积水采空区地面-钻孔瞬变电磁探测技术

小煤窑积水采空区威胁煤矿安全生产,为有效识别钻孔旁侧遗漏的积水采空区并确定其空间位置,采用地面发射阶跃磁场、钻孔中接收三分量感应场的观测方式进行地面-钻孔瞬变电磁探测。通过构建积水采空区地电模型,正演分析了异常的响应特征及异常场随异常体电阻率、规模和相对钻孔距离变化的规律。计算结果表明:异常场的3个分量均响应明显,X,Y分量过零点与Z分量极值点对应异常体深度;X,Y分量幅值相对较小,但为纯异常场,便于识别和提取;Z分量幅值相对较强,但异常场为背景场的千分之一,不易识别和提取;由于更接近异常体,地面-钻孔观测方式相比地面瞬变电磁采集到的Z分量异常信号更强;异常响应强度随异常体电阻率降低、规模增大、距离减小而增强。基于等效电流环理论,设计了最小二乘约束反演算法,通过反演拟合异常场能获得异常体的中心坐标、倾角、尺寸等参数,实现异常体的空间定位。在陕西省榆林市某煤矿使用地面-钻孔瞬变电磁法开展积水采空区探测实验,采集的X,Y分量数据在目标层附近表现明显的异常响应特征,通过对1.0 ms和1.3 ms的异常场数据进行反演拟合,发现并推断钻孔北侧存在小煤窑积水采空区,反演结果得到后期钻孔验证,与实际揭露情况吻合。理论分析与现场实验证明:地面钻孔瞬变电磁法能有效探测到钻孔旁侧的积水采空区,实现"一孔多用"并突破"一孔之见",为小煤窑积水采空区的精细探查提供了一种新的地球物理勘探手段。     

煤层顶板致灾水体井上下双磁源瞬变电磁响应及应用

煤层顶板隐蔽致灾水体是矿井水害之一,矿井瞬变电磁法是探测矿井灾害水源的主要方法之一。由于矿井瞬变电磁法采用多匝小回线装置,发射磁距小,其探测深度不能满足大深度矿井对煤层顶板探测的要求。基于此,提出了井上下双磁源对煤层顶板进行立体探测的新方法。利用有限差分数值模拟技术,对井上(地面)激发,井下巷道接收和井上下双磁源激发,井下接收2种装置瞬变电磁响应进行了对比,结果表明:当顶板含有富水体和不含有富水体时,瞬变电磁响应特征均有明显的差异,主要表现为:在感应电位衰减曲线交叉点左侧,顶板存在含水体时曲线幅值相对较小,而在交叉点右侧幅值相对较大,表明该曲线特征与顶板富水性密切相关。分别采用井上下双磁源激发、巷道接收和井下磁源激发、巷道内接收2种工作方式在某矿进行煤层顶板含水体实际探测,探测结果表明:当煤层顶板富水性较强时,井上下双磁源激发、井下接收与井下激发、井下接收的瞬变电磁响应特征与数值模拟结果一致,交叉点左侧井下单磁源激发的视电阻率值明显低于井上下双磁源激发视电阻率值,而在交叉点右侧情况正好相反;当顶板富水性较弱时,2种情况所测的视电阻率曲线趋势基本一致,实际探测结果与钻孔资料吻合良好,对大深度矿井顶板隐蔽致灾水体的探测提供了一种新的有效探测方法。     

矿井巷道-钻孔瞬变电磁二维拟地震反演方法及应用

采空巷道严重威胁煤矿安全和矿工生命,因其体积规模较小,常规物探对其探测精度较差,钻探手段也很难准确命中目标,为解决采空巷道的精细探测问题,提出一种煤矿井下巷道-钻孔瞬变电磁探测方法。该方法属于一种定源动接收的二维工作方法,通过在孔口布设一固定不动的发射线框,在孔内沿钻孔移动接收探头进行三分量观测,进而实现对钻孔径向低阻地质异常体的高精度探测。该装置观测曲线形态复杂,反演难度大。通过基于CPU+GPU异步并行的时域有限差分三维数值模拟分析了其数据特征,提出了结合分时段和全时段波场反变换算法2者优势的基于相关的滑动时窗波场反变换算法对数据进行高精度波场转换,研究了二维装置的虚拟波场时距曲线特征,得出了相应的动校正算法,采用等效导电平面法构建了初始速度模型,最终在虚拟声波介质假设下通过共轭梯度全波形反演技术实现了巷道-钻孔瞬变电磁数据的拟地震反演。计算了三维数值模拟、水槽物理模拟和井下现场模拟资料的反演结果,对钻孔径向的小规模异常体取得了良好的成像效果。结合山西煤矿井下的工程实践,对该方法精细探测积水采空巷道性质、形态和规模的实用性和有效性进行了检验。研究表明:巷道-钻孔瞬变电磁探测方法是井下物探与钻探的有机结合与相互补充,能够有效应用于积水采空巷道探测。     

矿井地面-井下电性源瞬变电磁探测响应规律分析

为了避免井下瞬变电磁探测面临的金属强干扰、高瓦斯矿井防爆等要求,对矿井地面布置瞬变电磁发射源,在井下巷道、采场接收的瞬变电磁探测方法进行研究。采用三维时域有限差分法建立电性源瞬变电磁三维正演算法,研究地面电性源发射,井下巷道接收的瞬变电磁响应规律。首先采用均匀半空间模型和层状模型研究地下接收瞬变电磁场的曲线形态特征以及对地层电阻率变化的敏感性,并考察接收排列的最佳方位角和收发距。以层状模型为例设置均布的5条测线接收排列,计算了不同接收点的瞬变电磁响应响应曲线,对比分析曲线形态,得到电性源瞬变电磁地面发射、井下接收采集范围和传播规律,即:1电性源磁响应在垂向(broadside)排列方向比在轴向(inline)排列幅值大,井下接收的最佳测线方向为垂直排列方向;2发射长度为1 km的电性源井下接收有效探测深度可达到1.5 km;3电阻率较高的煤层对接收点响应曲线的影响不大。其次,设计包含顶板水和底板水的模型,计算得到了不同类型含水层的响应规律,对比曲线可以发现明显的异常差异。最后,设计一个包含断层的复杂模型,得出了倾斜充水断层影响下的瞬变电磁响应曲线。得到地面发射-井下接收的瞬变电磁方法的采集范围和传播规律,最佳方位角为垂直排列方向;地面发射-井下接收的瞬变电磁方法对顶板水和底板水有一定的分辨和识别能力;地面发射-井下接收的瞬变电磁方法能够初步对倾斜充水断层的电磁场响应进行识别。该方法仅要求接收机在井下,易于进行本安设计。     

矿井瞬变电磁法在新驿煤矿探水中的应用

为了防止生产过程中钻孔突水事故发生,保证采煤工作安全,应用瞬变电磁法,在新驿煤矿已掘进巷道内沿煤层和煤层底板向可疑位置发射电磁波,探测分析工作面钻孔确切位置及富水情况.通过探测发现工作面钻孔内含水情况,瞬变电磁法能够准确探测工作区域水文地质情况,为煤矿防治水提供可靠依据.     

矿用孔-巷瞬变电磁系统在煤矿的试验应用

设计了一种矿用孔-巷瞬变电磁设备。与传统的矿用瞬变电磁仪器相比,此次研制的设备在探测精度上有较大的提高,采用了井下巷道发射,钻孔接收的方式,借助钻孔岩层的屏蔽作用能够很大程度上降低接收信号时工作面的外部干扰,提高探测的精度,确保安全高效的开采。介绍了矿用孔-巷瞬变电磁系统在煤矿的探测应用,主要介绍整个系统的工作原理、及试验测试情况,试验结果表明矿用孔-巷瞬变电磁系统能够更精准的反映地质异常的位置。     

瞬变电磁探测技术在煤矿防治水中的应用

介绍了全空间场和半空间场瞬变电磁探测技术的原理和常用工作装置,结合某矿的水文地质概况和开采条件,对其1136、1138工作面采用地面瞬变电磁法进行了采空区积水和覆岩富水性勘查,并对1136工作面进行了矿井瞬变电磁探测,结果表明地面瞬变电磁和矿井瞬变电磁的探测结果较为一致,基本查明了异常区的位置、分布范围和积水情况。根据探测确定的异常目标区域,布置了22个钻孔,其中有16个钻孔出水,并证实2处低阻异常为砂岩含水体。     

地孔瞬变电磁法超前探测数值模拟响应特征

为了避免传统井下瞬变电磁超前探测受巷道中电磁干扰信号、锚网、掘进机等影响,提出一种在地面布设发射回线,在煤矿井下掘进工作面或工作面水平钻孔中测量瞬变电磁场三分量信号的超前探测方法。该方法具有径向探测深度大、三分量接收探头离异常体近、异常场占总场的比值高而更易发现异常体等特点。基于瞬变电磁三维时域有限差分正演算法,对均匀半空间模型、均匀半空间含孤立异常体模型以及异常体位于水平钻孔不同方位的地孔瞬变电磁三分量的总场和异常场响应特征进行了系统研究。发现三分量总场和异常场之间总体符合烟圈效应,总场和异常场三分量衰减曲线或者多测道曲线形态随时间的变化特征可以采用不同时刻感应电流环相对于测点或者测线的位置来进行分析;在不考虑互感现象的情况下,地下接收的不同时刻的三分量响应完全可以看成是背景电流环和异常电流环的叠加,其中异常场的三分量形态可以采用垂直于一次场方向相同形状的电流环来拟合;另外当异常体位于水平钻孔不同方位时,异常场X分量均表现为S型,Y分量和Z分量表现为单峰异常,且不同象限异常场三分量组合形态不同,据此可以判断异常体所在钻孔的深度和方位。最后在地面进行了地孔瞬变电磁超前探测方法的相似性试验,验证了理论模型响应特征的正确性。     

深部采场突水构造矿井瞬变电磁法探查理论及应用

在分析深部采场水文地质特征基础上，采用矿井瞬变电磁探查技术查明深部采场突水构造位置.根据井下巷道的实际应用条件，将瞬变电磁技术应用到井下巷道内进行探测，开发了采用非接触式、多匝数和小回线（边长2 m左右）井下测量装置; 根据瞬变电磁场“烟圈效应”理论，推导出全空间瞬变电磁视电阻率计算公式和由视电阻率-时间曲线计算视电阻率-深度曲线的数学模型，对矿井瞬变电磁探查技术进行了研究;研究出应用于井下探测巷道周围空间不同位置、不同形态突水构造瞬变电磁探测装置、探查技术及资料处理和解释方法.采用矿井瞬变电磁法在多个矿井探测深部采场突水构造进行了实际应用，通过井下注浆或疏放降压钻孔验证，该方法探查深部采场突水构造位置是非常有效的矿井地球物理方法之一.     

地面-巷道瞬变电磁法探测采空区积水的应用

为探测呈祥煤矿副斜井在3#煤层下方是否充水,进行了地面-巷道瞬变电磁探测技术的应用。结合一矿81402工作面上方存在不明采空积水区、距离较远、井下正常超前物探难以覆盖的现状,制定了地面-巷道瞬变电磁探测方案。应用过程中发现,相对传统瞬变电磁法,地面-巷道瞬变电磁法受地形影响较小,对浅部数据地质信息反应较好,所观测的数据质量比较高。此外,3条巷道对采空区积水的位置有反映,与调查的采空区积水位置基本一致。实践表明,探测结果为采空区积水的防治提供了参考依据,可以运用到类似工程问题的实践中。     

三维瞬变电磁法超前探测勘探钻孔封堵效果研究

为了对煤矿地质调查的钻孔封堵效果做出有效评价,基于传统的瞬变电磁超前探测技术,设计在掘进工作面定点的多方向的小线圈三维超前探测技术及探测结果三维可视化方法,并在小回沟煤矿对BZ-13勘探钻孔的封堵效果进行了探测。研究结果表明:该钻孔在水平二维扇形拟断面图上成一个低于25Ω·m的近似圆形的低阻区域,在垂直巷道掘进的二维扇形拟断面图上成一个低于25Ω·m的近似条带状低阻区域,依据矿区探测经验,视电阻率在20～25Ω·m时,煤岩层会有少量含水,经钻探验证,瞬变电磁探测结果准确,说明该方法能够较准确地确定钻孔的位置以及其导含水情况;三维立体显示,使钻孔范围及位置更直观,呈现一个近似直立的圆柱状形态,使探测成果更加易于分析,可更好地指导煤矿安全生产。     

瞬变电磁法在矿井采掘过程中的应用研究

通过分析瞬变电磁法的工作原理和矿井地质异常体的电磁场响应特征,提出应用矿井瞬变电磁法对常规物探方法较难探测的工作面顶、底板富水构造和巷道迎头超前富水构造的发育情况进行探测,并在某工作面巷道掘进头进行应用试验,应用结果与地面三维地震所确定的陷落柱位置及范围相吻合,能够有效指导生产实践。     

矿井瞬变电磁超前探测物理实验

采用盐水充当均匀围岩介质,使用玻璃槽充当巷道空间,建立了含巷道全空间瞬变电磁超前探测的物理模型,根据矿井瞬变电磁超前探测扇面扫描的数据采集方式,对柱状良导体与低阻薄板的超前探测响应特征进行了实验模拟。结果表明：异常体在瞬变电磁超前探测扇面扫描的多测道剖面图上存在异常响应,异常响应特征与异常体的空间位置、空间形态有关;当...     

矿井瞬变电磁法环境因素的影响及校正

为了防治煤矿水害,应用矿井瞬变电磁法探测巷道掘进前方及工作面顶、底板的富水异常区,巷道环境的不同对观测曲线有一定的影响,对其进行校正,提高矿井瞬变电磁的解释精度,从而有效开展煤矿防治水工作。     

地孔瞬变电磁超前探测异常体定位技术

地孔瞬变电磁法,是一种在地面布设发射回线,在钻孔中接收磁感应强度或者衰减电压三分量信号的探测技术,其观测系统置于钻孔中,可有效降低导电覆盖层的信号屏蔽及地面电磁干扰,接收更靠近异常体,可以获得比地面瞬变电磁法更强的异常响应,是探测深部隐伏地质体最有效的方法之一,可以考虑用于煤矿孔旁异常体的探测。根据等效涡流理论,地孔瞬变电磁探测中,异常体所产生的二次场,可以用等效电流环来表示,其感应磁场强度三分量B_x、B_y、B_z具有一定的指向性,通过交会B_x、B_y的合成矢量B_(xy)及B_x、B_z的合成矢量B_(xz),可以大致获得电流环中心位置坐标,从而实现对异常体的定位,但合成B_(xz)在XZ平面交会结果存在误差。为此,提出了一种浮动系数矢量交会算法,通过计算水平圆形载流回线(电流环)的磁感应强度三分量B_x、B_y、B_z,分析其合成矢量B_(xy)及B_(xz)在XY、XZ平面的矢量分布特征,计算特征点处的Abs(B_y)/B_z作为参考值并构建系数库,对B_z分量进行系数修正后再与B_x分量进行矢量交会,可以准确计算出电流环中心位置在XZ平面的坐标。理论模型计算和物理试验结果表明:浮动系数矢量交会算法无需先验信息,可以快速、准确定位异常体的中心位置,是一种超前探测的有效方法。     

基于电性标志层识别的瞬变电磁精准处理技术

地面瞬变电磁资料解释精度的进一步提高一直是该方法研究的重点内容。以瞬变电磁烟圈效应扩散理论为依据,通过双倍旅程和平均速度概念建立了时深转换方法,以克服瞬变电磁采用简单经验公式计算实测数据时可能出现的深度翻转问题;以三维地震成果数据获取的9号煤层深度作为电性标志层校正标准,采用视电阻率微分极值点识别该电性标志层,通过比值法计算相应瞬变电磁测点的深度校正系数K值,然后采用内插方法得到测区任意点K值,以校正瞬变电磁在计算探测深度时出现的偏差。通过堡子矿钻孔ZKB1-1和ZK201电阻率测井资料分别建立了正演理论模型,计算了瞬变电磁响应,并和钻孔旁瞬变电磁实测数据的视电阻率微分极值对比,结果表明,两者基本一致,能够准确识别电性分界面。以矿区256线和344测线为例说明了电性标志层识别效果,计算了堡子矿全区深度校正系数,对该区资料进行了精细处理,圈定了工作区奥灰顶低阻异常区,以视电阻率为基本参数,分析评价了该区的地层赋水性强弱。根据奥灰顶视电阻率平面图以及地表径流,结合断层构造的分布特征,确定了导水通道存在及位置。最后通过钻孔验证表明:该方法处理探测深度精度误差小于5%,达到了对地面瞬变电磁资料的精细解释。     

2105顺槽掘进工作面瞬变电磁探测技术应用

为掌握2105运输顺槽掘进工作面前方X23陷落柱发育特征及富水情况,采用数值模拟软件建立地电模型,进行含水陷落柱瞬变电磁响应特征的模拟分析。基于模拟结果得出含水陷落柱位置会显现出低阻异常响应;根据巷道具体地质条件,在巷道迎头进行瞬变电磁探测分析,探测结果得出陷落柱发育在巷道前方50 m,陷落柱左帮富水性较强。根据现场钻孔验证,探测结果与钻孔验证结果一致,有效保障了巷道安全顺利通过含水陷落柱区域。     

桑树坪2#井1319工作面巷-孔瞬变电磁方法试验研究

工作面内含水异常体位置、形态和方位的确定是电法数据解释的主要任务,是保障煤矿安全开采的基本条件。巷-孔瞬变电磁探测利用钻孔作为施工空间,既有效压制巷道中的各干扰因素,且空间上距离异常体更近从而取得更强的异常响应,是一拓展钻孔控制范围的探测方法。在桑树坪煤矿某工作面钻孔中开展巷-孔瞬变电磁探测,通过对三分量数据的分析,圈定了2处低阻异常体,与音频电透视结果相比,该方法可以更精细地确定异常体位置、形态和方位,显著提高准确判断异常体地质特性的准确性,对于指导工作面安全回采有重要意义。     

工作面迎头瞬变电磁法探测及探放水设计

以贵州省息烽县某煤矿1406沿煤层回风巷为例,通过对该巷道进行瞬变电磁探测,探明该巷道前方煤体视电阻率较高,仅有1处低阻异常区,表明该区域不存在较大的水体和裂隙带。根现场据钻孔显示,该区域无大的水体及含水层,仅有小裂隙存在少量的裂隙水,与瞬变电磁探测成果基本一致,表明瞬变电磁探测成果较为可靠,可用于矿井作业点水害预测。     

矿井瞬变电磁法在石墨矿中的应用

为了对石墨矿采空区及裂隙带富水性进行评价,开展了瞬变电磁法在矿井中的应用方式探究。结合矿井实际条件,将瞬变电磁技术应用到井下巷道内进行探测,采用多匝数和小回线(边长1 m左右)井下测量装置,对即将掘进的巷道迎头进行不同仰角全方位的数据测量;利用瞬变电磁视电阻率晚期公式计算不同方位的视电阻率,绘制同一仰角不同方位的扇形视电阻率剖面图,从而圈定前方的相对富水异常区。通过钻孔进行抽放水并验证,发现瞬变电磁法探测深度大约60 m左右,该方法可有效地预测巷道掘进迎头前方的含水异常,以及前方采空区的积水情况和裂隙发育区的含水情况,从而达到排查水害的目的。