礦井采空區(qū)瞬變電磁法適用性研究

樊林林,陳健強(qiáng),王克南,馬志超

(1.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; 2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院,北京 100013)

煤礦水害是煤礦生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的地質(zhì)災(zāi)害,是制約煤礦安全生產(chǎn)的主要因素之一。在礦井防治水工作中,治理井下水害首要的任務(wù)是對(duì)水害范圍和水害源的提前探測(cè),并預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)可能發(fā)生的水害事故,針對(duì)性地采取不同的治理措施。礦井瞬變電磁法應(yīng)用于井下富水異常區(qū)探測(cè),已經(jīng)積累了大量有效的實(shí)例并得到廣泛的應(yīng)用[1-3]。瞬變電磁法對(duì)低阻體反應(yīng)靈敏,對(duì)礦井周邊含水體的探測(cè)效果明顯,可為礦井防治水提供預(yù)測(cè)預(yù)報(bào),有效地防范生產(chǎn)中的礦井水害。本文主要對(duì)礦井瞬變電磁法進(jìn)行數(shù)值模擬[4-6],并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用對(duì)采空區(qū)不同含水條件進(jìn)行分析研究,總結(jié)其適用性,以便在實(shí)際應(yīng)用中更加有針對(duì)性地進(jìn)行水害探測(cè)。

1 物性基礎(chǔ)

自然沉積狀態(tài)下,煤巖層在縱向上各沉積層層序分明,其導(dǎo)電性有特定規(guī)律,在橫向上同層沉積均一,其導(dǎo)電性也較一致。煤巖層經(jīng)后期地質(zhì)活動(dòng)改造或經(jīng)采掘,工作面及巷道坍塌、回填、充水等一系列變化后,其導(dǎo)電性將發(fā)生顯著變化。礦井瞬變電磁法就是根據(jù)異常區(qū)域與正常煤巖層之間的電性差異來(lái)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)異常區(qū)域。一般來(lái)說(shuō)，構(gòu)造及煤巖層破碎區(qū)由于空隙的存在,導(dǎo)電性變差,導(dǎo)電性上表現(xiàn)為高阻；若這些空隙充水后,由于礦井水中各類礦物溶解質(zhì)的存在,其整體表現(xiàn)為低阻；即理論上斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造,無(wú)論其是否含水,都會(huì)表現(xiàn)出與周圍正常煤巖層不同的導(dǎo)電性。相對(duì)于地質(zhì)構(gòu)造內(nèi)的空隙,采掘活動(dòng)遺留的煤層采空區(qū)內(nèi)的空隙空間更大,其充水后,導(dǎo)電性能將大幅度提高。因此,理論上礦井瞬變電磁法對(duì)采空區(qū)積水的反應(yīng)比地質(zhì)構(gòu)造更明顯。

2 數(shù)值模擬

井下采空區(qū)的賦存狀態(tài)復(fù)雜多變,影響其全空間瞬變電磁響應(yīng)特征的因素眾多,總結(jié)各類因素的響應(yīng)特征對(duì)物探成果的解釋具有重要意義。利用有限元正演方法,構(gòu)建不同圍巖介質(zhì)、充水量、形態(tài)、探測(cè)距離等采空區(qū)，并進(jìn)行三維模擬。模型構(gòu)建為簡(jiǎn)單20 km×20 km×20 km正方體均質(zhì)地層,以便減小邊界效應(yīng)。探測(cè)線圈采用2 m×2 m,加載3 A階躍電流,0～10 ms內(nèi)接收,最小時(shí)間間隔為0.1 μs。觀測(cè)采集系統(tǒng)采用單方向定點(diǎn)觀測(cè),對(duì)觀測(cè)方向上設(shè)置的模型電性特征進(jìn)行分析。

2.1 采空區(qū)圍巖介質(zhì)

圍巖與異常體體積差異巨大,圍巖產(chǎn)生的渦流對(duì)異常體二次場(chǎng)響應(yīng)特征有較大影響,研究圍巖與異常體電性感應(yīng)特征非常必要。

設(shè)定模型中采空區(qū)異常體為充水區(qū)。由于采空區(qū)的特殊環(huán)境(金屬錨桿網(wǎng)支護(hù)等),使得采空區(qū)積水中電導(dǎo)率比普通地下水電導(dǎo)率(1.4 S/m)大,取采空水電導(dǎo)率為4 S/m。采空區(qū)大小為40 m×40 m×40 m,距離探測(cè)點(diǎn)50 m。圍巖電導(dǎo)率結(jié)合實(shí)際煤巖樣測(cè)試,分別取為 0.05,0.01,0.005 S/m。模擬求解后的地層綜合二次場(chǎng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)特征如圖1所示,圖中曲線為半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中成圖,以便更直觀體現(xiàn)出結(jié)果的差異性。

圖1 不同圍巖介質(zhì)地層綜合二次場(chǎng)電動(dòng)勢(shì)曲線對(duì)比圖Fig.1 Curve comparison of secondary induction electromotive force in surrounding rock with different media formation

圖1中,紅色曲線為不考慮圍巖體渦流影響的單一低阻異常體感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。其他三條曲線則是考慮圍巖體渦流影響下的地層綜合二次場(chǎng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。分析圖1可知,在相同條件下,圍巖的電導(dǎo)率越大,接收線圈的整體感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)值越高,對(duì)初期的低阻異常響應(yīng)影響越大。圍巖體與低阻異常體電性特征差異越大,線圈接收的二次場(chǎng)信號(hào)越能反應(yīng)異常體的真實(shí)響應(yīng)特征。

不同圍巖介質(zhì)二次場(chǎng)電動(dòng)勢(shì)曲線對(duì)比圖如圖2所示。圖2(a)為單一低阻異常響應(yīng)及單一圍巖體響應(yīng)特征。由圖2(a)可知,雖然圍巖電導(dǎo)率遠(yuǎn)小于低阻異常電導(dǎo)率,但其體積遠(yuǎn)大于低阻異常,使得二次場(chǎng)觀測(cè)初期圍巖響應(yīng)信號(hào)強(qiáng)于低阻異常體響應(yīng)信號(hào)。圍巖體的二次場(chǎng)隨觀測(cè)時(shí)間的推移,迅速衰減至低阻異常體響應(yīng)信號(hào)之下,且圍巖電導(dǎo)率越小衰減速度越快。

(a)不同介質(zhì)圍巖電性響應(yīng)

(b)圍巖與低阻異常電性響應(yīng)差異圖2 不同圍巖介質(zhì)二次場(chǎng)電動(dòng)勢(shì)曲線對(duì)比圖Fig.2 Curve comparison of the secondary induction electromotive force in surrounding rock with different media

圖2(b)為圍巖電導(dǎo)率為 0.01 S/m 條件下,單一圍巖、單一低阻異常體和地層綜合條件下二次場(chǎng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線。由圖2(b)可知,受圍巖感應(yīng)信號(hào)影響,二次場(chǎng)觀測(cè)初期地層綜合電性響應(yīng)曲線高于單一低阻異常電性響應(yīng)曲線,但隨著圍巖體二次場(chǎng)的迅速衰減,二者電性響應(yīng)曲線趨于一致。

通過(guò)分析可知,在探測(cè)初期圍巖體感應(yīng)渦流場(chǎng)對(duì)低阻異常體響應(yīng)信號(hào)干擾較強(qiáng),但若二者電性差異增大,地層綜合響應(yīng)更加貼近異常體的感應(yīng)特征。

2.2 采空區(qū)含水量差異

設(shè)定模型為 40 m×40 m×40 m采空區(qū),距離探測(cè)點(diǎn)50 m,內(nèi)部充水量為全充水、3/4 充水、1/2 充水、1/4 充水及不含水,采空區(qū)內(nèi)部含水量差異模型如圖3所示,紅色表示充量。圍巖的電導(dǎo)率取 0.01 S/m,充水采空區(qū)電導(dǎo)率取4 S/m,空氣電導(dǎo)率取 1×10-7S/m,二次場(chǎng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)比如圖4所示。

圖3 采空區(qū)內(nèi)部含水量差異模型Fig.3 Models of goaf with different water content

圖4 含不同水量采空區(qū)二次場(chǎng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)響應(yīng)特征曲線圖Fig.4 Response characteristic curves of secondary induction electromotive force in goaf with different water content

由圖4中可知,采空區(qū)內(nèi)部充水時(shí),其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)明顯高于地層感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),且其充水量越多,整體感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)值越高,其電動(dòng)勢(shì)曲線衰減越慢,探測(cè)中晚期信號(hào)相對(duì)越穩(wěn)定可靠。而當(dāng)采空區(qū)內(nèi)部不充水時(shí),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)值與均勻地層條件下的差異較小,顯現(xiàn)出了瞬變電磁法對(duì)高阻體的敏感度遠(yuǎn)低于相同體積的低阻體,即無(wú)法很好地探測(cè)出不含水采空區(qū)。

2.3 采空區(qū)規(guī)模大小

設(shè)定充水采空區(qū)模型電導(dǎo)率為4 S/m,距離探測(cè)點(diǎn)50 m,大小分別為20 m×20 m×20 m、40 m×40 m×40 m、60 m×60 m×60 m,采空區(qū)不同規(guī)模模型如圖5所示。二次場(chǎng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)比如圖6所示。

圖5 采空區(qū)不同規(guī)模模型Fig.5 Models of goaf with different scales

圖6 不同規(guī)模采空區(qū)二次場(chǎng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)特征曲線圖Fig.6 Characteristic curves of secondary induction electromotive force in goaf with different scales

由圖6可知,充水采空區(qū)規(guī)模越大,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越高,衰減越慢,探測(cè)中晚期信號(hào)相對(duì)越穩(wěn)定可靠。

2.4 采空區(qū)形態(tài)

采空區(qū)形態(tài)各異,針對(duì)典型形態(tài)進(jìn)行模擬。設(shè)定充水采空區(qū)體積相同,電導(dǎo)率為4 S/m,距離探測(cè)地點(diǎn)30 m,采空區(qū)尺寸分別為40 m×40 m×40 m、6.4 m×100.0 m×100.0 m,如圖7(a)、圖7(b)所示。圖7(c)為圖7(b)繞Y軸旋轉(zhuǎn)45°。二次場(chǎng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)比如圖8所示。

圖7 不同形態(tài)采空區(qū)模型Fig.7 Models of goaf with different shapes

圖8 不同形態(tài)采空區(qū)二次場(chǎng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)特征曲線圖Fig.8 Characteristic curves of induction electromotive force of secondary field in goaf with different shapes

由圖8可知,水平板狀充水采空區(qū)的二次場(chǎng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)整體低于立方體狀充水采空區(qū)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)值,在斷電初期受圍巖體渦流影響較大,觀測(cè)初期迅速下降,而后衰減速度趨緩。由兩個(gè)板狀采空區(qū)曲線可知,水平板狀整體感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)值低于傾斜板狀,且觀測(cè)初期感應(yīng)電壓衰減更快,晚期更易受各類干擾影響,即瞬變電磁法對(duì)于水平層狀含水層探測(cè)效果不明顯。

2.5 采空區(qū)探測(cè)距離遠(yuǎn)近

設(shè)定模型為40 m×40 m×40 m充水采空區(qū),電導(dǎo)率為 4 S/m,研究探測(cè)地點(diǎn)距離及位置對(duì)探測(cè)結(jié)果的影響。圖9為采空區(qū)距迎頭不同水平距離模型,探測(cè)距離分別為30,50,70 m。距迎頭不同水平距離采空區(qū)二次場(chǎng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)特征如圖10所示。圖11為采空區(qū)距迎頭不同垂直距離模型,探測(cè)距離為50 m,其中心位置分別位于探測(cè)水平面及之上20，50 m。二次場(chǎng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)比如圖12所示。

圖9 采空區(qū)距迎頭不同水平距離模型Fig.9 Models of different horizontal distance from goaf to head-on face

圖10 距迎頭不同水平距離采空區(qū)二次場(chǎng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)特征曲線圖Fig.10 Characteristic curves of secondary induction electromotive force with different horizontal distance from goaf to head-on face

圖11 采空區(qū)距迎頭不同垂直距離模型Fig.11 Models of different vertical distance from goaf to head-on face

由圖10可知,探測(cè)地點(diǎn)水平方向上距離充水采空區(qū)越近,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越高,遠(yuǎn)離充水采空區(qū)整體感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)下降,衰減趨勢(shì)一致,衰減曲線近似保持平行關(guān)系。

圖12 距迎頭不同垂直距離采空區(qū) 二次場(chǎng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)特征曲線圖Fig.12 Characteristic curves of secondary induction electromotive force with different vertical distance from goaf to head-on face

圖12為距迎頭不同垂直距離采空區(qū)二次場(chǎng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)特征曲線圖。與圖10對(duì)比可知,探測(cè)距離在水平方向和垂直方向上,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)響應(yīng)特征規(guī)律相似,即隨著距離的增大,整體感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)值逐步減小,且衰減趨勢(shì)保持一致。

3 結(jié)論

1)采空區(qū)與圍巖不同電性差異模擬顯示出探測(cè)初期圍巖體感應(yīng)渦流場(chǎng)對(duì)低阻異常體響應(yīng)信號(hào)干擾較強(qiáng),但若二者電性差異增大,采空區(qū)響應(yīng)特征越明顯,更易區(qū)分出采空區(qū)異常區(qū)域。

2)采空區(qū)規(guī)模大小、充水量多少、不同形態(tài)位置及距離探測(cè)線框遠(yuǎn)近等不同條件的數(shù)值模擬顯示出采空區(qū)內(nèi)部充水時(shí),其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)明顯高于地層感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),而當(dāng)采空區(qū)內(nèi)部不充水時(shí),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)值與均勻地層條件下差異較小,顯現(xiàn)出了瞬變電磁法對(duì)高阻體的敏感度遠(yuǎn)低于同體積大小的低阻體,即無(wú)法有效地探測(cè)出不含水采空區(qū)。采空區(qū)充水規(guī)模越大,距離探測(cè)位置越近,與線框法線方向越接近時(shí),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越高,衰減越慢,探測(cè)中晚期信號(hào)相對(duì)越穩(wěn)定可靠,對(duì)采空區(qū)的反應(yīng)越明顯。

3)相同體積采空區(qū)積水?dāng)?shù)值模擬,顯示出立方體響應(yīng)特征明顯強(qiáng)于水平層狀。即采空水體積相同的條件下,與分布較分散的“層狀”含水體相比,礦井瞬變電磁法對(duì)分布較集中的“塊狀”含水體的反應(yīng)更敏感。