井下電磁法動態(tài)探測成像技術的應用

王坤

摘? 要：通過開展水害及異常體地質參數(shù)研究、隱式時域三維有限差分實時成像技術研究、數(shù)值模型建模及隱蔽水害實時探測方法等實施井下突水預警多方位電磁法動態(tài)探測實時成像技術研究，并開展示范工程與應用，聯(lián)合研發(fā)相關探查設備，達到實現(xiàn)煤巖水害地質異常體參數(shù)提取、隱式時域三維有限差分方法成像技術、數(shù)值地質模型，水害瞬變電磁法預警實時成像技術的目標。

關鍵詞：電磁法;探測;成像

中圖分類號：P631.2? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）06-0167-02

1 概況

在礦井防治水方面，當前面臨的主要技術問題有兩個方面，一是對水體的超前探查技術不完善，不能夠較為準確地對地下水體的分布狀態(tài)、數(shù)量等做出判斷。二是對于斷層與陷落柱等構造發(fā)育規(guī)律、老空區(qū)分布及其導水性規(guī)律研究深度不夠。物探結果相互獨立，對于地質異常的劃分沒有與其它方法、地質資料等手段結合，這需要在礦區(qū)長期開展探測工作。針對以上情況需要開展礦區(qū)水害及異常體地質參數(shù)研究，并采用三維有限差分數(shù)值算法建立礦區(qū)地質三維數(shù)字模型，研究電磁波傳播的規(guī)律，分析充水采空區(qū)、導水陷落柱、充水斷層等隱蔽水害與瞬變電磁響應的關系，并總結辨別依據(jù)。

2 方案設計

（1）礦區(qū)實際地質參數(shù)提取。瞬變電磁二次場衰減信號與被測區(qū)域實際地質參數(shù)緊密相關，準確提取被測區(qū)域地球物理電性參數(shù)、充分獲取地層結構參數(shù)是精準分辨水害異常的關鍵。因此，需要通過現(xiàn)場踏勘，收集礦區(qū)地質資料，深入了解礦區(qū)水文地質類型;同時，提取礦區(qū)煤巖樣品電性參數(shù)，為后期礦區(qū)三維數(shù)值建模、數(shù)據(jù)反演解釋和異常判定提供原始參數(shù)。（2）礦區(qū)三維數(shù)值建模。由于各個礦區(qū)的地質參數(shù)不同，瞬變電磁二次場響應特征也大相徑庭。為分析發(fā)射電流完全關斷后，電磁波在皖北煤電下屬礦區(qū)煤層、巖層中的傳播規(guī)律，弄清皖北煤電充水采空區(qū)、陷落柱、斷層的瞬變電磁探測二次場信號特征，需要結合皖北煤電地質參數(shù)，通過三維高精度無源隱式差分方程建立礦區(qū)三維地質數(shù)字模型，通過數(shù)值算法模擬在不同電磁波參數(shù)、不同地質參數(shù)、不同水害類型下的瞬變電磁二次場信號傳播，分析異常響應規(guī)律，總結異常識別特征。（3）瞬變電磁動態(tài)成像儀研制。為提高對隱蔽水害探測的準確率和效率，需要提高探測儀器的性能：通過提高發(fā)射功率、縮短發(fā)射電流關鍵時間，提高二次場信號強度;通過壓噪調理技術和低噪采樣技術，實現(xiàn)二次場弱信號的提取;通過姿態(tài)角測量技術和高速CPU并行計算技術，實現(xiàn)隱蔽水害的視電阻率實時成像;結合皖北煤電地質參數(shù)，在解釋軟件中植入實際電性參數(shù)和異常特征識別模型，實現(xiàn)隱蔽水害的準確辨別。（4）皖北煤電隱蔽水害數(shù)值建模。為保證盡量降低盲區(qū)的同時，提高探測距離，采用全波型測量方法，在發(fā)射電流關斷期間和完全關斷后，均完全采集數(shù)據(jù)。最后通過全波型視電阻率解釋，實現(xiàn)對前方地層實時成像。井下全空間全波形瞬變電磁測量，不僅能實現(xiàn)淺層地質體的探測，降低盲區(qū)，而且具有解釋精度高，對低阻體具有高分辨率等優(yōu)點。最初全波形解釋主要用在航空瞬變電磁上。

綜上所述，針對目前井下全空間瞬變電磁探測在理論計算和解釋存在的不足，結合全波形探測的優(yōu)勢，在國內外階躍波發(fā)射三維無源有限差分算法基礎上，研究了井下任意波形發(fā)射全空間全波形時間域響應三維有限差分數(shù)值算法：結合矩形波無源三維有限差分算法，在Switch-off-time時段對發(fā)射電流進行場源離散，等效為若干小梯形脈沖元的和，并將小梯形脈沖元在時間上的電磁場轉換成空間中初始電磁場，分時引入迭代方程中，逐漸將有源有限差分方程轉化為無源有限差分方程。最后通過模型的數(shù)值計算，研究電磁波在礦區(qū)煤層、巖層中的傳播規(guī)律，弄清充水采空區(qū)、陷落柱、斷層的瞬變電磁探測二次場信號特征，分析響應規(guī)律，總結異常識別特征。

3 成像實驗

3.1 成像方案設計

在恒源煤電股份有限公司煤礦深部井-940m回風主石門B12點前55.6m多方位電磁法動態(tài)探測實時成像實驗，結合礦井的水文地質條件、礦井充水因素、水害特征，通過對-940m回風主石門B12點前55.6m進行瞬變電磁超前探測，初步查明探測前方100m范圍內的富水區(qū)分布情況，以及3#、4#煤層頂?shù)装迳皫r層的富水情況，對掘進工作面前方可能出現(xiàn)的異常含水區(qū)域做出及時準確的超前預報，指導巷道安全掘進和防治水工作，達到防止和減少水害事故，保障煤礦安全、高效的生產(chǎn)，驗證多方位電磁法動態(tài)探測實時成像技術的有效性和儀器的準確性。

3.2 現(xiàn)場布置

現(xiàn)場探測分水平和豎直探測，水平探測布置5個方向（順層方向、偏頂板10°、偏底板10°、偏底板20°、偏底板30°），每個方向布置13個測點（間隔15°探測180°范圍）。

3.3 探測成果分析

（1）水平方向頂板10°。方向現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)編輯、濾波處理、視電阻率計算、時深轉換等步驟，可得10°方向視電阻率等值線圖。由圖綜合分析可知，探測區(qū)域視電阻率等值線變化平緩，除左幫和正前方遠區(qū)處視電阻率值相對較高外，其他區(qū)域無明顯的突變和低阻圖異常區(qū)，推測頂板10°基本無水。

（2）水平方向順層方向?，F(xiàn)場采集數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)編輯、濾波處理、視電阻率計算、時深轉換等步驟，可得如圖1順層方向視電阻率等值線圖。由圖1綜合分析可知，探測區(qū)域視電阻率等值線變化平緩，除左幫和正前方遠區(qū)處視電阻率值相對較高外，其他區(qū)域無明顯的突變和低阻異常區(qū)，推測順層方向含水性弱或者不含水。

（3）水平方向底板10°方向?，F(xiàn)場采集數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)編輯、濾波處理、視電阻率計算、時深轉換等步驟，可得如圖2底板10°方向視電阻率等值線圖。由圖2綜合分析可知，探測區(qū)域視電阻率等值線變化平緩，除左幫和正前方遠區(qū)處視電阻率值相對較高外，其他區(qū)域無明顯的突變和低阻異常區(qū)，推測底板10°方向含水性弱。

（4）水平方向底板20°方向?，F(xiàn)場采集數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)編輯、濾波處理、視電阻率計算、時深轉換等步驟，可得如圖3底板20°方向視電阻率等值線圖。由圖3綜合分析可知，探測區(qū)域視電阻率等值線變化平緩，數(shù)據(jù)質量可靠，在右?guī)?0°～15°方向，探測深度25～60m范圍內，視電阻率呈現(xiàn)圈閉的低阻區(qū)域，推測底板20°方向含少量砂巖裂隙水。

（5）水平方向底板30°方向現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)編輯、濾波處理、視電阻率計算、時深轉換等步驟，可得如圖4底板30°方向視電阻率等值線圖。由圖4綜合分析可知，探測區(qū)域視電阻率等值線變化平緩，數(shù)據(jù)質量可靠，在右?guī)?°～15°方向，探測深度30～50m范圍內，視電阻率呈現(xiàn)圈閉的低阻區(qū)域，推測底板30°方向含少量砂巖水。

4 結論及建議

根據(jù)井下現(xiàn)場物探成果圖和地面數(shù)據(jù)處理視電阻率剖面圖等資料，綜合分析水平方向和垂直上探測成果圖，可知：在頂板10°方向和順層方向視電阻率整體變化平緩，無明顯的低阻異常，推測頂板方向含水弱或者不含水。在底板10°～30°方向，探測深度25～60m范圍，呈現(xiàn)圈閉的低阻異常，但視電阻率值大于30Ω·m，結合地質情況，推測底板10～30°方向含少量砂巖裂隙水。經(jīng)過與地質資料和鉆孔資料驗證，與實際情況相符合，驗證了方法和儀器的正確性。

參考文獻：

[1]李貅，薛國強，郭文波.瞬變電磁法擬地震成像研究進展[J].地球物理學進展，2007，22（3）：811-816.