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        錨網(wǎng)支護(hù)對(duì)礦井瞬變電磁響應(yīng)的影響與校正

        2019-05-07 03:28:48時(shí)志浩程久龍溫來福
        煤礦安全 2019年4期
        關(guān)鍵詞:影響

        時(shí)志浩,程久龍,2,董 毅,溫來福

        (1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院,北京100083;2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)

        煤炭資源在我國能源結(jié)構(gòu)中仍占主導(dǎo)的地位。近年來,隨著我國對(duì)深部復(fù)雜賦存煤層的大力開采,水害已成為威脅煤礦生產(chǎn)的重大安全隱患[1]。礦井瞬變電磁法采用小回線裝置,具備施工高效、對(duì)低阻靈敏等優(yōu)點(diǎn)[2],在煤礦防治水工作中得到廣泛的應(yīng)用,已發(fā)展成預(yù)防礦井水害的重要技術(shù)之一。其中的金屬錨網(wǎng)用于支護(hù)巖體滑落并固定在巷道側(cè)幫及頂板上,干擾瞬變電磁探測信號(hào),給后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和資料的準(zhǔn)確解釋帶來很大困難。

        目前,錨網(wǎng)支護(hù)等金屬體造成的礦井瞬變電磁信號(hào)失真處理方面,主要是通過對(duì)后期受干擾的數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列校正來還原真實(shí)信號(hào)。如于景邨等[3]、張軍[4]、胡雄武等[5]、周嗣輝等[6]采用物理模擬和井下試驗(yàn)方法,研究礦井巷道各金屬體干擾下的瞬變電磁響應(yīng)特征,分別獲得無金屬體影響和有金屬體影響下的視電阻率,通過相互比值得到每個(gè)時(shí)間窗口的校正系數(shù),然后對(duì)有金屬體影響的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行校正,效果明顯。周璇等[7]通過數(shù)值模擬的方法,將井下巷道支護(hù)的金屬棚架等效為金屬薄層,通過改變金屬薄層的厚度來計(jì)算其響應(yīng)特征規(guī)律,得到校正參數(shù)后對(duì)金屬棚架支護(hù)的金屬干擾處理校正,提高了解釋精度。前人對(duì)礦井中的鐵軌和巷道等干擾的響應(yīng)特征做了大量研究,并給出了校正方法,但沒有針對(duì)施工中金屬錨網(wǎng)引起的干擾特征做深入研究。為此針對(duì)巷道內(nèi)固定的金屬錨網(wǎng)干擾源為例,通過COMSOL數(shù)值模擬和井下實(shí)驗(yàn)的途徑,研究在錨網(wǎng)支護(hù)的影響下,不同探測方向和不同距離時(shí)的瞬變電磁響應(yīng)特征,并給出井下金屬干擾的瞬變電磁數(shù)據(jù)校正方法及施工建議。

        1 錨網(wǎng)干擾下礦井瞬變電磁響應(yīng)特征

        金屬錨網(wǎng)是目前礦井必不可少的支護(hù)方式,在礦井瞬變電磁探測中屬于面積較大但體積較小的金屬干擾,鋪設(shè)于巷道整體,不可移動(dòng),具有連續(xù)性。采用COMSOL軟件模擬與井下試驗(yàn)相結(jié)合的方法,通過研究線框距錨網(wǎng)不同位置和不同探測方向時(shí)的礦井瞬變電磁響應(yīng)特征,分析施工中錨網(wǎng)干擾源的影響規(guī)律。

        1.1 COMSOL數(shù)值模擬

        COMSOL Multiphysics軟件是一款大型多物理場建模與仿真的軟件,具有友好的可視化操作界面,且軟件集成高精度的數(shù)據(jù)提取分析工具,通過軟件仿真模擬能夠更加準(zhǔn)確的分析礦井瞬變電磁波場的傳播規(guī)律[8]。先借助軟件建立巷道全空間模型,設(shè)置巷道寬5 m,高6 m,長200 m,巷道中介質(zhì)設(shè)為空氣,在巷道側(cè)幫以及迎頭設(shè)置層厚為0.1 m的鐵質(zhì)錨網(wǎng)。然后對(duì)設(shè)置的三維模型進(jìn)行非均勻四面體網(wǎng)格剖分。通過引用step1階躍函數(shù),建立峰值電流5 A,關(guān)斷時(shí)間0.1 ms的階躍電流函數(shù),以向發(fā)射線圈中加載階躍電流的方式模擬發(fā)射線圈中瞬變電磁場的建立過程。

        1)有無錨網(wǎng)支護(hù)瞬變電磁響應(yīng)對(duì)比。有錨網(wǎng)支護(hù)與無錨網(wǎng)支護(hù)下的感應(yīng)電位衰減曲線如圖1??梢钥闯?,在錨網(wǎng)支護(hù)條件下可以探測到異常反應(yīng),但測點(diǎn)的感應(yīng)電位幅值明顯大于無錨網(wǎng)支護(hù)下的感應(yīng)電位,其最高幅值高出約2個(gè)數(shù)量級(jí),錨網(wǎng)造成的干擾嚴(yán)重掩蓋了有用信號(hào),給反演解釋帶來困難。

        圖1 有無錨網(wǎng)支護(hù)瞬變電磁衰減曲線

        2)不同探測距離下響應(yīng)特征對(duì)比。發(fā)射線框與錨網(wǎng)不同探測距離時(shí)的礦井瞬變電磁響應(yīng)衰減曲線如圖2,不同的探測距離下受干擾程度不同。探測距離小,干擾影響大;隨著探測距離增大,干擾影響呈數(shù)量級(jí)減小,當(dāng)增大到一定程度時(shí),其影響基本可以忽略。錨網(wǎng)干擾體的瞬變電磁響應(yīng)程度隨著探測距離的變化呈現(xiàn)反相關(guān)關(guān)系。

        圖2 錨網(wǎng)支護(hù)下不同距離瞬變電磁衰減曲線

        根據(jù)COMSOL模擬結(jié)果可得,礦井瞬變電磁響應(yīng)信號(hào)受錨網(wǎng)支護(hù)的干擾影響較大,容易使實(shí)測數(shù)據(jù)失真,偏離礦井真實(shí)電性特征,直接將受干擾的數(shù)據(jù)用于反演解釋,可能得出錯(cuò)誤的結(jié)論。

        1.2 井下瞬變電磁干擾試驗(yàn)

        為獲取不同探測方向時(shí)錨網(wǎng)支護(hù)對(duì)礦井瞬變電磁響應(yīng)的影響規(guī)律,根據(jù)井下實(shí)際的探測條件,采用澳大利亞Terra-TEM型瞬變電磁儀,2 m×2 m邊長線框的重疊回線裝置,疊加次數(shù)32次。考慮錨網(wǎng)支護(hù)具有較大的面積,認(rèn)為當(dāng)探測線框與其成不同的探測方向時(shí),受到的影響理論上應(yīng)該有所不同。本次試驗(yàn)中金屬錨網(wǎng)巷道支護(hù)位于右側(cè)幫及頂板處,左側(cè)幫為塑料錨網(wǎng)支護(hù)。因此設(shè)計(jì)以下2組試驗(yàn)方案:①線框法線垂直于巷道方向:巷道寬度5 m,分別探測線框中心距右側(cè)幫 0、1、2、3、4、5 m 共 5 組,設(shè)計(jì)試驗(yàn)點(diǎn)6個(gè),數(shù)據(jù)采集量6個(gè);②線框法線平行于巷道方向:巷道寬度5 m,探測線框2 m,分別探測線框中心距右側(cè)幫1、2、3、4 m共4組,設(shè)計(jì)試驗(yàn)點(diǎn)4個(gè),數(shù)據(jù)采集量4個(gè)。金屬錨網(wǎng)感應(yīng)電動(dòng)勢衰減曲線對(duì)比圖如圖3。

        圖3 金屬錨網(wǎng)感應(yīng)電動(dòng)勢衰減曲線對(duì)比圖

        從圖3中可以看出,2種不同探測模式下的衰減曲線特征與COMSOL軟件模擬結(jié)果相近,當(dāng)探測線框距離巷道錨網(wǎng)支護(hù)的側(cè)幫越近時(shí),感應(yīng)電動(dòng)勢越高,衰減越慢,符合低阻體對(duì)二次場衰減的響應(yīng)規(guī)律。從圖3(a)可以看出,當(dāng)探測線框距離巷道錨網(wǎng)支護(hù)的右側(cè)幫距離0~4 m時(shí),其感應(yīng)電動(dòng)勢與錨網(wǎng)距離呈現(xiàn)正相關(guān)。但距離達(dá)到5 m時(shí),感應(yīng)電動(dòng)勢反而增大,這說明錨網(wǎng)支護(hù)在距離線框大于5 m后的影響已經(jīng)很微弱,從而表現(xiàn)出來的是原有地質(zhì)體的響應(yīng)特征。圖3(b)中,線框距離右側(cè)幫在1~3 m時(shí),感應(yīng)電動(dòng)勢衰減曲線幅值隨距離增大而減小,當(dāng)達(dá)到4 m時(shí),感應(yīng)電動(dòng)勢升高,說明此距離之下錨網(wǎng)的影響已經(jīng)極弱。此外,當(dāng)探測線框法線垂直于巷道方向時(shí),感應(yīng)電動(dòng)勢幅值明顯要高于探測線框法線平行于巷道方向,故認(rèn)為線框平面正對(duì)錨網(wǎng)平面時(shí)受到的干擾更大。

        2 錨網(wǎng)干擾壓制技術(shù)

        錨網(wǎng)支護(hù)對(duì)礦井瞬變電磁實(shí)測數(shù)據(jù)干擾影響大。因此在對(duì)原始數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理時(shí)很有必要對(duì)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行校正,從而更加真實(shí)的體現(xiàn)出目標(biāo)地質(zhì)體的電性特征。礦井瞬變電磁視電阻率ρτ公式為[9]:

        式中:C為全空間響應(yīng)系數(shù);S、s為發(fā)射和接收回線面積;N、n為發(fā)射和接收回線匝數(shù);A0為校正后的感應(yīng)電動(dòng)勢,A0=A1/A;A為校正系數(shù),是巷道有金屬干擾體和無金屬干擾體的比值;A1為校正前的感應(yīng)電動(dòng)勢;t為衰減時(shí)間。

        用校正系數(shù)A的擬合函數(shù)Pn(t)對(duì)實(shí)測數(shù)據(jù)校正,引入校正擬合函數(shù)得到的視電阻率公式為[10]:

        式中:V1/I1為干擾情況下的歸化感應(yīng)電動(dòng)勢。

        根據(jù)錨網(wǎng)干擾體的校正函數(shù)Pn(t),對(duì)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行校正,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)有效信號(hào)的提取,從而確保對(duì)目標(biāo)地質(zhì)體的空間位置以及分布范圍較準(zhǔn)確地進(jìn)行定位。

        3 應(yīng)用實(shí)例

        通過對(duì)巷道中金屬錨網(wǎng)支護(hù)對(duì)礦井瞬變電磁影響規(guī)律的研究分析發(fā)現(xiàn),響應(yīng)值會(huì)顯著增大。對(duì)受干擾的實(shí)測數(shù)據(jù)直接進(jìn)行處理,得到的視電阻率會(huì)產(chǎn)生大的偏差。因此采用校正擬合函數(shù)法對(duì)榆林某煤礦超前探測實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行校正處理,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

        某煤礦被第四系松散沉積物覆蓋,堆積物主要有全新統(tǒng)風(fēng)積沙、沖、洪積層,上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組,中更新統(tǒng)離石組等。鉆孔揭露的地層還有:新近系上新統(tǒng)靜樂組,侏羅系中統(tǒng)直羅組、延安組,下統(tǒng)富縣組等。該礦2301工作面回風(fēng)巷迎頭(1 971 m)侏羅系延安組地層中,可采煤層為3煤。礦區(qū)裂隙較發(fā)育且構(gòu)造較多,易造成片幫冒頂事故,故巷道頂板以及側(cè)幫都設(shè)有金屬錨網(wǎng)支護(hù),對(duì)實(shí)測數(shù)據(jù)影響較大。本次探測為驗(yàn)證性探測,是在迎頭位置針對(duì)錨網(wǎng)干擾體進(jìn)行的巷道超前探測。金屬錨網(wǎng)干擾校正前后對(duì)比圖如圖4。

        圖4(a)中掘進(jìn)工作面前方右側(cè)部分區(qū)域視電阻率明顯偏低,推測是由于金屬錨網(wǎng)的存在導(dǎo)致左側(cè)幫-40°到右側(cè)幫45°的50~120 m探測范圍內(nèi)顯示相對(duì)低阻區(qū),異常范圍大。圖4(b)是采用多項(xiàng)式擬合函數(shù)進(jìn)行校正處理后繪制的視電阻率斷面圖,掌子面前方不再是大片低阻區(qū),只在右側(cè)幫15°~30°的80~120 m探測范圍內(nèi)存在低阻分布,金屬錨網(wǎng)造成的影響得到有效消除。后經(jīng)鉆孔驗(yàn)證,校正后的處理成果與實(shí)際水文地質(zhì)情況相吻合。

        圖4 金屬錨網(wǎng)干擾校正前后對(duì)比圖

        4 結(jié)語

        1)巷道中金屬錨網(wǎng)支護(hù)的存在使礦井瞬變電磁實(shí)測相應(yīng)值顯著增大,反演出的視電阻率值明顯偏小,掩蓋有效信號(hào),無法準(zhǔn)確預(yù)測地質(zhì)異常體的位置與范圍。

        2)礦井瞬變電磁線框距金屬錨網(wǎng)一定距離范圍內(nèi),受干擾程度與距離遠(yuǎn)近呈反相關(guān)關(guān)系。隨距離增大,錨網(wǎng)的影響逐漸變?nèi)踔敝帘粚?shí)際地層二次場響應(yīng)覆蓋,此時(shí)接受的信號(hào)可以看作不受錨網(wǎng)干擾影響,并能夠反映真實(shí)視電阻率分布規(guī)律。探測線框平面正對(duì)金屬體時(shí)受到的干擾響應(yīng)大于其他探測方向。

        3)采用多項(xiàng)式擬合函數(shù)能較好校正錨網(wǎng)造成的干擾,提取有效信號(hào)。在實(shí)際井下探測中,可將探測線框布置距錨網(wǎng)支護(hù)4 m外,降低探測數(shù)據(jù)受錨網(wǎng)影響程度,提高礦井瞬變電磁數(shù)據(jù)的反演解釋精度。

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