礦井瞬變電磁與紅外測溫聯(lián)合超前探測方法與應(yīng)用

徐栓祥，程久龍，董 毅，王開斌

(1.山東新巨龍能源有限責(zé)任公司，山東 菏澤 274000) 2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083)

近年來，由于煤炭資源開采力度加大，開采工作開始向更深的領(lǐng)域發(fā)展，地質(zhì)條件的復(fù)雜性也隨之增大，礦井水害的威脅也日益嚴(yán)重。為防止煤礦水害事故發(fā)生，保證煤礦安全持續(xù)的健康生產(chǎn)，采用高效物探手段快速并準(zhǔn)確查明掘進(jìn)巷道前方水文地質(zhì)狀況尤為重要。常用的巷道超前探測方法有礦井瞬變電磁法、礦井直流電法、地震類方法等[1]，其中礦井瞬變電磁法具有探測方向明確、對含水體反映靈敏、橫縱向分辨率高和作業(yè)高效的優(yōu)勢，在巷道超前預(yù)測預(yù)報(bào)應(yīng)用中備受青睞[2]。目前礦井瞬變電磁法在數(shù)據(jù)處理與解釋方面已取得了一系列研究成果[3-4]，由于工作時采用多匝小線框發(fā)射裝置，受關(guān)斷效應(yīng)的影響不可避免地存在探測盲區(qū)[5]，給淺部資料解釋帶來很大困擾。前人針對這一問題做了大量研究工作，如賈吉哲等[6]利用高斯擬合法將瞬變響應(yīng)向盲區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)外插，減小了探測盲區(qū)。程久龍等[7]給出了更為接近實(shí)際的斜階躍場源激勵下的感應(yīng)段與衰減段的瞬變響應(yīng)解析表達(dá)式，避免了因關(guān)斷效應(yīng)校正引入的誤差。YANG等[8]采用圓錐型場源裝置，有效降低了線圈互感影響，為減小探測盲區(qū)提供了新選擇。紅外測溫法具有操作快捷，對工程作業(yè)不產(chǎn)生影響，探測的精度高等優(yōu)點(diǎn)，在工程領(lǐng)域中使用廣泛，煤礦防治水方面也得到了應(yīng)用[9]。該方法受紅外輻射場的限制，比較適合對淺部地質(zhì)異常體的探測，正好可彌補(bǔ)礦井瞬變電磁法的探測盲區(qū)。

在分析兩種探測方法的原理和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，考慮兩種方法聯(lián)合進(jìn)行巷道前方地質(zhì)異常超前探測，在滿足探測深度與精度要求的同時，實(shí)現(xiàn)礦井超前無盲區(qū)探測，并結(jié)合工程應(yīng)用對聯(lián)合超前探測效果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 基本原理

1.1 礦井瞬變電磁法原理

礦井瞬變電磁法是通過向發(fā)射回線供電，在礦井全空間中建立穩(wěn)定的一次場，再由接收回線采集電流關(guān)斷后由煤層或頂?shù)装鍍?nèi)的地質(zhì)異常體受激發(fā)產(chǎn)生的二次渦流場，分析二次場的衰減規(guī)律以獲得異常電性響應(yīng)特征，達(dá)到超前探測的目的。在探測低阻地質(zhì)體方面，相比于地質(zhì)雷達(dá)，其有效探測距離大，與礦井直流電法相比，不需要接電極，對巷道的空間要求很低，探測的方向明確，耗時短。

超前探測資料解譯是通過結(jié)合繪制的視電阻率斷面圖和地質(zhì)資料綜合分析后，圈定掘進(jìn)工作面前方異常分布，礦井瞬變電磁法的視電阻率為全空間巖層電阻率的綜合反映，其晚期視電阻率計(jì)算公式見式(1)[2]。

C×6.32×10-12×(St×N)2/3×

(Sr×n)2/3×(V/I)-2/3t-5/3

(1)

式中：C為全空間響應(yīng)系數(shù)；St、N分別為發(fā)射回線面積和匝數(shù)；Sr、n分別為接收回線面積和匝數(shù)；t為二次場衰減時間；V/I為歸一化二次場電位值。

時間-深度換算公式見式(2)。

(2)

式中：ρs為地下介質(zhì)視電阻率；t為時間；Ds為電磁場的傳播深度；v為電磁場在地下介質(zhì)中擴(kuò)散速度。

1.2 紅外測溫法原理

巷道前方未掘進(jìn)的地段會向外輻射能量，其內(nèi)部的地質(zhì)信息就會隨著電磁波傳遞出來。當(dāng)巷道前方無異常體和隱蔽的危險(xiǎn)源時，紅外測溫法探測曲線表現(xiàn)為穩(wěn)定的正常特征。當(dāng)巷道周圍存在隱伏的地質(zhì)異常時，這些地質(zhì)異常體引起的異常輻射場會疊加在原本正常場上，使探測的正常場數(shù)據(jù)曲線發(fā)生突變，導(dǎo)致相同點(diǎn)紅外場強(qiáng)差值較大[10]。該方法是通過分析接收的紅外輻射場強(qiáng)變化情況來判斷巷道前方、巷道頂?shù)装迨欠翊嬖诘刭|(zhì)異常，具有施工快捷、探測精度高等優(yōu)勢。

1.3 聯(lián)合探測的可行性

礦井瞬變電磁法利用電磁感應(yīng)原理，測量的是二次渦流電磁場，而紅外測溫法測量的是紅外熱輻射場。兩者互不干擾，同時開展可以節(jié)約時間成本，且兩種方法均具備較好的超前探測能力、施工高效。此外，紅外測溫法能夠彌補(bǔ)礦井瞬變電磁法的探測盲區(qū)，所以進(jìn)行聯(lián)合超前探測是可行的。

2 聯(lián)合超前探測工作方法

2.1 礦井瞬變電磁法

礦井瞬變電磁法超前探測數(shù)據(jù)采集時依據(jù)探測目標(biāo)異常體的特征，通過調(diào)整回線同巷道頂板和底板間的夾角改變回線法線的方向，獲取巷道迎頭前方不同地層的電性信息，再對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯、去噪等一系列處理，然后反演并繪制視電阻率斷面圖，最后結(jié)合地質(zhì)資料對異常區(qū)域進(jìn)行解釋。礦井瞬變電磁法超前探測布設(shè)見圖1。

圖1 礦井瞬變電磁法探測范圍示意圖Fig.1 Diagram of detection range of mine transientelectromagnetic method

圖2 巷道斷面及迎頭探測布置圖Fig.2 Diagram of detection of roadway andheading face

2.2 紅外測溫法

紅外測溫法探測時，需要在巷道斷面及側(cè)幫和頂板均布置測線，如圖2所示，利用高精度紅外測溫儀對各個部位測點(diǎn)進(jìn)行測量，直至完成所有數(shù)據(jù)的采集。一般每條測線數(shù)據(jù)采集兩組，取平均值作折線圖，減小環(huán)境影響等引起的誤差。探測過程中發(fā)現(xiàn)異常時，需要加密測點(diǎn)。當(dāng)同一測線不同測點(diǎn)的紅外輻射場差值小于安全參考值10 μw/cm2，曲線近似直線，則認(rèn)為前方無異常；若紅外輻射場差值大于安全參考值10 μw/cm2，曲線出現(xiàn)突變點(diǎn)，則認(rèn)為前方存在異常。

3 工程應(yīng)用

3.1 地質(zhì)概況

山東某礦-950 m邊界回風(fēng)下山工作面掘進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)巖層裂隙發(fā)育且富水性不均勻。根據(jù)地質(zhì)資料顯示，該煤層頂板砂巖、底板砂巖和三灰是開采煤層的直接充水含水層。為保障工作面安全回采，需要探明該掘進(jìn)工作面前方100 m范圍內(nèi)巖層的富水性。綜合考慮礦井施工條件及各方法的優(yōu)缺點(diǎn)，現(xiàn)采用礦井瞬變電磁法和紅外測溫法對巷道前方富水性進(jìn)行聯(lián)合無盲區(qū)超前探測。

3.2 礦井瞬變電磁法探測結(jié)果

圖3是-950 m邊界回風(fēng)下山BH40+55 m位置迎頭沿煤層方向超前探測視電阻率斷面圖，共圈定3個低阻異常區(qū)。從圖3可以看出，前方100 m范圍內(nèi)左側(cè)幫-60～-45°方向40～60 m范圍和-15～0°方向40～80 m范圍，以及右側(cè)幫15～50°方向70～100 m范圍，局部視電阻率相對較低。對比已有地質(zhì)資料，低阻區(qū)與前方構(gòu)造異常區(qū)位置對應(yīng)，解釋為局部較弱含水。圖3中迎頭前方存在15 m左右的探測盲區(qū)，需要結(jié)合紅外測溫法的探測成果彌補(bǔ)該區(qū)域的解釋。將兩種方法有效銜接，形成無盲區(qū)的聯(lián)合超前探測預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

3.3 紅外測溫法探測結(jié)果

圖3 沿煤層方向視電阻率斷面圖Fig.3 Apparent resistivity section diagram alongcoal seam direction

圖4 迎頭BH40+55 m紅外探測場強(qiáng)曲線Fig.4 Field value curves of infrared detection atheading face BH40+55 m

圖4是采用紅外測溫法在迎頭BH40+55 m位置探測的場強(qiáng)曲線?？梢悦黠@看出C2、C3和C4測線的場強(qiáng)極值差大于安全參考值10 μw /cm2，表明迎頭前方20 m范圍內(nèi)存在異常，異常區(qū)域與圖3中-15～0°方向?qū)?yīng)。圖3中雖存在約15 m的探測盲區(qū)，但盲區(qū)之后視電阻率值由高變低。現(xiàn)場掘進(jìn)時工作面頂板有淋水現(xiàn)象，證明前方巖層弱含水，兩種方法探測結(jié)果均與實(shí)際情況吻合。因?yàn)槌跗谔綔y位置相同，所以紅外測溫法的探測結(jié)果很好地彌補(bǔ)瞬變電磁法的探測盲區(qū)。

3.4 聯(lián)合預(yù)測與工程驗(yàn)證

為繼續(xù)驗(yàn)證掘進(jìn)巷道超前解釋結(jié)果并實(shí)現(xiàn)聯(lián)合超前預(yù)測預(yù)報(bào)，在第一次紅外探測結(jié)束后，又進(jìn)行了三次循環(huán)跟蹤預(yù)報(bào)。圖5、圖6和圖7分別對應(yīng)巷道BH40+55 m位置掘進(jìn)了20 m、40 m和60 m后的迎頭紅外探測場強(qiáng)曲線。從圖5～7可以看出，C2和C3測線的場強(qiáng)極值差均大于安全參考值10 μw/cm2，表明三次循環(huán)跟蹤紅外探測結(jié)果為迎頭前方均存在異常。對比分析后發(fā)現(xiàn)，三次紅外探測整體場強(qiáng)極值差的變化趨勢為先增大后減小，對應(yīng)圖3中40～80 m范圍內(nèi)的低阻異常。特別是圖6中曲線整體場強(qiáng)極值較前期明顯增大，場強(qiáng)極值差均超過安全參考值10 μw/cm2，這與圖3中②低阻異常的45～60 m區(qū)域吻合程度高，兩種方法相互驗(yàn)證。并且巷道掘進(jìn)揭露發(fā)現(xiàn)，頂板由明顯淋水變?yōu)榱芩饾u減弱。以上研究表明，瞬變電磁法與紅外測溫法探測結(jié)果基本一致，均與巷道掘進(jìn)揭露的情況吻合較好。

圖5 迎頭BH40+75 m紅外探測場強(qiáng)曲線Fig.5 Field value curves of infrared detection atheading face BH40+75 m

圖6 迎頭BH40+95 m紅外探測場強(qiáng)曲線Fig.6 Field value curves of infrared detection atheading face BH40+95 m

圖7 迎頭BH40+115 m紅外探測場強(qiáng)曲線Fig.7 Field value curves of infrared detection atheading face BH40+115 m

4 結(jié) 論

1) 采用礦井瞬變電磁法和紅外測溫法聯(lián)合對掘進(jìn)工作面進(jìn)行超前探測，紅外測溫法超前探測距離約20 m，采取循環(huán)跟蹤探測方式對礦井瞬變電磁法相互驗(yàn)證，兩種方法聯(lián)合探查掘進(jìn)工作面前方巖層水文地質(zhì)情況，地質(zhì)效果好。

2) 紅外測溫法的探測結(jié)果很好地彌補(bǔ)了礦井瞬變電磁法的探測盲區(qū)，且兩種方法互不干擾，聯(lián)合應(yīng)用不僅可以優(yōu)勢互補(bǔ)，還能相互驗(yàn)證以提高解釋的可信度，應(yīng)用前景廣闊。

3) 若能夠增大紅外測溫法的超前探測距離，可彌補(bǔ)礦井瞬變電磁法因增加發(fā)射磁矩而引起的更大的探測盲區(qū)，因此，該聯(lián)合超前探測方法具備進(jìn)一步研究的價(jià)值。