面内部老旧巷道具有形态复杂、 分布范围广等 特点， 且易形成积水区， 一旦同含水采空区存在水 力联系， 在工作面回采过程中极易造成水害事故， 形成突水灾害。 目前， 煤矿井下工作面探测主要采用的物探方 法有瞬变电磁法、 无线电波透视法、 音频电透视 法、 槽波地震法等方法， 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列的研究工 作［2-7］， 但井下工作面探测效果受到地质特征、 探 测环境、 井下干扰的影响较为严重， 工作面内部老 旧空巷探测参数选取缺乏有效的论证和实验支撑。 因此， 特定地质条件和探测环境下老旧空巷探测参 数优化试验研究对提高隐蔽空巷探测结果的准确性 具有重要的实际意义。 针对朝阳煤矿工作面巷道内 部已探明老旧巷道的特点， 在探测目标区开展了瞬 变电磁法发射频率及叠加次数的参数优化试验， 确 定了该地质条件和探测环境下巷道探测的最优化参 数， 并以此指导 9101 工作面综合探测工作， 为老 旧空巷探测成果的可靠性及工作面的安全回采提供 依据。 81 第 21 卷 第 4 期 （总第 131 期） 2016 年 8 月 煤 矿 开 采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 21No. 4 （Series No. 131） August 2016 ChaoXing 1 井下参数优化试验研究 1. 1 瞬变电磁法简介 瞬变电磁法是在发射线圈发射脉冲一次场 （式 （1） ）， 并利用测量对一次场感应产生二次涡 流场在时间和空间上的分布的一种时间域电磁法。 I（t） I （t ＜ 0） 0（t ≥ 0） ｛ （1） 矿井瞬变电磁法是在地下几百米深度的井下巷 道中进行的， 瞬变电磁场呈全空间分布， 这时测量 得到的瞬变响应为全空间响应。 在发射线圈中通以 阶跃电流， 瞬间关断后， 任意时刻发射线圈前方的 涡旋电流在发射位置处产生的磁场可以等效为一个 水平环状线电流的磁场 （图 1）。 图 1 全空间条件下 TEM 信号扩散示意 由已知资料可知［8-9］， 电磁场与介质电阻率间 为复杂的函数关系， 全空间视电阻率值计算公式 为 ρs C μ0 4πt 2μ0SN 5t（V/ I） ■ ■ ■ ■ 2/3 （2） 式中， C 为全空间响应系数； μ0为真空磁导率； S， N 为接收线圈面积及匝数； t 为二次场延迟时 间； V/ I 为发射脉冲电流幅值归一化电位。 可利用 （3） 式求取不同时间对应的深度［10］ Ds（t） ∫ t 0v（ρs， t）dt （3） 式中， v（ρs， t） 为电磁场的传播速度； Ds（t） 为 t 时 刻瞬变电磁场传播深度。 1. 2 参数优化试验 为了更好地模拟目标探测条件， 获得相似的背 景场， 试验选择在探测工作面轨道巷内进行。 巷道 宽度 4. 1m， 高度 2. 2m， 锚杆、 锚网支护， 巷道正 前方布置钻孔， 方位角 90， 倾角5， 孔深 45m 处见空出水， 出水量约为 10m3/ h， 水压 0. 2MPa。 试验采用重叠回线装置形式， 线圈边长 2m， 发射 电流为 3A， 通过多次单点重复测试该试验装置下 关断延时为 0. 243ms。 试验中采用单一变量控制法进行探测， 探测装 置其他参数与探测条件不变， 频率与叠加次数试验 各采集 3 组数据， 进而分析不同频率、 叠加次数条 件下矿井瞬变电磁场响应的变化情况。 每次试验观 测采用多角度扇形探测， 探测方向为顺岩层向掘进 方向探测， 如图 2 所示， 共布置横向探测角度 14 个， 探测方向分别是左侧帮 （180， 165， 150， 135， 120， 105）、 正前方 （90， 90）、 右侧帮 （0， 15， 30， 45， 60， 75）， 计 14 个测点数 据， 在顺层前方形成扇形断面。 试验方案和序列见 表 1。 图 2 观测示意 表 1 试验方案和序列 试验序号试验方案参数设置测点数/ 个 1 2 3 变频率试验 2. 5Hz14 6. 25Hz14 25Hz14 4 5 6 叠加次数试验 1614 3214 6414 1. 2. 1 频率试验 图 3 为巷道正前方 7 号测点试验频率下的电动 势曲线图。 由图可知， 在其他条件不变的情况下， 由低到高 3 个试验频率的曲线形态存在显著的区 别， 同一测点不同发射频率的一次场持续时间不 同， 且测试发射频率对瞬变电磁场影响的观测时间 不同。 频率越大一次场持续时间越长， 二次场观测 时间就越短。 2. 5Hz， 6. 25Hz 及 25Hz 的观测时间 起始时间序列分别为 11， 15 和 25， 即发射频率越 大， 盲区越大， 探测深度越小， 二次场开始阶段衰 减比较均匀， 中间部分曲线衰减反映地层变化， 发 射频率为 2. 5 Hz 时， 第 67 时间序列数据由于干扰 产生跳点畸变， 6. 25Hz 时晚期衰减均匀， 曲线无 畸变现象。 数据采集效果相对较好。 图 4 为试验频率巷道超前探测视电阻率等值线 断面图， 横坐标 0 点表示巷道迎头位置， 纵坐标为 探测深度， 设定不同的发射频率， 各个频率顺层视 91 邱 浩 基于参数优化试验的工作面空巷探测技术研究2016 年第 4 期 ChaoXing 图 3 频率试验电动势曲线 图 4 试验频率巷道超前探测视 电阻率等值线断面对比 电阻率等值线拟断面图的变化趋势差异较大， 尤其 对于低阻异常区影响明显。 由图 4 可知， 发射频率越大， 深部视电阻率衰 减越均匀， 当发射频率为 25Hz 时深部无低阻异常 反映， 实际探测距离较短， 探测结果可靠性降低。 在发射频率为 2. 5Hz 和 6. 25Hz 时， 低阻异常深度 同实际钻孔揭露的空区位置吻合， 探测效果较好， 但由试验测点电动势曲线可知当频率为 2. 5Hz 时 易受到干扰出现畸变现象， 图 4 中当频率为 2. 5Hz 时视电阻率断面图中巷道正前方也出现了黑色实线 标定闭合单点干扰区域， 影响了晚期低阻异常的分 辨。 在发射频率为 6. 25Hz 时， 圈定低阻异常区域 如图中黑色虚线圈定区域所示， 位置同钻孔出水位 置吻合较好， 由此确定 6. 25Hz 的发射频率能够获 得比较好的空巷探测效果， 同时在一定程度上降低 干扰因素的影响。 1. 2. 2 叠加次数试验 由实测数据分析， 不同叠加次数电阻率曲线在 30 时间序列之前曲线形态基本一致， 故为便于对 比分析， 选择 30 时间序列之后的数据进行不同叠 加次数电阻率曲线分析数据。 图 5 为不同叠加次数 试验电阻率曲线图， 看出巷道正前方 7 号试验测点 叠加次数为 32 及 64 时， 相对视电阻率起伏变化趋 势基本一致， 当叠加次数为 16 时， 中晚期视电阻 率曲线变化趋势同其他 2 次试验不同， 而且晚期曲 线出现跳点畸变现象。 图 5 7 号试验测点叠加次数试验电阻率曲线 图 6 为试验叠加次数巷道超前探测视电阻率等 值线断面对比。 由图 6 可知， 叠加次数为 32 时， 黑色虚线圈定低阻异常位置与实际见空位置吻合较 好， 探测效果相对较好， 而在叠加次数为 16 及 64 时， 低阻异常区域不明显。 2 空巷探测实例分析 根据工作面井下参数优化试验分析结果可知， 选择合适的参数以及在数据处理过程中剔除井下干 扰源的影响对于保证探测效果的准确性至关重要， 以试验结果作为依据， 将基于参数优化的井下工作 面空巷探测技术应用于朝阳煤矿 9101 工作面内部 空巷探测工程中。 2. 1 工程概况 朝阳煤矿由于历史原因， 矿区整合前周边小煤 矿众多， 小煤矿的不规范生产、 资料缺失、 乱采乱 挖给 9101 工作面的安全回采造成了严重的威胁， 在工作面轨道巷掘进过程中即发生过揭露空巷打钻 出水现象， 水压最大可达 0. 2MPa， 涌水量约为 10m3/ h。 为了进一步查明朝阳煤矿 9101 工作面内 02 总第 131 期煤 矿 开 采2016 年第 4 期 ChaoXing 图 6 试验叠加次数巷道超前探测视 电阻率等值线断面对比 部未知老旧巷道的分布范围及其富水情况， 必须对 工作面内部可能存在的空巷及其富水情况进行探 查。 井田范围地层由老到新依次为 奥陶系中统马 家沟组峰峰组， 石炭系中统本溪组、 石炭系上统太 原组、 二叠系下统山西组、 二叠系下统下石盒子组 及第四系。 井田的含煤地层为石炭系上统太原组和 二叠系下二叠统山西组， 主要包含 2 组可采煤层， 3 号煤层位于山西组下部， 已经采空， 9 号煤层位 于太原组中部， 距 3 号煤层平均间距约为 50m， 为 该矿当前主采煤层， 9101 工作面走向长 1150m， 倾斜长 180m， 影响 9101 工作面煤层安全生产的最 主要因素为工作面内部存在的未知富水空巷。 2. 2 地球物理特征 井田范围内 3 号煤层已经采空， 9 号煤层位于 K4灰岩之上， 平均厚度 1. 88m， 顶板为泥岩、 粉 砂质泥岩。 9 号煤层顶板裂隙富水的矿化度较高， 其易沿裂隙导通汇集至 9 号煤层工作面内部的空巷 区域， 形成空巷积水， 空巷区域的视电阻率值将明 显低于周围正常煤岩层的电阻率； 由于富水巷道围 岩区域导水裂隙对电磁波具有吸收作用， 因此在空 巷区域无线电波吸收系数较高， 接收的场强较弱。 根据矿井地质与水文条件， 结合煤岩层的电性特 征， 确定瞬变电磁法相对视电阻率值不高于 15Ω m 的区域界定为巷道富水异常区， 含水性相对较 强， 低阻电性特征明显， 确定高吸收系数区域为异 常区。 2. 3 探测方案 本次探测的任务为探测工作面内老旧巷道的分 布及其含水性， 采用矿井瞬变电磁法作为本次富水 性区域探测的主要手段， 以无线电波透视法作为空 巷探测的辅助手段， 将两种方法结合起来确定朝阳 煤矿 9101 工作面内部老旧巷道的分布范围及其富 水情况。 瞬变电磁法参数设计参考试验结论， 采用 重叠回线装置， 收发线圈边长 2m， 发射电流 3. 5A， 工作面双巷各设计一条瞬变电磁测线， 探 测方向为顺煤层探测， 探测方向示意如图 7 所示。 无线电波透视法采用双巷收发， 两种方法测点间距 均为 5m。 图 7 探测方向示意 2. 4 探测结果分析 图8 为9101 工作面500 ～1000m 区段顺层方向 视电阻率等值线断面， 图 9 为 9101 工作面顺层方 向无线电波透视法场强成像图， 区段标号为距开口 距离， 横坐标为工作面两侧巷道， 纵坐标为工作面 宽度坐标， 瞬变电磁法探测前方存在盲区， 因此图 9 宽度范围为 30 ～ 150m。 根据电阻率断面特征， 将 15Ωm 的区域界定为含水性较强区域。 由图 9 可知， 在 9101 工作面 500 ～ 1000m 区段， 存在两 处较为明显的低阻异常， 分别分布于 590 ～ 830m， 925 ～ 1000m 区段， 在图 9 中， 存在两处较为明显 的场强透射异常， 分别分布于 600 ～ 740m， 890 ～ 990m 区段， 结合瞬变电磁法及无线电波透视法成 果图分析， 两者重合区段为 600 ～ 740m， 925 ～ 990m， 由此推断两区域为富水异常区， 同时， 存 在空巷及构造异常的可能性较大， 经打钻验证， 在 巷道 660m， 680m， 710m， 915m 处见空， 其中在 660m， 680m， 710m 处打钻出水， 出水量 10m3/ h， 915m 处见空但未出水， 为近切眼区段大量金属铁 器影响所致， 经验证同探测结果吻合程度较高。 12 邱 浩 基于参数优化试验的工作面空巷探测技术研究2016 年第 4 期 ChaoXing 图 8 9101 工作面顺层视电阻率等值线断面 图 9 9101 工作面顺层无线电波透视法场强成像 3 结 论 在巷道掘进过程中通过基于频率、 叠加次数的 参数优化试验， 确定了工作面内部老旧巷道探测的 最优化参数， 并通过在朝阳煤矿 9101 工作面内部 老旧巷道探测的工作实践， 取得了良好的效果， 得 出如下结论 （1） 通过参数优化试验确定采用 6. 25Hz 发射 频率、 32 次叠加、 0. 243ms 延时探测老旧巷道及 其富水性是可行的。 （2） 各矿的地质和采矿条件千差万别， 在进 行正式数据采集之前进行试验工作是非常重要的， 只有这样才能不断提高探测的精度， 从而为煤矿的 安全生产提供良好的地质依据。 ［参考文献］ ［1］ 孙庆先， 安晋松， 牟 义， 等 . 地面与井下物探联合精细探 测小型断层构造 ［J］ . 煤矿开采， 2014， 19 （6） 25-28. ［2］ 于师建 . 三软煤层上覆含水层富水性瞬变电磁法探测技术 ［J］ . 煤炭科学技术， 2015， 43 （1） 104-107， 73. ［3］ 李宏杰， 董文敏， 杨新亮， 等 . 井上下立体综合探测技术在 煤矿水害防治中的应用 ［ J］ . 煤矿开采， 2014， 19 （1） 98-101， 90. ［4］ 肖乐乐， 魏久传， 牛 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