跨孔电磁波CT在煤矿采空区探测中的应用探究.pdf

d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 1-3 5 8 X.2 0 2 2.0 1.0 0 6跨孔电磁波C T在煤矿采空区探测中的应用探究陈 杭,邢亚东,邓超云(中国市政工程中南设计研究总院有限公司,湖北 武汉 4 3 0 0 0 0)摘要:煤矿开采过程中遇到很多地质资料不详细的采空区,给开采带来极大影响。为查明煤矿采空区的空间分布,使用跨孔电磁波C T法对研究区域进行探测,经分析,灰岩地区完整地层电阻率较高,电磁波吸收系数会比较低,一般在0.2N p e r/m以下。煤系地层因其本身电阻率相对灰岩地层较低,电磁波吸收系数较高,一般大于0.6N p e r/m。根据电磁波吸收系数的峰值异常来解释煤矿采空区的分布。关键词:采空区;电磁波;吸收系数;煤矿中图分类号:T D 1 5;P 6 3 1.3+2 5 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 1-3 5 8 X(2 0 2 2)0 1-0 0 2 1-0 3A p p l i c a t i o no fb o r e h o l ee l e c t r o m a g n e t i cw a v eC Ti nc o a lm i n eg o a fd e t e c t i o nC h e nH a n g,X i n gY a d o n g,D e n gC h a o y u n(C e n t r a l&S o u t h e r nC h i n aM u n i c i p a lE n g i n e e r i n gD e s i g na n dR e s e a r c hI n s t i t u t eC o.,L t d.,W u h a n4 3 0 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:I nt h ep r o c e s so f t h ec o a lm i n i n g,t h e r ew e r em a n yg o a fa r e a sw i t h o u td e t a i l e dg e o l o g i c a ld a t a,w h i c hh a d t h eg r e a t i m p a c t o nm i n i n g.I no r d e r t o f i n do u t t h e s p a t i a l d i s t r i b u t i o no f t h e c o a lm i n eg o a f,t h eb o r e h o l ee l e c t r o m a g n e t i cw a v eC T m e t h o dw a su s e dt od e t e c t t h es t u d ya r e a.A f t e ra n a l y s i s,t h ec o m p l e t ef o r m a t i o nr e s i s t i v i t yi nl i m e s t o n ea r e aw a sh i g h e r,a n dt h ee l e c t r o m a g n e t i cw a v ea b s o r p t i o nc o e f f i c i e n tw o u l db er e l a t i v e l yl o w e r,i tw a sg e n e r a l l yb e l o w0.2N p e r/m.R e s i s t i v i t yo f t h ec o a lm e a s u r es t r a t aw a sl o w e r t h a nt h a to f l i m e s t o n es t r a t a,a n dt h ee l e c t r o m a g n e t i cw a v ea b s o r p t i o nc o e f f i c i e n tw a sh i g h e r,w h i c hw a sg e n e r a l l yg r e a t e r t h a n0.6N p e r/m.A c c o r d i n gt ot h ep e a ka n o m a l yo f e l e c t r o m a g n e t i cw a v ea b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t,t h ed i s t r i b u t i o n so f t h ec o a lm i n eg o a fw e r ee x p l a i n e d.K e yw o r d s:g o a f;e l e c t r o m a g n e t i cw a v e;a b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t;c o a lm i n e引用格式:陈杭,邢亚东,邓超云.跨孔电磁波C T在煤矿采空区探测中的应用探究J.矿山测量,2 0 2 2,5 0(1):2 1-2 3,3 7.由于人为挖探或天然的地质运动,地表下方可能形成采空区。采空区的形成造成了地质结构的变动,容易造成地表开裂、沉降、塌陷等地质灾害,对工程生产等活动有着极大的安全隐患1。准确探测出采空区空间位置信息至关重要。采空区的探测,目前国内外主要手段有物探和钻探2,其中,钻探方法所需人力、物力成本高,受限制条件相对较多;物探方法便于控制,作业方便快捷,对环境影响较小。所以物探方法成为了国内外的主流探测方法,并具有很大的潜力。现如今,对采空区进行探测的物探方法主要有高密度电法、瞬变电磁法以及电磁波层析成像等。电磁波层析成像作为被广泛运用的工程物探方法3-5,在采空区的探测中具有明显的潜力与优势,相较于传统单边观测的地表物探方法,深入钻孔中进行数据采集的电磁波层析成像方法具有更高的反演精度6。电磁波层析成像是在井中发射以及接收电磁波信号7,进行成像并探测井间磁特性的方法,具有大透距、大探测深度等特点8。为探究跨孔电磁波C T法在采空区探测的有效性,本文介绍在神木某煤矿4 3 2 1 0回风顺槽中段附近进行孔中电磁波C T试验性勘探工作。12第5 0卷第1期2 0 2 2年2月 矿 山 测 量M I N ES UR V E Y I N G V o l.5 0N o.1F e b.2 0 2 21 工程地质概况与地球物理特征研究区域位于陕西省陕北侏罗纪煤田神府新民矿区北部。地表为第四系松散沉积物覆盖,地层由老到新分别为:三叠系上统瓦窑堡组、侏罗系下统富县组、侏罗系中统延安组、直罗组、安定组、白垩系下统洛河组、第四系上更新统萨拉乌苏组和全新统的松散沙层9。井田内可采煤层共4层,煤层产状平缓,倾角1 2,地质构造简单,无较大的断裂和褶曲,无岩浆岩发育,岩石工程地质力学强度较高、煤层顶底板岩性较好。井田水文地质类型为孔隙-裂隙型,以二类一型为主,水文地质条件简单;为低瓦斯、无地温热害井田。正常情况下,完整含煤地层电阻率高、电磁波吸收率相对较低;当含煤地层受裂隙、裂隙性小断层、破碎带、剪切带、软弱夹层、薄层、空洞等破坏且湿度较大或含水时,物性特征会因其影响程度不同而发生相应变化,其主要的地球物理响应为:电阻率下降,电磁波吸收率相对较高。采空区与完整含煤地层间的物性差异,使得利用电磁波C T对采空区的探测成为可能。2 电磁波C T原理跨孔电磁波C T即用电磁波对地质体进行扫描成像,其基于惠更斯原理以及拉东变换。使用电偶极子场作为发射源,当测点与发射点距离足够远时,介质中的电磁波传播路径可以用射线来近似,其辐射场的场强可表述为1 0:E=E0e-Rf()R(1)由式(1)可推导出:=l n(E0E)+2 l n(D)-3 l n(R)R(2)式中,E0为初始辐射场;R为射线长度,即射线传播的路线积分,m;为两孔间的水平距离,m;D为介质电磁波吸收系数,是衡量介质电磁吸收特性强弱的参数1 1,N p e r/m。通过对接收端的电磁场强进行实测以及数据处理,反演得到射线所经过区域内介质的电磁波吸收系数的空间分布,从而获得异常的位置、空间分布和形态。电磁波C T野外工作示意图如图1所示。图1 电磁波C T野外工作示意图3 数据采集及资料处理本次电磁波C T数据采集工作使用的仪器为HX-J D T-0 2型井下无线电波透视仪,采用以下工作参数:(1)扫描方式为定点发射,扇形接收,点距为1m;(2)通过多次方法试验,确定的扫描频率为4MH z;(3)钻孔S D 1、S D 2、S D 3的深度分别为:7 6m、7 2m、8 0m。钻孔S D 1和S D 2间距为2 6.2 1m,钻孔S D 2和S D 3间距为2 6.0 6m;(4)仪器经质量技术监督检验站检验合格,并且进场前经过了自检及试验,仪器运行稳定,满足工作要求。按照5%的采样点数进行二次观测,并控制其相对误差小于5%。资料处理即电磁波反演方法采用视吸收系数成像,反演方法为最小二乘法。利用反演得到剖面中不同点位的吸收系数,从而生成电磁波视吸收系数等值线图。在成果资料中,采空区的吸收系数表现为峰值异常,由此可以判断出采空区的空间位置。4 成果分析利用仪器采集数据并依靠专业软件分析得到电磁波C T剖面,如图2所示,视吸收系数愈小、岩体性状愈完整,反之愈差,以此规律对S D 1-S D 2-S D 3的孔中电磁波C T剖面进行分析。由图2可知,视吸收系数值普遍大于0.5N p e r/m以上,说明在含煤沉积地层中,由于薄层状的砂岩泥岩等层位的存在,使得地层整体上对于电磁波的吸收22第1期 矿 山 测 量 2 0 2 2年2月率偏高。在钻孔S D 1-S D 2-S D 3剖面中,浅部地层吸收系数变化不明显,分辨不出泥岩和砂岩。深部地层中明显的存在一条高吸收率的条带,其吸收系数在0.6 4N p e r/m以上,即图中黄色图案填充的范围。钻 孔S D 1的 高 程 对 应 范 围 为1 1 4 8.611 5 0.3m段(钻孔深度6 5.36 7.0m),钻孔S D 2的高程对应范围为11 4 6.411 5 0.5m段(钻孔深度6 7.97 0.4m),钻孔S D 3的高程对应范围为11 4 7.7 11 4 9.8m段(钻孔深度7 4.77 6.8m),结合钻探资料可知,该条带为煤系地层,平均厚度在2m左右,该煤层倾角较小,接近水平发育。图2 钻孔S D 1-S D 2-S D 3电磁波视吸收系数剖面成果图从剖面图中还可以看出,在黄色相对较高吸收系数中还有吸收系数值大于0.7 6N p e r/m的高吸收系数值分布存在,图中对其位置用蓝色圆圈予以圈定,并标注编号。异常C K 1对应标高为11 4 8.911 4 9.7m段,其在剖面图上的面积约为1.2m2;异常C K 2对应标高为11 4 6.211 4 9.9m段,其在剖面图上的面积约为1 7.4m2;异常C K 3对应标高为11 4 7.111 5 0.7m段,其在剖面图上的面积约为3 2.8m2。通过结合已知地质资料分析,推测为煤层中的采空积水区、井下巷道或者巷道中的低电阻率干扰源。通过比对矿方提供的巷道及地面物探成果图发现,本次井中电 磁波C T圈 定的3个异常区在井下巷道的南部区域,排除了异常为井下巷道或巷道中低阻干扰源的可能,故推测此3处异常为采空积水区。采空积水区在平面上的位置分布如图3所示。图3 电磁波C T推测采空积水区异常平面图5 结 论(1)本次电磁波C T探测结果与钻孔成果一致性较好,表明电磁波C T对采空区的探测具有良好的效果。(2)本文采用的孔距参数参照南方灰岩地区岩溶探测的经验距离(2 02 5m),灰岩地区完整地层电阻率较高,电磁波吸收系数会比较低(一般在0.2N p e r/m以下),电磁波的穿透性较好,电磁波信号能完整的穿透孔距到达接收探头。煤系地层因其本身电阻率相对灰岩地层较低,电磁波吸收系数较高(实测大于0.6N p e r/m),对电磁波能量的损耗增大,使得电磁波信号穿透性变差,接收装置接收到的信号较弱,当其低于背景噪音电平数量等级时,就无法判断异常的可靠性和真实性。(3)本次试验性电磁波C T剖面较少,未进行不同孔间距的剖面对比,目前尚无法判断具体多大的孔间距适合在煤系地层进行孔中电磁波C T勘探。(4)建议在砂岩、泥岩地区,可采用小跨距电磁波C T的探测方法,根据现场实际情况试验选取合适的钻孔距离。参考文献:1 刘少虹,潘俊锋,秦子晗,等.基于电磁波C T探测的掘进工作面冲击危险性评价技术研究J.岩石力学与工程学报,2 0 1 7,3 6(S 2):4 0 9 3-4 1 0 1.(下转第3 7页)32第1期 陈 杭等:跨孔电磁波C T在煤矿采空区探测中的应用探究 2 0 2 2年2月(3)由于地面信号点和近地表噪声点的空间邻域特征相似,在经聚类算法去噪后,依旧会存在离散于点云簇以外的近地表噪声点。因此,下一步要研究如何提高-邻域选取的自适应性。参考文献:1 陆大进,黎东,朱笑笑,等.基于卷积神经网络的I C E S a t-2光子点云去噪分类J.地球信息科学学报,2 0 2 1,2 3(1 1):2 0 8 6-2 0 9 5.2 蔡超.I C E S a t-2点云数据辅助卫星影像D EM提取方法研究D.西安:长安大学,2 0 2 0.3 仇正良,施富强,廖学燕.地表三维点云数据的去噪算法研究J.矿山测量,2 0 1 5,4 3(6):1 0-1 3,1 8.4 H e r z f e l dUC,M c d o n a l dBW,W a l l i nB,e t a l.A l g o-r i t h mf o rd e t e c t i o no fg r o u n da n dc a n o p yc o v e ri nm i-c r o p u l s ep h o t o n-c o u n t i n g l i d a ra l t i m e t e rd a t a i np r e p-a r a t i o nf o rt h eI C E S a t-2m i s s i o nJ.I E E ET r a n s a c-t i o n so nG e o s c i e n c e&R e m o t eS e n s i n g,2 0 1 4,5 2(4):2 1 0 9-2 1 2 5.5 H o r a nK H,K e r e k e sJP.A na u t o m a t e ds t a t i s t i c a la-n a l y s i sa p p r o a c ht on o i s er e d u c t i o nf o rp h o t o n-c o u n t-i n g l i d a rs y s t e m sM.2 0 1 3.6 隋立春,杨耘.基于c a r(p,q)模型和数学形态学理论的L i D A R点云数据滤波J.测绘学报,2 0 1 2,4 1(2):2 1 9-2 2 4.7 李照永,侯至群,周四海,等.一种三维点云精细去噪与特征拾取方法J.测绘通报,2 0 2 1(S 2):3 1-3 4,3 8.8 黄先锋,李卉,王潇,等.机载L i D A R数据滤波方法评述J.测绘学报,2 0 0 9,3 8(5):4 6 6-4 6 9.9 何雨毅,李光平,陈春,等.车载毫米波雷达的椭圆D B-S C AN聚类算法J.现代计算机,2 0 2 1,2 7(2 5):7-1 3.1 0 杨国林,韩峰,王丹英.基于点云数据的道路特征参数提取方法研究J.矿山测量,2 0 1 4,4 2(6):5 5-5 7.1 1 蒋通,邹进贵.基于区域生长的体素滤波点云去噪算法J.测绘地理信息,2 0 2 1,4 6(2):6 3-6 6.1 2 王博,周东明,崔维久,等.R AN S A C结合特征线提取在点云逆向建模中的应用J.矿山测量,2 0 2 1,4 9(1):2 6-2 9,4 8.1 3 夏少波,王成,习晓环,等.I C E S a t-2机载试验点云滤波及植被高度反演J.遥感学报,2 0 1 4,1 8(6):1 1 9 9-1 2 0 7.作者简介:张少华(1 9 7 8-),男,汉族,山东潍坊人,硕士在读,研究方向为工程测量与工业测量。(收稿日期:2 0 2 2-0 1-1 9)(上接第2 3页)2 童立元,刘松玉,邱钰,等.高速公路下伏采空区问题国内外研究现状及进展J.岩石力学与工程学报,2 0 0 4,2 3(7):1 1 9 8-1 2 0 2.3 王文龙.孔中电磁波透视在煤窑采空区勘探中的应用实例J.物探与化探,1 9 9 9,2 3(4):3 4 1-3 1 6.4 李川,徐旺兴,孔华,等.桥梁桩基底部溶洞的井间电磁波C T探测研究J.工程勘察,2 0 2 1,4 9(1):7 3-7 8.5 韩果花,黄明曦,李川,等.井间电磁波C T技术及其在岩溶勘察中的应用J.C T理论与应用研究,2 0 1 3,2 2(4):6 1 5-6 2 1.6 李红立,潘冬明,张华,等.基于孤石的弹性波波速和电磁波衰减特性层析成像技术对比研究J.工程勘察,2 0 1 6,4 4(1 0):7 2-7 8.7 陈垿.电磁波C T在岩溶勘察中的应用J.有色金属设计,2 0 2 0,4 7(3):8 9-9 1.8 刘四新,倪建福.井间电磁法综述J.地球物理学进展,2 0 2 0,3 5(1):1 5 3-1 6 5.9 刘宗斌,刘智昌,权军明,等.大海则矿井井筒水文地质条件分析J.地下水,2 0 1 2,3 4(6):1 6 1-1 6 2,1 7 0.1 0 赵威.电磁波C T几种常用成像方法应用效果对比J.工程地球物理学报,2 0 1 9,1 6(5):7 4 9-7 5 4.1 1 赵旭辰,李雪健,曹芳智,等.井间电磁波C T在煤矿采空区探测效果分析J.物探与化探,2 0 2 1,4 5(4):1 0 8 8-1 0 9 4.作者简介:陈杭(1 9 8 9-),男,汉族,湖北罗田人,本科,工程师,主要从事管线探测、工程测量、工程物探等方面工作。(收稿日期:2 0 2 1-1 2-1 6)73第1期 张少华等:基于改进D B S C AN的单光子激光点云去噪算法 2 0 2 2年2月