幾種礦井電法的應(yīng)用分析

王 程，蔣齊平

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，西安 710077）

幾種礦井電法的應(yīng)用分析

王 程，蔣齊平

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，西安 710077）

對國內(nèi)煤礦井下應(yīng)用較為廣泛的直流電法、瞬變電磁法和音頻電透視的理論研究基礎(chǔ)進(jìn)行了論述及評價，內(nèi)容包括正反演理論及資料處理解釋方法，并對其研究現(xiàn)狀進(jìn)行了解析。通過實(shí)例介紹了三種方法在井下小窯巷道、含水目標(biāo)體和富水層等進(jìn)行超前探測中的應(yīng)用，最后對三種方法在理論基礎(chǔ)、解釋精度、反演方法等方面進(jìn)行展望，并對其在理論研究與應(yīng)用的發(fā)展方向提出了建議。

礦井電法；直流電法；瞬變電磁法；音頻電透視

0 引言

煤炭是我國的主要能源結(jié)構(gòu)組成，煤田地球物理勘探以其自有的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于煤炭水文地質(zhì)勘查領(lǐng)域。

煤炭地球物理勘探中電法代表性方法為瞬變電磁法和直流電法，這二種方法在探測煤礦老窯積水區(qū)、斷層、巖溶等水文地質(zhì)問題上發(fā)揮了重要的作用。近些年隨著煤礦機(jī)械化進(jìn)程的發(fā)展，地面電法逐漸不能滿足井下安全生產(chǎn)的需求，這時應(yīng)運(yùn)而生的礦井電法發(fā)展起來，礦井直流電法和瞬變電磁法，以及更改施工方式和裝置發(fā)展起來的音頻電透視等方法解決了煤礦的客觀需求，取得了大量的地質(zhì)成果。

1 幾種礦井電法簡述

1.1 礦井直流電法

1.1.1 基本原理

直流電阻率法在國內(nèi)外發(fā)展較早，應(yīng)用較廣的一種方法。在20年前，因國內(nèi)煤礦生產(chǎn)需求，國內(nèi)學(xué)者將該方法引入到井下全空間。

直流電法超前探主要用于探測巷道掌子面前方的水文地質(zhì)異常區(qū)，施工方式為：掘進(jìn)頭附近布置第一個供電電極A，形成一個點(diǎn)電源場，在距離掘進(jìn)頭遠(yuǎn)處布置無窮遠(yuǎn)電極B，然后在同一直線上向掘進(jìn)后方距離第一個電極等間距布置第二個、第三個形成三個供電點(diǎn)，測量電極M、N，進(jìn)而分析巷道前方是否存在水文異常區(qū)。

引用圓柱坐標(biāo)系，原點(diǎn)設(shè)在電源點(diǎn)處，Z軸垂直板狀體。在有源一側(cè)的電場分布表達(dá)式為：

式中ρ1為圍巖電阻率，ρ2為無線大板狀體電阻率，，R為電源到觀測點(diǎn)距離，為所設(shè)板狀體厚度，d為到板狀體的距離，觀測電極沿Z軸負(fù)向移動，上式有：r=0，z∠0，R=-z，電源點(diǎn)所在介質(zhì)ρ1中的電位表達(dá)式為[1]：

電阻率表達(dá)式為

1.1.2 研究現(xiàn)狀

目前主要處理方法為“聚焦法”“比值法”“歸一法”對施工巷道的干擾、全空間的影響進(jìn)行消除，該處理解釋手段在山西煤礦探測迎頭前方老窯采空積水區(qū)取得了顯著性的效果。

針對全空間條件下的直流電法超前正反演研究主要有：黃俊革等[2]采用最小二乘法對超前探測視電阻率曲線進(jìn)行快速反演，反演應(yīng)用性較好，能夠快速的反演得到異常體的厚度和電阻率的綜合值，對圍巖的電性特征也有精準(zhǔn)反應(yīng)，然而在稍復(fù)雜的異常體產(chǎn)狀時反演效果不佳。劉斌等[3-4]采用基于全空間球體含水構(gòu)造超前探測解析公式的阻尼最小二乘反演方法，并提出了“等效球體”的概念，反演出的異常體位置較為準(zhǔn)確，能滿足實(shí)際工程需求。魯晶津等[5]在三維電阻率反演軟件RESINVM3D的基礎(chǔ)上，對全空間條件下的直流電法三維正反演進(jìn)行了研究，基本上實(shí)現(xiàn)了全空間下對異常體的位置、規(guī)模和形態(tài)的精細(xì)反演[6]。

1.2 礦井瞬變電磁法

1.2.1 基本理論

礦井瞬變電磁法勘探是在地面以下幾百米甚至上千米的井下巷道內(nèi)進(jìn)行的。由于巷道頂、底板巖層為均勻?qū)щ娦越橘|(zhì)，巷道內(nèi)測量的電磁感應(yīng)信號為其頂、底板周圍全空間的綜合電磁感應(yīng)[7-8]。

均勻全空間介質(zhì)中的水平圓形回線發(fā)射框中心的瞬變響應(yīng)（磁場的垂直分量與感應(yīng)電動勢）為[9]

式中，I0為供電電流，t為觀測時間，μ為均勻半空間磁導(dǎo)率，S為接收線圈的等效面積，r0為發(fā)射線圈半徑。

當(dāng)ρt→∞時，可以得出晚期響應(yīng)為：

則可得到中心回線的晚期視電阻率公式

1.2.2 研究現(xiàn)狀

目前礦井瞬變電磁法資料的處理方法主要采用“校正”和“偏移”對線圈耦合、巷道等影響進(jìn)行消除，然后結(jié)合“成像”技術(shù)來探測巷道迎頭前方的富水區(qū)。

在正反演研究方面，瞬變電磁法的一維正反演較為成熟，而由于瞬變電磁法激發(fā)源的特殊性，不存在真正意義上的二維正反演，因此主要研究方向集中在三維正反演，尤其是針對任意復(fù)雜三維模型響應(yīng)的求解[10]。所采用的三維求解方向主要有：體積分方程法（VIE）、有限單元法（FEM）、時域有限差分法（FDTD）和有限體積法（FV）。主要以有限元和有限差分應(yīng)用較多。

針對瞬變電磁法全空間三維反演較少，僅有少量的三維時間域電磁反演應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。Haber[11-12]等人提出了另一種共軛梯度法求解，進(jìn)行回線源TEM的三維反演；鄧小紅[13]從正演計算工作量的角度考慮，選擇回線源裝置而開展的三維正反演研究，為了縮小反演的空間范圍和計算時間，僅對異常場進(jìn)行反演；程久龍、李明星等[14]開發(fā)了全空間粒子群算法反演程序，進(jìn)行煤礦井下礦井瞬變電磁法研究，有效提高了全空間TEM勘探的精度；李展輝[15]采用Occam反演方法進(jìn)行2.5維和三維反演，利用格林函數(shù)互易定理計算敏感度矩陣并進(jìn)行存儲；李貅等[16]通過波場轉(zhuǎn)換方法，進(jìn)行擬地震偏移孔徑成像，在一定程度上滿足揭示主要探測異常體的近似幾何形態(tài)的需求。

1.3 音頻電透視

1.3.1 基本理論

礦井音頻電透視與井下坑道間電透視法相類似，但是其嚴(yán)格來說屬于直流電法類。它是把供電電極和測量電極分別布置在井下工作面的兩順槽內(nèi)，采用全空間下直流電法原理研究工作面內(nèi)的電場變化規(guī)律，從而探測工作面的水文地質(zhì)問題，在保障工作面安全采煤方面起到積極有效的保障作用[17]。

全空間內(nèi)任意點(diǎn)的電位表達(dá)式為：

式中：Ui，j為第i層的點(diǎn)源在第j層的電位；L供電點(diǎn)至觀測點(diǎn)的距離；ρi為第i層的電阻率值；kn（i，j）=F（L，d，θ，ρm）為反射系數(shù)函數(shù)。

對于井下局部地質(zhì)體的附加場，可用導(dǎo)電球來說明，即電流場中導(dǎo)體的異?？梢越频乜醋麟娕紭O子的異常。其表達(dá)式為：

對于井下近似三層地電模型來說，其點(diǎn)源場電位表達(dá)式為：

式中：U0為無局部地質(zhì)體時的電位分布；Un為局部地質(zhì)體的異常場。

可以看出異常曲線（U/U0）是以點(diǎn)源A與地質(zhì)體連線的延線為對稱軸的軸對稱曲線。異常寬度、幅度與其大小、電性差異及距離等有關(guān)。因此異常體規(guī)模越大、電性差異越大、距離越小，異常幅度就會越大；反之則越小[18]。

1.3.2 研究現(xiàn)狀

目前礦井音頻電穿透資料處理與解釋方法有人工交匯法與CT成像法兩種。交匯法是采用測量的電位曲線的拐點(diǎn)劃分異常區(qū)，根據(jù)多條曲線交匯最終確定異常位置和大小，因此該方法的誤差較大。CT成像是采用擬地震的層析成像的原理，實(shí)現(xiàn)電法數(shù)據(jù)的成像，主要用來解決工作面頂、底板富水區(qū)的平面分布位置。

礦井音頻電透視的正反演基本采用全空間直流電法理論。高玲玲[17]實(shí)現(xiàn)了在全空間條件下的音頻電透視的正演數(shù)值計算和反演，研究了正則化參數(shù)α對反演結(jié)果的影響。魯晶津[19]采用有限體積法離散偏微分方程，用預(yù)條件雙共軛梯度穩(wěn)定算法求解離散所得線性方程組實(shí)現(xiàn)了三維正演；反演部分采用擬高斯-牛頓法進(jìn)行擬合，應(yīng)用Tik-honov正則化添加先驗(yàn)信息，采用預(yù)條件共軛梯度法計算模型更新。

2 應(yīng)用與發(fā)展前景

2.1 礦井直流電法

直流電法現(xiàn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用井下，探測工作面區(qū)域斷層、裂隙帶、陷落柱等構(gòu)造和小窯巷道，解決危害工作面安全掘進(jìn)的水文地質(zhì)問題。下面就直流電法超前探測實(shí)例進(jìn)行分析該方法的應(yīng)用情況。

所施工煤礦位于山西南部，所采煤層為二疊系山西組煤層，地面埋深160 m左右。探測工作面位于礦區(qū)的中南部，走向條帶布置。根據(jù)前期地質(zhì)調(diào)查巷道掘進(jìn)路徑上可能存在老窯巷道，但由于小窯巷道坍陷和不規(guī)律性，導(dǎo)致掘進(jìn)水文地質(zhì)條件相對復(fù)雜。為此，在巷道掘進(jìn)前先采用直流電法超前探測。

探測共發(fā)現(xiàn)3處低阻異常區(qū)，分別為1號、2號和3號異常。1號異常位于探測前方60～64 m；2號異常位于探測前方78～82 m；3號異常位于探測前方86～92 m。因掌握的已知地質(zhì)資料較少，推測此三處低阻異常均為迎頭前方可能老窯巷道。

圖1 直流超前探掘?qū)Ρ葓DFigure 1 Comparison chart of DC advanced prospecting and mining practice

后經(jīng)巷道掘進(jìn)揭露，在本次探測迎頭前方63～65 m和80～88 m的位置分別發(fā)現(xiàn)兩條老窯巷道：第一條老窯巷道截面積較小，對應(yīng)為1號物探異常；第二條老窯巷道截面積大，2和3號物探異常對應(yīng)老窯巷道的左右?guī)臀恢?。物探成果顯示的異常位置與老窯巷道對應(yīng)較準(zhǔn)確。

然而該處理解釋方法仍是以定性和純數(shù)學(xué)方法，在某些情況存在著局限性。筆者在幾千次的直流電法超前探資料中發(fā)現(xiàn)較多的漏報情況主要表現(xiàn)在目標(biāo)規(guī)模不大或地質(zhì)情況稍復(fù)雜的情況。因此未來需著重以下方向的研究：

1）建立全空間的地球物理理論的體系，并開展三維全空間地球物理場的數(shù)值模擬和物理模擬；

2）改進(jìn)現(xiàn)有的施工方式，完善全空間條件下直流電法聚焦，研究較為快速實(shí)用并具有針對性的反演方法；

3）從單次直流電法超前探測向單條巷道、工作面乃至整個礦區(qū)發(fā)展，建立整個礦區(qū)巖性的電性大數(shù)據(jù)，提高預(yù)報的準(zhǔn)確性；

4）充分利用巷道超前鉆孔、底板孔等，研究結(jié)合鉆孔的孔中電法探測可行性。

2.2 礦井瞬變電磁法

瞬變電磁法對低阻敏感，施工簡易，方向性強(qiáng)，在礦井探測水文地質(zhì)異常區(qū)得到廣泛的應(yīng)用。

所研究例子為山西某煤礦井下瞬變電磁法超前探測成果。所施工巷道位于二疊系山西組2號煤層，頂?shù)装鍘r層以砂泥巖為主，所施工探測目的體為迎頭前方附近的水倉，以研究瞬變電磁法超前方向性和低阻異常體分辨率為目的。

圖2紅色實(shí)心原點(diǎn)位置為施工位置，探測方位為水平層位和垂直層位，藍(lán)色填充線條為實(shí)際水倉位置，水倉為開挖巷道底板下方。從探測成果中可以明顯看出水平層位成果較為準(zhǔn)確的圈出實(shí)際水倉位置，垂直層位成果中主要異常位置探測層位下方，異常從下方發(fā)育延伸。然而瞬變電磁法所產(chǎn)生的陰影效應(yīng)以及目標(biāo)體實(shí)際位置的確定在實(shí)際應(yīng)用中存在較大問題。

礦井瞬變電磁法因其特有的方向性和對低阻的敏感性在煤礦探測富水區(qū)應(yīng)用非常廣泛，然而其在線圈耦合、縱向分辨率、淺部盲區(qū)、干擾源多等問題非常突出。因此有待研究方向?yàn)椋?/p>

圖2 礦井瞬變電磁法超前探測成果圖Figure 2 Mine TEM advanced prospecting results

1）在儀器方向，優(yōu)化硬件在降低線圈耦合、提高信號信噪比及降低關(guān)斷時間的影響，重視觀測系統(tǒng)的優(yōu)化；

2）在施工方面，在研究中心回線裝置的同時，應(yīng)考慮研究全空間下磁偶和電偶極的響應(yīng)特征；

3）在繼續(xù)研究成像技術(shù)的同時，應(yīng)完成全空間條件下瞬變電磁場的響應(yīng)特征，建立完整的理論基礎(chǔ)，應(yīng)用較為實(shí)用的反演方法。

2.3 音頻電透視

礦井音頻電穿透技術(shù)在工作面回采前，探測工作面頂?shù)装鍘r層含水性情況，為工作面的防治水工作提供先驗(yàn)資料。

所研究實(shí)例測區(qū)位于陜北鄂爾多斯盆地侏羅系煤田，工作面開采3-1煤層，煤層頂板直羅組砂巖含水層及煤層頂?shù)装逖影步M砂巖含水層硬度較大，礦化度較高。

探測工作面里段1600 m探測范圍內(nèi)共探測出5處異常區(qū)標(biāo)為4、5、6、7、8號異常區(qū)（圖3）。

驗(yàn)證情況：

圖3 工作面頂板上0～80 m層段音頻電穿透成果圖Figure 3 Audiofrequency electrical perspective results of sector 0～80m above working face roof

從表1異常區(qū)段疏放水鉆孔統(tǒng)計表可以看出，水文異常地質(zhì)體一般發(fā)育在工作面頂板巖層巖性粒度較粗（如中砂巖、粗砂巖）的地段，疏放水量的大小與音頻電穿透異常強(qiáng)度、異常范圍正相關(guān)。

表1 異常區(qū)段疏放水鉆孔統(tǒng)計表Table 1 Statistics of drainage boreholes in abnormal sector

巷道的頂板破壞高度一般在60 m左右，以打鉆距離150 m為布距，鉆孔以扇形布置，則走向長2800 m的工作面需打鉆190個左右。

采用音頻電透視的方法，圈定工作面頂板的異常區(qū)，為打鉆提供靶區(qū)，優(yōu)化設(shè)計鉆孔數(shù)為63個，最后工作面安全回采，大大減少了施工鉆孔的個數(shù)，縮短了防治水工程工期，提高了經(jīng)濟(jì)效益[20]。

音頻電透視主要探測工作面富水區(qū)的平面位置，其在縱向分辨率較差，在全空間條件下無法分辨異常體位于工作面頂板還是底板方位；當(dāng)異常體的規(guī)模較小、富水性差異不明顯時，其分辨率較低。未來應(yīng)著重研究方向?yàn)椋?/p>

1）在儀器方面，著重研究硬件提高信號的信噪比；

2）改進(jìn)施工方式，利用已有巷道、鉆孔等，盡可能的采集多的數(shù)據(jù)；

3）建立全空間的地球物理理論的體系，并開展三維全空間地球物理場的數(shù)值模擬和物理模擬，應(yīng)用全空間的三維電阻率反演[21-25]。

3 結(jié)論

總體來看，礦井物探在近十年得到了很大發(fā)展和進(jìn)步，在煤炭領(lǐng)域得到很多的認(rèn)可和重視。然而其理論基礎(chǔ)、解釋精度，反演進(jìn)展等方面亟待有所突破，從而需建立較為完備的科學(xué)體系，適應(yīng)新的煤炭技術(shù)的實(shí)際需求。

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Applied Analysis for Some Mine Electrical Methods

Wang Cheng，Jiang Qiping
(Xi’an Research Institute,China Coal Technology and Engineering Group Corp,Xi’an,Shaanxi 710077)

The discussion and assessment of theoretical research bases for DC electric,TEM and audiofrequency electrical perspective methods widely used in domestic coalmine underground have been carried out.The contents have forward and conversion theory and data processing,interpretation method,and carried out analysis of the three methods status quo.Through examples introduced ad?vanced prospecting application of three methods in small coalmine underground roadways,water-bearing target bodies and water-rich layers.Finally,looked into the future of theoretical basis,interpretation accuracy and conversion of three methods,put forward sugges?tions on theoretical research and applied development orientation.

mine electric method;DC electric method;TEM;audiofrequency electrical perspective

P631.3

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.03.16

1674-1803(2017)03-0076-05

國家自然科學(xué)基金青年項目(51404295)；陜西省自然科學(xué)基金青年項目(2015JQ5185)；陜西省科技攻關(guān)項目(2015GY106)聯(lián)合資助

王程（1986—），男，湖北荊州人，助理研究員，碩士，2011年于中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）畢業(yè)，主要從事地面和井下物探的理論和應(yīng)用研究。

2016-12-22

責(zé)任編輯：孫常長