礦井瞬變電磁與紅外測溫聯合超前探測方法與應用

2019-05-21 13:23:06徐栓祥程久龍王開斌

中國礦業 2019年5期

徐栓祥，程久龍，董毅，王開斌

(1.山東新巨龍能源有限責任公司，山東菏澤 274000) 2.中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院，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域發展，地質條件的復雜性也隨之增大，礦井水害的威脅也日益嚴重。為防止煤礦水害事故發生，保證煤礦安全持續的健康生產，采用高效物探手段快速并準確查明掘進巷道前方水文地質狀況尤為重要。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高效的優勢，在巷道超前預測預報應用中備受青睞[2]。目前礦井瞬變電磁法在數據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射裝置，受關斷效應的影響不可避免地存在探測盲區[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向盲區進行數據外插，減小了探測盲區。程久龍等[7]給出了更為接近實際的斜階躍場源激勵下的感應段與衰減段的瞬變響應解析表達式，避免了因關斷效應校正引入的誤差。YANG等[8]采用圓錐型場源裝置，有效降低了線圈互感影響，為減小探測盲區提供了新選擇。紅外測溫法具有操作快捷，對工程作業不產生影響，探測的精度高等優點，在工程領域中使用廣泛，煤礦防治水方面也得到了應用[9]。該方法受紅外輻射場的限制，比較適合對淺部地質異常體的探測，正好可彌補礦井瞬變電磁法的探測盲區。

在分析兩種探測方法的原理和特點的基礎上，考慮兩種方法聯合進行巷道前方地質異常超前探測，在滿足探測深度與精度要求的同時，實現礦井超前無盲區探測，并結合工程應用對聯合超前探測效果進行驗證。

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射回線供電，在礦井全空間中建立穩定的一次場，再由接收回線采集電流關斷后由煤層或頂底板內的地質異常體受激發產生的二次渦流場，分析二次場的衰減規律以獲得異常電性響應特征，達到超前探測的目的。在探測低阻地質體方面，相比于地質雷達，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合繪制的視電阻率斷面圖和地質資料綜合分析后，圈定掘進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為全空間響應系數；St、N分別為發射回線面積和匝數；Sr、n分別為接收回線面積和匝數；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中擴散速度。

1.2 紅外測溫法原理

巷道前方未掘進的地段會向外輻射能量，其內部的地質信息就會隨著電磁波傳遞出來。當巷道前方無異常體和隱蔽的危險源時，紅外測溫法探測曲線表現為穩定的正常特征。當巷道周圍存在隱伏的地質異常時，這些地質異常體引起的異常輻射場會疊加在原本正常場上，使探測的正常場數據曲線發生突變，導致相同點紅外場強差值較大[10]。該方法是通過分析接收的紅外輻射場強變化情況來判斷巷道前方、巷道頂底板是否存在地質異常，具有施工快捷、探測精度高等優勢。

1.3 聯合探測的可行性

礦井瞬變電磁法利用電磁感應原理，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礦井瞬變電磁法的探測盲區，所以進行聯合超前探測是可行的。

2 聯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據采集時依據探測目標異常體的特征，通過調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，再對采集的數據進行編輯、去噪等一系列處理，然后反演并繪制視電阻率斷面圖，最后結合地質資料對異常區域進行解釋。礦井瞬變電磁法超前探測布設見圖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進行測量，直至完成所有數據的采集。一般每條測線數據采集兩組，取平均值作折線圖，減小環境影響等引起的誤差。探測過程中發現異常時，需要加密測點。當同一測線不同測點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，曲線出現突變點，則認為前方存在異常。

3 工程應用

3.1 地質概況

山東某礦-950 m邊界回風下山工作面掘進過程中發現巖層裂隙發育且富水性不均勻。根據地質資料顯示，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，需要探明該掘進工作面前方100 m范圍內巖層的富水性。綜合考慮礦井施工條件及各方法的優缺點，現采用礦井瞬變電磁法和紅外測溫法對巷道前方富水性進行聯合無盲區超前探測。

3.2 礦井瞬變電磁法探測結果

圖3是-950 m邊界回風下山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。從圖3可以看出，前方100 m范圍內左側幫-60～-45°方向40～60 m范圍和-15～0°方向40～80 m范圍，以及右側幫15～50°方向70～100 m范圍，局部視電阻率相對較低。對比已有地質資料，低阻區與前方構造異常區位置對應，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，需要結合紅外測溫法的探測成果彌補該區域的解釋。將兩種方法有效銜接，形成無盲區的聯合超前探測預報系統。

3.3 紅外測溫法探測結果

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位置探測的場強曲線。可以明顯看出C2、C3和C4測線的場強極值差大于安全參考值10 μw /cm2，表明迎頭前方20 m范圍內存在異常，異常區域與圖3中-15～0°方向對應。圖3中雖存在約15 m的探測盲區，但盲區之后視電阻率值由高變低。現場掘進時工作面頂板有淋水現象，證明前方巖層弱含水，兩種方法探測結果均與實際情況吻合。因為初期探測位置相同，所以紅外測溫法的探測結果很好地彌補瞬變電磁法的探測盲區。

3.4 聯合預測與工程驗證

為繼續驗證掘進巷道超前解釋結果并實現聯合超前預測預報，在第一次紅外探測結束后，又進行了三次循環跟蹤預報。圖5、圖6和圖7分別對應巷道BH40+55 m位置掘進了20 m、40 m和60 m后的迎頭紅外探測場強曲線。從圖5～7可以看出，C2和C3測線的場強極值差均大于安全參考值10 μw/cm2，表明三次循環跟蹤紅外探測結果為迎頭前方均存在異常。對比分析后發現，三次紅外探測整體場強極值差的變化趨勢為先增大后減小，對應圖3中40～80 m范圍內的低阻異常。特別是圖6中曲線整體場強極值較前期明顯增大，場強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區域吻合程度高，兩種方法相互驗證。并且巷道掘進揭露發現，頂板由明顯淋水變為淋水逐漸減弱。以上研究表明，瞬變電磁法與紅外測溫法探測結果基本一致，均與巷道掘進揭露的情況吻合較好。