煤礦采空區(qū)瞬變電磁超前探測(cè)波場(chǎng)成像研究

邱 浩，郝宇軍，陳健強(qiáng)

(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(guó)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)

近年來(lái)，由于我國(guó)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)致煤礦在資源整合后安全生產(chǎn)問題嚴(yán)重。采空區(qū)水害作為最主要的水害類型之一，其在資源整合礦積水分布情況復(fù)雜，采空區(qū)的水源和透水方式?jīng)Q定了其具有很強(qiáng)的致災(zāi)性[1]。2018年9月1日起施行的《煤礦防治水細(xì)則》針對(duì)老空水水害的探查、評(píng)價(jià)和防治制定了多項(xiàng)條文，在劃分礦井水文地質(zhì)類型時(shí)，將礦井及周邊老空水分布狀況單獨(dú)列為一項(xiàng)分類指標(biāo)，可見其對(duì)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(cè)采空區(qū)積水情況[2-4]，特別是在巷道掘進(jìn)超前探測(cè)方面，礦井瞬變電磁法因具有對(duì)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)超前探水方法之一，國(guó)內(nèi)專家學(xué)者在對(duì)各類方法的理論與應(yīng)用方面開展了一系列的研究工作[5，6]，但礦井瞬變電磁法受體積效應(yīng)影響較大，對(duì)于富水異常體的電性界面，特別是巷道掘進(jìn)前方采空區(qū)的富水邊界分辨能力不足，嚴(yán)重降低了采空區(qū)水害的探測(cè)預(yù)警效果。因此，開展采空區(qū)瞬變電磁超前探測(cè)波場(chǎng)成像技術(shù)研究，對(duì)于提高采空區(qū)水害探測(cè)預(yù)警的準(zhǔn)確性具有重要的實(shí)際意義。筆者針對(duì)煤礦井下巷道掘進(jìn)超前探測(cè)方法特點(diǎn)，采用波場(chǎng)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)前方采空區(qū)的富水邊界，可指導(dǎo)煤礦巷道超前探測(cè)工作。

1 全空間波場(chǎng)變換

瞬變電磁場(chǎng)分量與其相對(duì)應(yīng)的波場(chǎng)之間的數(shù)學(xué)積分形式為[7，8]：

將式(1)的積分方程離散化，寫成矩陣形式：

AU=P；U=(u1，…，uj，…，un)T，

P=(p1，…，pj，…，p)T

(2)

式中，A為m×n階矩陣，求解式(2)，即可完成瞬變電磁擴(kuò)散場(chǎng)到波動(dòng)場(chǎng)的轉(zhuǎn)換，矩陣方程式(2)具有不適定性，可采用正則化、矩陣分解等方法求解[11，12]。在礦井瞬變電磁探測(cè)方法中，瞬變電磁擴(kuò)散場(chǎng)的數(shù)據(jù)P(r，t)的確定需要以下物理量：時(shí)間序列數(shù)量m；測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)n；瞬變電磁擴(kuò)散場(chǎng)時(shí)間t；波場(chǎng)類時(shí)間q；垂直感應(yīng)磁場(chǎng)值Bz；感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ε(t)，由儀器測(cè)得；場(chǎng)強(qiáng)H，且垂直磁場(chǎng)與場(chǎng)強(qiáng)由以下公式計(jì)算得出。

U(r，q)則可以通過(guò)(2)式求解。完成波場(chǎng)變換后，采用反褶積等地震數(shù)據(jù)處理方法對(duì)轉(zhuǎn)換波場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到單位測(cè)點(diǎn)壓縮后的虛擬波場(chǎng)值，再進(jìn)行波場(chǎng)時(shí)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(chǎng)成像數(shù)值計(jì)算。具體計(jì)算過(guò)程為：數(shù)據(jù)預(yù)處理→波場(chǎng)變換→插值圓滑→反褶積→時(shí)深轉(zhuǎn)換。

2 采空區(qū)超前探測(cè)波場(chǎng)成像方法

在井下瞬變電磁超前探測(cè)工作中，經(jīng)過(guò)場(chǎng)變換及波場(chǎng)數(shù)據(jù)處理，根據(jù)地面合成孔徑思想，將井下超前探測(cè)每一個(gè)探測(cè)方向的測(cè)點(diǎn)等效為小孔徑，對(duì)其進(jìn)行相關(guān)合成，其合成孔徑成像公式為：

式中，合成孔徑總長(zhǎng)度為2N+1；其中U′(rm+N，tk)為合成孔徑處理后m+N測(cè)點(diǎn)探測(cè)的合成信號(hào)值；m為起始探測(cè)點(diǎn)方向編號(hào)；m+2N為終止探測(cè)測(cè)點(diǎn)方向編號(hào)；M指單一方向測(cè)點(diǎn)重復(fù)探測(cè)次數(shù)；Wij為相關(guān)系數(shù)；U(ri，tj)為ri探測(cè)測(cè)點(diǎn)第j次測(cè)量時(shí)的波場(chǎng)值；τijk為權(quán)系數(shù)Wij取極值時(shí)的時(shí)移量。

在井下掘進(jìn)巷道超前探測(cè)中，各個(gè)探測(cè)測(cè)點(diǎn)方向上波場(chǎng)變換信號(hào)間的相關(guān)程度可通過(guò)相關(guān)系數(shù)來(lái)衡量，相關(guān)系數(shù)與相關(guān)性評(píng)價(jià)見表1。

表1 相關(guān)系數(shù)與相關(guān)性評(píng)價(jià)表

3 工程實(shí)例

朝陽(yáng)煤礦9號(hào)煤層局部存在采空區(qū)，為了查明9號(hào)煤層9101巷道218m處掘進(jìn)前方可能存在的采空區(qū)及其富水邊界，采用礦井瞬變電磁法進(jìn)行超前探測(cè)，并采用波場(chǎng)成像技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，綜合分析采空積水區(qū)及富水邊界，為巷道安全掘進(jìn)提供指導(dǎo)。

3.1 探測(cè)方案

根據(jù)總結(jié)以往試驗(yàn)成果，設(shè)計(jì)如下探測(cè)方案：采用重疊回線裝置，收發(fā)線圈邊長(zhǎng)2m，發(fā)射電流3.5A，巷道線圈布置與探測(cè)方向如圖1所示，探測(cè)線圈法線方向即為探測(cè)方向，在巷道掘進(jìn)前方布置0°～180°共計(jì)14個(gè)方向的測(cè)點(diǎn)，從左側(cè)180°方向至右側(cè)0°方向?qū)?yīng)1—14號(hào)測(cè)點(diǎn)。

圖1 巷道線圈布置與探測(cè)方向示意圖

3.3 成果分析

9101巷超前探測(cè)視電阻率如圖2所示，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(duì)應(yīng)4—9號(hào)測(cè)點(diǎn)探測(cè)方向，深度40～60m范圍出現(xiàn)1處低阻異常區(qū)域，相對(duì)視電阻率阻值低于30Ω·m，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2中30～60m位置低阻區(qū)域邊界不能解釋為巷道富水區(qū)域的實(shí)際邊界；

圖2 9101巷超前探測(cè)視電阻率等值線斷面圖

圖3 9101巷超前探測(cè)波場(chǎng)成像

9101巷超前探測(cè)波場(chǎng)如圖3所示，同地震數(shù)據(jù)解釋方法類似，在圖3中5—10號(hào)測(cè)點(diǎn)深度35～45m范圍、57～65m范圍可發(fā)現(xiàn)兩個(gè)較為明顯的電性界面，見矩形區(qū)域，其中在37m、71m處波場(chǎng)曲線振幅相對(duì)較強(qiáng)，連續(xù)且振幅較強(qiáng)的波場(chǎng)曲線同相軸可解釋為巷道富水區(qū)域的實(shí)際邊界，與圖2中低阻異常區(qū)域?qū)?yīng)的5—8號(hào)方向測(cè)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)前方采空區(qū)實(shí)際富水邊界，經(jīng)鉆探驗(yàn)證，在巷道掘進(jìn)前方105°方向水平布置鉆孔，在孔深38m處出水，出水量7m3/h，鉆探結(jié)果表明波場(chǎng)曲線振幅較強(qiáng)位置深度同采空區(qū)富水邊界位置對(duì)應(yīng)較好，采空區(qū)富水邊界深度位置同超前探測(cè)波場(chǎng)成像結(jié)果更為吻合。

4 結(jié) 論

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(cè)波場(chǎng)成像技術(shù)能夠確定采空區(qū)富水邊界具體位置。

2)波場(chǎng)曲線幅值同含水采空區(qū)出水位置對(duì)應(yīng)較好，采空區(qū)富水邊界位置同超前探測(cè)波場(chǎng)成像結(jié)果更為吻合，煤礦采空區(qū)瞬變電磁超前探測(cè)波場(chǎng)成像可應(yīng)用于巷道掘進(jìn)前方采空區(qū)富水邊界的探測(cè)工作。