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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
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。
图 1 矿井瞬变电磁透视探测技术观测系统
图 2 全空间长条形发射回线产生的感应电动势时空分布
图 3 瞬变电磁透视数据特征分析模型示意
图 4 感应电动势及其变化率随时间变化曲线
图 5 低阻异常体正对测线中心时的感应电动势变化率剖面
图 6 低阻异常体正对测线中心时的感应电动势多测道剖面
图 7 异常体偏移测线中心水平位置示意
图 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
图 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
图 10 异常体靠近对侧接收点示意
图 11 低阻异常体靠近接收点时的感应电动势变化率剖面
图 12 异常体靠近发射回线示意
图 13 低阻异常体靠近发射回线时的感应电动势变化率剖面
图 14 低阻异常体位于接收点外侧模型示意
李毛飞,男,1989年生,江苏省丰县人,中共党员,2021年12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SCI、EI检索论文7篇,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。
姜志海,男,1978年8月生,山东宁津人,教授,博士生导师。2002年9月至2008年6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项、高校博点基金项目1项,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SCI、EI检索论文数十篇,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,等. 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,2024,49(4):1976−1988.