王坤

摘? 要：通過(guò)開(kāi)展水害及異常體地質(zhì)參數(shù)研究、隱式時(shí)域三維有限差分實(shí)時(shí)成像技術(shù)研究、數(shù)值模型建模及隱蔽水害實(shí)時(shí)探測(cè)方法等實(shí)施井下突水預(yù)警多方位電磁法動(dòng)態(tài)探測(cè)實(shí)時(shí)成像技術(shù)研究，并開(kāi)展示范工程與應(yīng)用，聯(lián)合研發(fā)相關(guān)探查設(shè)備，達(dá)到實(shí)現(xiàn)煤巖水害地質(zhì)異常體參數(shù)提取、隱式時(shí)域三維有限差分方法成像技術(shù)、數(shù)值地質(zhì)模型，水害瞬變電磁法預(yù)警實(shí)時(shí)成像技術(shù)的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：電磁法;探測(cè);成像

中圖分類號(hào)：P631.2? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）06-0167-02

1 概況

在礦井防治水方面，當(dāng)前面臨的主要技術(shù)問(wèn)題有兩個(gè)方面，一是對(duì)水體的超前探查技術(shù)不完善，不能夠較為準(zhǔn)確地對(duì)地下水體的分布狀態(tài)、數(shù)量等做出判斷。二是對(duì)于斷層與陷落柱等構(gòu)造發(fā)育規(guī)律、老空區(qū)分布及其導(dǎo)水性規(guī)律研究深度不夠。物探結(jié)果相互獨(dú)立，對(duì)于地質(zhì)異常的劃分沒(méi)有與其它方法、地質(zhì)資料等手段結(jié)合，這需要在礦區(qū)長(zhǎng)期開(kāi)展探測(cè)工作。針對(duì)以上情況需要開(kāi)展礦區(qū)水害及異常體地質(zhì)參數(shù)研究，并采用三維有限差分?jǐn)?shù)值算法建立礦區(qū)地質(zhì)三維數(shù)字模型，研究電磁波傳播的規(guī)律，分析充水采空區(qū)、導(dǎo)水陷落柱、充水?dāng)鄬拥入[蔽水害與瞬變電磁響應(yīng)的關(guān)系，并總結(jié)辨別依據(jù)。

2 方案設(shè)計(jì)

（1）礦區(qū)實(shí)際地質(zhì)參數(shù)提取。瞬變電磁二次場(chǎng)衰減信號(hào)與被測(cè)區(qū)域?qū)嶋H地質(zhì)參數(shù)緊密相關(guān)，準(zhǔn)確提取被測(cè)區(qū)域地球物理電性參數(shù)、充分獲取地層結(jié)構(gòu)參數(shù)是精準(zhǔn)分辨水害異常的關(guān)鍵。因此，需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，收集礦區(qū)地質(zhì)資料，深入了解礦區(qū)水文地質(zhì)類型;同時(shí)，提取礦區(qū)煤巖樣品電性參數(shù)，為后期礦區(qū)三維數(shù)值建模、數(shù)據(jù)反演解釋和異常判定提供原始參數(shù)。（2）礦區(qū)三維數(shù)值建模。由于各個(gè)礦區(qū)的地質(zhì)參數(shù)不同，瞬變電磁二次場(chǎng)響應(yīng)特征也大相徑庭。為分析發(fā)射電流完全關(guān)斷后，電磁波在皖北煤電下屬礦區(qū)煤層、巖層中的傳播規(guī)律，弄清皖北煤電充水采空區(qū)、陷落柱、斷層的瞬變電磁探測(cè)二次場(chǎng)信號(hào)特征，需要結(jié)合皖北煤電地質(zhì)參數(shù)，通過(guò)三維高精度無(wú)源隱式差分方程建立礦區(qū)三維地質(zhì)數(shù)字模型，通過(guò)數(shù)值算法模擬在不同電磁波參數(shù)、不同地質(zhì)參數(shù)、不同水害類型下的瞬變電磁二次場(chǎng)信號(hào)傳播，分析異常響應(yīng)規(guī)律，總結(jié)異常識(shí)別特征。（3）瞬變電磁動(dòng)態(tài)成像儀研制。為提高對(duì)隱蔽水害探測(cè)的準(zhǔn)確率和效率，需要提高探測(cè)儀器的性能：通過(guò)提高發(fā)射功率、縮短發(fā)射電流關(guān)鍵時(shí)間，提高二次場(chǎng)信號(hào)強(qiáng)度;通過(guò)壓噪調(diào)理技術(shù)和低噪采樣技術(shù)，實(shí)現(xiàn)二次場(chǎng)弱信號(hào)的提取;通過(guò)姿態(tài)角測(cè)量技術(shù)和高速CPU并行計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)隱蔽水害的視電阻率實(shí)時(shí)成像;結(jié)合皖北煤電地質(zhì)參數(shù)，在解釋軟件中植入實(shí)際電性參數(shù)和異常特征識(shí)別模型，實(shí)現(xiàn)隱蔽水害的準(zhǔn)確辨別。（4）皖北煤電隱蔽水害數(shù)值建模。為保證盡量降低盲區(qū)的同時(shí)，提高探測(cè)距離，采用全波型測(cè)量方法，在發(fā)射電流關(guān)斷期間和完全關(guān)斷后，均完全采集數(shù)據(jù)。最后通過(guò)全波型視電阻率解釋，實(shí)現(xiàn)對(duì)前方地層實(shí)時(shí)成像。井下全空間全波形瞬變電磁測(cè)量，不僅能實(shí)現(xiàn)淺層地質(zhì)體的探測(cè)，降低盲區(qū)，而且具有解釋精度高，對(duì)低阻體具有高分辨率等優(yōu)點(diǎn)。最初全波形解釋主要用在航空瞬變電磁上。

綜上所述，針對(duì)目前井下全空間瞬變電磁探測(cè)在理論計(jì)算和解釋存在的不足，結(jié)合全波形探測(cè)的優(yōu)勢(shì)，在國(guó)內(nèi)外階躍波發(fā)射三維無(wú)源有限差分算法基礎(chǔ)上，研究了井下任意波形發(fā)射全空間全波形時(shí)間域響應(yīng)三維有限差分?jǐn)?shù)值算法：結(jié)合矩形波無(wú)源三維有限差分算法，在Switch-off-time時(shí)段對(duì)發(fā)射電流進(jìn)行場(chǎng)源離散，等效為若干小梯形脈沖元的和，并將小梯形脈沖元在時(shí)間上的電磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換成空間中初始電磁場(chǎng)，分時(shí)引入迭代方程中，逐漸將有源有限差分方程轉(zhuǎn)化為無(wú)源有限差分方程。最后通過(guò)模型的數(shù)值計(jì)算，研究電磁波在礦區(qū)煤層、巖層中的傳播規(guī)律，弄清充水采空區(qū)、陷落柱、斷層的瞬變電磁探測(cè)二次場(chǎng)信號(hào)特征，分析響應(yīng)規(guī)律，總結(jié)異常識(shí)別特征。

3 成像實(shí)驗(yàn)

3.1 成像方案設(shè)計(jì)

在恒源煤電股份有限公司煤礦深部井-940m回風(fēng)主石門B12點(diǎn)前55.6m多方位電磁法動(dòng)態(tài)探測(cè)實(shí)時(shí)成像實(shí)驗(yàn)，結(jié)合礦井的水文地質(zhì)條件、礦井充水因素、水害特征，通過(guò)對(duì)-940m回風(fēng)主石門B12點(diǎn)前55.6m進(jìn)行瞬變電磁超前探測(cè)，初步查明探測(cè)前方100m范圍內(nèi)的富水區(qū)分布情況，以及3#、4#煤層頂?shù)装迳皫r層的富水情況，對(duì)掘進(jìn)工作面前方可能出現(xiàn)的異常含水區(qū)域做出及時(shí)準(zhǔn)確的超前預(yù)報(bào)，指導(dǎo)巷道安全掘進(jìn)和防治水工作，達(dá)到防止和減少水害事故，保障煤礦安全、高效的生產(chǎn)，驗(yàn)證多方位電磁法動(dòng)態(tài)探測(cè)實(shí)時(shí)成像技術(shù)的有效性和儀器的準(zhǔn)確性。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)布置

現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)分水平和豎直探測(cè)，水平探測(cè)布置5個(gè)方向（順層方向、偏頂板10°、偏底板10°、偏底板20°、偏底板30°），每個(gè)方向布置13個(gè)測(cè)點(diǎn)（間隔15°探測(cè)180°范圍）。

3.3 探測(cè)成果分析

（1）水平方向頂板10°。方向現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)編輯、濾波處理、視電阻率計(jì)算、時(shí)深轉(zhuǎn)換等步驟，可得10°方向視電阻率等值線圖。由圖綜合分析可知，探測(cè)區(qū)域視電阻率等值線變化平緩，除左幫和正前方遠(yuǎn)區(qū)處視電阻率值相對(duì)較高外，其他區(qū)域無(wú)明顯的突變和低阻圖異常區(qū)，推測(cè)頂板10°基本無(wú)水。

（2）水平方向順層方向。現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)編輯、濾波處理、視電阻率計(jì)算、時(shí)深轉(zhuǎn)換等步驟，可得如圖1順層方向視電阻率等值線圖。由圖1綜合分析可知，探測(cè)區(qū)域視電阻率等值線變化平緩，除左幫和正前方遠(yuǎn)區(qū)處視電阻率值相對(duì)較高外，其他區(qū)域無(wú)明顯的突變和低阻異常區(qū)，推測(cè)順層方向含水性弱或者不含水。

（3）水平方向底板10°方向?，F(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)編輯、濾波處理、視電阻率計(jì)算、時(shí)深轉(zhuǎn)換等步驟，可得如圖2底板10°方向視電阻率等值線圖。由圖2綜合分析可知，探測(cè)區(qū)域視電阻率等值線變化平緩，除左幫和正前方遠(yuǎn)區(qū)處視電阻率值相對(duì)較高外，其他區(qū)域無(wú)明顯的突變和低阻異常區(qū)，推測(cè)底板10°方向含水性弱。

（4）水平方向底板20°方向?，F(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)編輯、濾波處理、視電阻率計(jì)算、時(shí)深轉(zhuǎn)換等步驟，可得如圖3底板20°方向視電阻率等值線圖。由圖3綜合分析可知，探測(cè)區(qū)域視電阻率等值線變化平緩，數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠，在右?guī)?0°～15°方向，探測(cè)深度25～60m范圍內(nèi)，視電阻率呈現(xiàn)圈閉的低阻區(qū)域，推測(cè)底板20°方向含少量砂巖裂隙水。

（5）水平方向底板30°方向現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)編輯、濾波處理、視電阻率計(jì)算、時(shí)深轉(zhuǎn)換等步驟，可得如圖4底板30°方向視電阻率等值線圖。由圖4綜合分析可知，探測(cè)區(qū)域視電阻率等值線變化平緩，數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠，在右?guī)?°～15°方向，探測(cè)深度30～50m范圍內(nèi)，視電阻率呈現(xiàn)圈閉的低阻區(qū)域，推測(cè)底板30°方向含少量砂巖水。

4 結(jié)論及建議

根據(jù)井下現(xiàn)場(chǎng)物探成果圖和地面數(shù)據(jù)處理視電阻率剖面圖等資料，綜合分析水平方向和垂直上探測(cè)成果圖，可知：在頂板10°方向和順層方向視電阻率整體變化平緩，無(wú)明顯的低阻異常，推測(cè)頂板方向含水弱或者不含水。在底板10°～30°方向，探測(cè)深度25～60m范圍，呈現(xiàn)圈閉的低阻異常，但視電阻率值大于30Ω·m，結(jié)合地質(zhì)情況，推測(cè)底板10～30°方向含少量砂巖裂隙水。經(jīng)過(guò)與地質(zhì)資料和鉆孔資料驗(yàn)證，與實(shí)際情況相符合，驗(yàn)證了方法和儀器的正確性。

參考文獻(xiàn)：

[1]李貅，薛國(guó)強(qiáng)，郭文波.瞬變電磁法擬地震成像研究進(jìn)展[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2007，22（3）：811-816.