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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

矿井瞬变电磁透视探测技术响应特征研究与应用

2024-06-13





创新点
1针对大采长/超宽工作面内隐蔽地质构造探测的瞬变电磁透视探测技术,研究了其电磁响应特征,为透视工作模式数据解释提供了理论依据。
2对瞬变电磁透视早晚期数据的影响机制进行了详细分析,提出早期数据主要为建场时的一次磁场瞬间关断感应引起,而晚期数据为线圈附近较大二次场循环往复、交叉感应扩散产生的观点。

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矿井瞬变电磁透视探测技术响应特征研究与应用

作者李毛飞,姜志海,刘树才,童雪瑞,陈尚斌,高兆丰,代 琦2
单位:1. 中国矿业大学 资源与地球科学学院2. 天津市水务规划勘测设计有限公司
研究背景
 RESEARCH  BACKGROUND 

随着“地上无煤、井下无人”的智能开采模式以及“大采长”工作面的提出,对煤层内部地质信息的探测要求越来越高。经回采验证,大采长工作面(工作面采长大于300 m)的回采方案投入合理、技术可行且优势明显,与背拉开采工艺相比,具有占用设备少、设备管理难度小、操作工相对少、生产系统简单等优点。然而,大采长工作面的构建对矿井地质物探技术方法及矿井灾害治理工程技术提出了更高要求。

目前,国内外针对工作面内部隐蔽突水致灾源探查的方法大致分为2类:地震类和电磁类。其中地震类主要为槽波地震勘探,但由于地震类方法基于岩、矿石的密度进行探测,难以分辨煤层中隐蔽致灾因素的导含水性。电磁法类方法主要有直流电法、无线电波透视法、瞬变电磁法等,该类方法依据煤层及顶底板岩层电性的差异进行探测,可有效探测一般工作面内部的隐蔽突水致灾因素,但对于一些宽度比较大的工作面存在探测盲区。直流电法勘探由于井下空间的限制,其探测范围有限,同侧发射接收的二维观测模型仅可探测巷道正下方地质信息,而对于矿井直流电透视等三维工作方式,随工作面采长的增加,将降低浅部地质信息的探测能力。无线电波透视法常用的电磁波频率有0.3、0.5和1.5 MHz,频率越高,电磁波穿透能力越差,可探测的工作面宽度越小。矿井瞬变电磁法以其施工便捷、工作效率高、纵横向分辨率高和对低阻反应灵敏等优点,在探测煤矿巷道前方及工作面顶底板和工作面内导(含)水异常体构造中的应用越来越广,然而,受巷道空间的限制,通常采用边长为2 m×2 m的发射回线进行探测,限制了其探测深度。

综上所述,常规矿井物探方法不适用于探测大采长工作面内部的隐蔽突水致灾源。为保证工作面安全回采,借鉴地巷瞬变电磁探测方法以及磁性源瞬变电磁透视(小回线源)的施工模式,提出了大采长工作面矿井瞬变电磁透视探测技术(长条形回线源),即在工作面的一条巷道内布置长条形发射回线,并通以阶跃电流构建一次脉冲磁场,在另一巷道内接收工作面中异常地质体引起的二次场。与原始大多考虑中晚期数据的方式不同,笔者所提的矿井瞬变电磁透视探测技术充分利用早期数据特征,并结合晚期数据综合分析,对大采长工作面内部隐蔽突水致灾因素进行探测。

摘要
 ABSTRACT
针对大采长/超宽工作面内部隐蔽地质异构体常规地球物理探测难的问题,揭示了对侧发射接收的瞬变电磁透视探测电磁响应机制。采用理论研究、数值模拟和实测数据分析相结合的研究方式,对瞬变电磁透视探测技术电磁场扩散特征、数据影响机制以及探测能力进行了详细研究,研究结果表明:受地空边界的影响,全空间长条形发射回线瞬态电磁场扩散与半空间电磁场扩散不同,全空间状态下感应电动势极值长期位于发射线圈中心位置,无法直接沿用地面“烟圈效应”进行处理解释;对侧发射接收的瞬变电磁透视早期数据主要受一次磁场的影响,具有较高的左右低阻异常分辨能力和探测能力,晚期数据与同侧发射接收数据产生机制相同,为发射线圈附近产生的二次场相互感应扩散形成,其分辨能力和探测能力相对较弱;相较于同侧发射接收的瞬变电磁法,对侧发射接收的瞬变电磁透视技术结合早晚期数据,可以很好的区分低阻异常体相对于发射线圈和接收点的空间位置;低阻异常体越靠近发射线圈,对侧接收的早期数据受到的影响越大,晚期数据影响时间段有所增加,但影响程度越小,越靠近接收点所在巷道,其影响特征相反,以此可以粗略判断低阻异常体沿工作面切向的位置。早晚期数据相结合的瞬变电磁透视探测技术,能更加精细地解译工作面内部及附近隐蔽突水地质异构体的空间信息。
部分图片





 1    矿井瞬变电磁透视探测技术观测系统


 2    全空间长条形发射回线产生的感应电动势时空分布


 3    瞬变电磁透视数据特征分析模型示意


 4    感应电动势及其变化率随时间变化曲线


 5    低阻异常体正对测线中心时的感应电动势变化率剖面


 6    低阻异常体正对测线中心时的感应电动势多测道剖面


 7    异常体偏移测线中心水平位置示意


 8    低阻异常体偏移测线中心 100 m 时的感应电动势变化率剖面


 9    低阻异常体偏移测线中心 100 m 时的感应电动势的多

测道剖面


 10    异常体靠近对侧接收点示意


 11    低阻异常体靠近接收点时的感应电动势变化率剖面


 12    异常体靠近发射回线示意


 13    低阻异常体靠近发射回线时的感应电动势变化率剖面


 14    低阻异常体位于接收点外侧模型示意


第一作者简介

李毛飞,男,1989年生,江苏省丰县人,中共党员,202112月博士毕业于中国矿业大学。长期从事电磁法勘探、矿井地球物理勘探、工程与环境地球物理勘探理论方法及应用技术领域的科学研究。现为中国矿业大学博士后。以第一作者和通讯作者发表SCIEI检索论文7,主持国家自然科学基金委员会青年项目和重点实验室开放基金各1项,参与国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目和省部级重点研发基金等纵向项目5项,主持参与企事业单位科研项目数十项,发明专利3项,软件著作权2项。


研究方向

矿井地球物理,应用地球物理


主要成果

致力于煤矿隐蔽导含水致灾因素的精准探测研究,取得多项创新成果;提出了基于地震波阻抗反演结果模型的瞬变电磁解释手段,以地震反演模型为瞬变电磁正演模型进行正演模拟,通过与实测数据之间的耦合关系分析构造的导含水性;提出了地面瞬变电磁法和地巷瞬变电磁法联合反演解释方法,提高了瞬变电磁法探测煤矿隐蔽突水致灾源的精度;采用三维反演方法进行电透视数据的解释,分析了规则异常体对电透视曲线的影响因素及电透视曲线特征,增加了电透视数据解释手段,提搞了解释准确度;提出了基于长矩形发射源的瞬变电磁透视探测技术,可实现工作面内部隐蔽地质体水平边界的精准探测。

通讯作者简介

姜志海,男,19788月生,山东宁津人,教授,博士生导师。20029月至20086月获工学硕士、博士学位从事应用地球物理方面的教学和科研工作。主持完成国家自然科学基金2、高校博点基金项目1,作为主要研究人员参与国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划课题、江苏省重大科技示范项目和各类省部级项目等纵向项目十余项,主持或参与企事业科研项目数十项,以第一作者和通讯作者发表SCIEI检索论文数十,获国家授权发明专利7项,软件著作权2项,出版专著1部,获省部级科技进步二等奖2项,煤炭行业协会科技进步二等奖2项。




来源:

李毛飞姜志海刘树才矿井瞬变电磁透视探测技术响应特征研究与应用[J]. 煤炭学报202449(4):1976−1988.

  责任编辑:宫在芹
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