曙光煤礦瞬變電磁超前探測(cè)物理模擬試驗(yàn)研究

王 欣

（山西焦煤集團(tuán)汾西礦業(yè)曙光煤礦， 山西 孝義 032300）

引言

煤礦水害事故對(duì)于礦山企業(yè)的安生生產(chǎn)影響重大，已成為礦山安全重大事故種類(lèi)之一，事故較小則造成工作面全面停產(chǎn)，事故大則帶來(lái)礦井事故，使井下作業(yè)人員發(fā)生重大的傷亡事故。因此，礦山防治水工作就成為礦山企業(yè)安全生產(chǎn)不可忽略的重要問(wèn)題之一。

利用瞬變電磁超前探測(cè)物理模型，對(duì)煤礦工作面研究的探測(cè)方式進(jìn)行分析驗(yàn)證，了解瞬變電磁法怎樣判斷工作面巷道探測(cè)時(shí)前方圍巖體內(nèi)部含水體的分布情況，同時(shí)利用獲得的水文信息資料配合探測(cè)得到的水體可以進(jìn)行合理的解釋?zhuān)瑢?duì)于確保礦井安全生產(chǎn)起決定性作用，對(duì)實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量高效率具有非常重大的歷史意義。

1 瞬變電磁探測(cè)法

當(dāng)前，曙光煤礦瞬變電磁法采用的工作儀器基本有兩個(gè)，一個(gè)是重疊回線圈，另一個(gè)是偶極對(duì)偶極。礦井瞬變電磁法在煤礦地下巷道中使用時(shí)都是多匝小型的回線圈儀器，參數(shù)的準(zhǔn)確可以直接干擾測(cè)量的結(jié)果，主要參數(shù)包括回線圈的邊長(zhǎng)，回線圈的圈數(shù)，時(shí)間序列，疊加次數(shù)等[1]。

測(cè)點(diǎn)布置主要是在掘進(jìn)巷道的迎頭處，如圖1所示，即以巷道的迎頭左邊為起始位置，首先讓發(fā)射以及接收的天線的法向線與巷道左側(cè)面相互垂直，然后進(jìn)行探測(cè)（圖1中的1號(hào)測(cè)點(diǎn)），再轉(zhuǎn)動(dòng)天線，讓天線的法向線與巷道左邊分別成60°，45°和30°的夾角再依次探測(cè)（圖1中的2，3和4號(hào)測(cè)點(diǎn)）；如果天線的法向線的方向跟巷道的迎頭界面的角度成90°角時(shí)，可以依據(jù)其主迎頭的斷面寬度安設(shè)2～3個(gè)測(cè)點(diǎn)（圖1中的5，6和7號(hào)測(cè)點(diǎn)）；到達(dá)巷道的迎頭右邊然后轉(zhuǎn)動(dòng)天線，讓法向線方的向跟巷道的右邊分別成30°，45°，60°和90°的夾角再依次探測(cè)（圖1中的8，9，10和11號(hào)測(cè)點(diǎn)）[2]。即需要從不同角度收集數(shù)據(jù)，從而取得相對(duì)比較完整的前方三維空間資料。

圖1 超前探測(cè)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

在實(shí)際的操作過(guò)程中，針對(duì)圖1中的每一個(gè)發(fā)射點(diǎn)，讓天線的法向線方向跟巷道底板形成夾角，以探測(cè)巷道的頂板、順層以及低板方向的巖石導(dǎo)電情況。這樣就可以得到一個(gè)位于巷道的迎頭正前方一個(gè)錐形體區(qū)域內(nèi)地質(zhì)巖層介質(zhì)的導(dǎo)電性變化狀況[3]。

2 數(shù)據(jù)采集及處理

本次瞬變電磁法探測(cè)采用的設(shè)備是武漢地大華睿地學(xué)技術(shù)有限公司研發(fā)的YCS200型[4]。

瞬變電磁數(shù)據(jù)處理，利用相關(guān)計(jì)算公式及采區(qū)的基本資料計(jì)算視電阻率、視深度等一些基本參數(shù)，根據(jù)資料的實(shí)際情況應(yīng)進(jìn)行濾波、一維反演處理，直至獲得合適的解釋數(shù)據(jù)。處理流程如下頁(yè)圖2所示。

本次資料解釋將堅(jiān)持：“水文地質(zhì)研究與物探資料解釋相結(jié)合，定性解釋與定量解釋相結(jié)合”的基本原則，采用綜合處理與解譯技術(shù)，減少多解性，提高解釋可靠性。資料解釋的基本流程如下頁(yè)圖3所示。

礦井TEM視電阻率等值線斷面圖橫坐標(biāo)為測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)，縱坐標(biāo)為沿探測(cè)方向上深度坐標(biāo)，結(jié)合地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，確定探測(cè)區(qū)域內(nèi)橫向、水平和垂向深度上巖層電性變化情況。資料解釋結(jié)合已知的地質(zhì)、鉆探和水文等資料。在具體解釋中還做到了：人工解釋與計(jì)算機(jī)解釋相結(jié)合；垂直斷面與水平切面解釋相結(jié)合；電性解釋與綜合地質(zhì)分析相結(jié)合[5]。

圖2 瞬變電磁數(shù)據(jù)處理及解釋流程圖

圖3 瞬變電磁資料解釋流程圖

3 瞬變電磁超前探測(cè)物理模型構(gòu)建

建立物理模型進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，設(shè)置在長(zhǎng)方體長(zhǎng)、寬、高為1.0 m、0.7 m、0.7 m的沙槽中開(kāi)展該實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)利用細(xì)顆粒的黃沙當(dāng)作均媒介模擬巷道的圍巖情況，沙槽內(nèi)的黃沙厚度是0.6 m，在沙槽的隨便任意一側(cè)開(kāi)挖一條合理的巷道，低電阻的金屬球安置在距離掘進(jìn)巷道正前方的0.4 m位置。在模擬巷道的掌子面總共設(shè)置13個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，相鄰測(cè)點(diǎn)之間的距離位0.03 m，測(cè)線系統(tǒng)的參數(shù)如表1所示。

4 模擬結(jié)果

如圖4所示的三個(gè)圖：一個(gè)是頂板方向的超前瞬變電磁法探測(cè)的視電阻率剖面圖，第二個(gè)是順層方向的超前瞬變電磁法探測(cè)的視電阻率剖面圖，第三個(gè)是底板方向的超前瞬變電磁法探測(cè)的視電阻率剖面圖，巷道頂板設(shè)計(jì)的探測(cè)方向跟水平面的夾角是45°，可以探測(cè)到迎頭的前方頂板橫軸方向上0.1～0.45 m范圍內(nèi)的電性狀況，縱軸方向上0.1～0.45 m范圍內(nèi)的電性狀況。扇形區(qū)域內(nèi)的視電阻率相對(duì)比較均勻。順層方向的探測(cè)跟水平面幾乎是平行的，可以探測(cè)巷道迎頭正前方的視電阻率狀況，圖4呈現(xiàn)的是巷道的迎頭左前方和右前方的視電阻率，發(fā)現(xiàn)其值非常的高，而迎頭的正前方表現(xiàn)的視電阻率值相對(duì)低一些。底板的探測(cè)方向跟水平面的夾角也是45°，可以探測(cè)到迎頭的前方頂板橫軸方向上0.1～0.45 m范圍內(nèi)的電性狀況，縱軸方向上0.1～0.45m范圍內(nèi)的電性狀況。圖中的左前方出現(xiàn)低電阻現(xiàn)象，極有可能是因?yàn)檫吔缧?yīng)引起的偏差。綜合分析低電阻部分的中心位置基本可以較好的和設(shè)計(jì)模型出現(xiàn)的異常體的實(shí)際位置相符合，分辨程度非常高。

表1 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置表

圖4 超前探測(cè)視電阻率等值線圖

5 結(jié)論

以探測(cè)煤礦采空區(qū)積水為研究背景，通過(guò)建立物理模型，進(jìn)行瞬變電磁超前探測(cè)，主要結(jié)論如下：

1）迎頭的前方頂板橫軸方向上0.1～0.45 m范圍內(nèi)的電性狀況和縱軸方向上0.1～0.45 m范圍內(nèi)的電性狀況相對(duì)比較均勻；巷道的迎頭左前方和右前方的視電阻率，其值非常高，而迎頭的正前方表現(xiàn)的視電阻率值相對(duì)低一些；迎頭的前方頂板橫軸方向上0.1～0.45 m范圍內(nèi)的電性狀況和縱軸方向上0.1～0.45 m范圍內(nèi)的電性狀況左前方出現(xiàn)低電阻的現(xiàn)象，極有可能是因?yàn)檫吔缧?yīng)引起的偏差。

2）低電阻部分的中心位置基本可以較好地和設(shè)計(jì)模型出現(xiàn)異常體的實(shí)際位置相符合，分辨程度非常高。