巷道瞬變電磁超前探測波場成像技術(shù)

邱 浩，牟 義，廉玉廣

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京 100013；4.山西晉煤集團(tuán)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006)

0 引言

近年來，由于我國資源整合礦井不規(guī)范生產(chǎn)、資料缺失等歷史遺留問題，導(dǎo)致煤礦在安全生產(chǎn)問題較為。以采空區(qū)、構(gòu)造、含水層、導(dǎo)水通道等含水異常體為代表，其在資源整合礦分布情況復(fù)雜，含水異常體水源和透水方式?jīng)Q定了其具有很強(qiáng)的致災(zāi)性[1]。2018年9月1日起實(shí)行的《煤礦防治水細(xì)則》針對煤礦水害的探查、評價和防治制定了多項(xiàng)條文，充分體現(xiàn)了其對煤礦安全生產(chǎn)的威脅程度之大。目前，井下物探多采用瞬變電磁法、直流電法、音頻電穿透法探測含水異常體分布情況[2-7]。特別是在巷道掘進(jìn)超前探測方面，礦井瞬變電磁法因其對低阻體反應(yīng)敏感、多匝小回線裝置輕便高效的優(yōu)點(diǎn)，成為最常用的巷道掘進(jìn)超前探測含水異常體的方法之一，國內(nèi)專家學(xué)者在對各類方法的理論與應(yīng)用方面開展了一系列的研究工作[8-10]，但礦井瞬變電磁法受體積效應(yīng)影響較大，對于含水異常體的電性界面，特別是巷道掘進(jìn)前方含水異常體的富水邊界分辨能力不足，嚴(yán)重降低了水害的探測預(yù)警效果。近年來發(fā)展的波場變換與合成孔徑等高精度解譯成像技術(shù)，為提高礦井瞬變電磁法對含水異常體探測的分辨率提供了新的思路，由此可見，開展巷道瞬變電磁超前探測波場成像技術(shù)研究，對于提高礦井水害探測預(yù)警的準(zhǔn)確性具有重要的實(shí)際意義。筆者針對煤礦井下巷道掘進(jìn)超前探測方法特點(diǎn)，采用波場變換數(shù)值計(jì)算與成像技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，顯著提高了方法的縱向分辨率，確定了巷道掘進(jìn)前方含水異常體的富水邊界，并以此指導(dǎo)某礦3201回風(fēng)巷超前探測工作，為巷道掘進(jìn)前方水害防治工作提供依據(jù)。

1 全空間波場變換

瞬變電磁場分量與其相對應(yīng)的波場之間的數(shù)學(xué)積分形式為[11,12]：

(1)

將(1)式的積分方程離散化，寫成矩陣形式：

AU=P

(2)

U=(u1,…,uj,…,un)T,P=(p1,…,pj,…,pm)T

(3)

式(3)中，U為離散化的轉(zhuǎn)換波場虛擬子波，P為離散化的瞬變電磁場，(2)式中A為m×n階矩陣，求解(2)式，即可完成瞬變電磁擴(kuò)散場到波動場的轉(zhuǎn)換，矩陣方程(2)式中的系數(shù)矩陣A具有不適定性，可采用正則化、矩陣分解等方法求解。在礦井瞬變電磁探測方法中，P通過儀器數(shù)據(jù)采集預(yù)處理測得，U則可以通過(2)式求解，完成波場變換后，采用反褶積對轉(zhuǎn)換波場數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到單位測點(diǎn)壓縮后的虛擬波場值，再進(jìn)行波場時深轉(zhuǎn)換與成像[13]。

U(r,q)則可以通過(2)式求解。完成波場變換后，采用反褶積等地震數(shù)據(jù)處理方法對轉(zhuǎn)換波場數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到單位測點(diǎn)壓縮后的虛擬波場值，此時，各個測點(diǎn)的波場信號可等效于地震測點(diǎn)自激自收的波形數(shù)據(jù)，再進(jìn)行波場時深轉(zhuǎn)換，利用全空間視電阻率值計(jì)算方法進(jìn)行全空間波場成像數(shù)值計(jì)算。

2 巷道超前探測波場成像方法

在井下瞬變電磁超前探測工作中，經(jīng)過場變換及波場數(shù)據(jù)處理，根據(jù)地面瞬變電磁合成孔徑思想，將井下超前探測各個測點(diǎn)角度信號值等效為小孔徑，對其各個角度的小孔徑信號進(jìn)行相關(guān)合成，其合成孔徑成像公式為：

(4)

M為起始探測點(diǎn)方向編號，M+2N為終止探測測點(diǎn)方向編號，l指單一方向測點(diǎn)重復(fù)探測次數(shù)，U(ri,tk)U(ri,tj)為Xi測點(diǎn)即ri探測方向測點(diǎn)第k次測量時的波場值，τijkτijk為權(quán)系數(shù)Wik取極值時的時移量，Wik為相關(guān)系數(shù)，如下式所示：

(5)

圖1為超前探測示意圖，在井下巷道掘進(jìn)超前探測中，各個探測測點(diǎn)方向上波場變換信號間的相關(guān)程度可通過相關(guān)系數(shù)來衡量，相關(guān)系數(shù)與相關(guān)性評價如表1所示，相關(guān)系數(shù)介于1至-1之間，其絕對值越大，相關(guān)性越強(qiáng)，反之則相關(guān)性越弱[14]。

圖1 超前探測波場成像方法示意Figure 1 A schematic diagram of advanced prospecting wave field imaging

表1 相關(guān)系數(shù)與相關(guān)性評價表

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

為了查明某礦3201巷道140m處掘進(jìn)前方可能存在的含水異常體及其富水邊界，采用礦井瞬變電磁法進(jìn)行超前探測，并采用波場成像技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，綜合分析含水異常體及富水邊界，為巷道安全掘進(jìn)提供指導(dǎo)。瞬變電磁法參數(shù)設(shè)計(jì)參考試驗(yàn)結(jié)論，采用重疊回線裝置，收發(fā)線圈邊長2m，發(fā)射電流3.5A，巷道線圈布置與探測方向示意圖見圖2，探測線圈法線方向即為探測方向，在巷道掘進(jìn)前方布置0°～180°共計(jì)14個方向的測點(diǎn)，從左側(cè)180°方向至右側(cè)0°方向?qū)?yīng)1-14號測點(diǎn)。

圖2 巷道線圈布置與探測方向示意圖Figure 2 Roadway loop layout and prospecting direction sketch

3.2 成果分析

圖3為3201巷超前探測視電阻率等值線斷面圖，由傳統(tǒng)視電阻率等值線斷面圖可知，在巷道掘進(jìn)前方85°～135°方向，對應(yīng)4-9號測點(diǎn)探測方向，深度30～50m范圍出現(xiàn)1處低阻異常區(qū)域，區(qū)域呈現(xiàn)低阻特征，由淺部向深部擴(kuò)張，由于體積效應(yīng)，圖3中30～50m位置低阻區(qū)域邊界不能解釋為巷道掘進(jìn)前方含水異常體分布的實(shí)際邊界；

圖3 3201巷超前探測視電阻率等值線斷面圖Figure 3 Roadway 3201 advanced prospecting apparent resistivity isoline section

經(jīng)過波場變換及波場數(shù)據(jù)處理，得到各個不同方向測點(diǎn)的超前探測波場信號，對相鄰測點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)分析，得到表2，不同探測方向相鄰測點(diǎn)波場信號相關(guān)系數(shù)與相關(guān)性列表，由表2可知， 4-5號測點(diǎn)之間信號相關(guān)性為中，1-4號、10-13號相鄰測點(diǎn)之間相關(guān)性為強(qiáng)，6-10號、13-14號相鄰測點(diǎn)之間相關(guān)性為極強(qiáng)，根據(jù)相關(guān)分析結(jié)果，對探測結(jié)果進(jìn)行相關(guān)合成與成像，結(jié)果如圖4所示。

圖4 3201巷超前探測波場成像Figure 4 Roadway 3201 advanced prospecting wave field imaging

在圖4 3201巷超前探測波場成像圖中，同地震數(shù)據(jù)解釋方法類似，5-10號測點(diǎn)深度35～45m、70～90m可發(fā)現(xiàn)兩個較為明顯的電性界面，見矩形區(qū)域，其中在42、80m處波場曲線振幅相對較強(qiáng)，不同測點(diǎn)波場曲線振幅位置存在少許差異，連續(xù)且振幅較強(qiáng)的波場曲線同相軸可解釋為巷道富水區(qū)域的實(shí)際邊界， 圖4中以紅色實(shí)線圈定位置刻畫了推斷的含水異常體富水電性界面，與圖3中低阻異常區(qū)域?qū)?yīng)的5-8號方向測點(diǎn)出現(xiàn)的低阻異常區(qū)域?qū)?yīng)， 推斷該位置為巷道掘進(jìn)前方含水異常體實(shí)際邊界， 經(jīng)鉆探驗(yàn)證，在巷道掘進(jìn)前方105°方向(6號測點(diǎn))水平布置鉆孔，在孔深40m處出水，出水量7m3/h，鉆探結(jié)果表明波場曲線振幅較強(qiáng)位置深度同含水異常體邊界位置對應(yīng)較好，含水異常體邊界深度位置同超前探測波場成像結(jié)果更為吻合。

表2 3201巷超前不同探測方向相鄰測點(diǎn)波場信號相關(guān)系數(shù)與相關(guān)性列表

4 結(jié)論

本文基于礦井瞬變電磁超前探測方法，采用礦井超前探測波場變換數(shù)值計(jì)算與成像技術(shù)進(jìn)行處理，確定了某礦3201巷道掘進(jìn)前方的含水異常體分布及其富水邊界位置，主要結(jié)論如下。

①同傳統(tǒng)全空間數(shù)據(jù)處理視電阻率結(jié)果相比，瞬變電磁超前探測波場成像技術(shù)能夠確定含水異常體富水邊界具體位置。

②波場曲線幅值同含水異常體出水位置對應(yīng)較好，含水異常體邊界位置同超前探測波場成像結(jié)果更為吻合，巷道瞬變電磁超前探測波場成像技術(shù)可應(yīng)用于巷道掘進(jìn)前方含水異常體富水邊界的探測工作。