千米深井全方位瞬变电磁物探技术的应用与研究.pdf

1812023 年第 8 期王丛山等：千米深井全方位瞬变电磁物探技术的应用与研究千米深井全方位瞬变电磁物探技术的应用与研究王丛山1 张 旭2（1.山东省天安矿业集团有限公司星村煤矿，山东 曲阜 273100；2.新疆华安矿业股份有限公司，新疆 巴州 841000）摘 要 为保证 7302 工作面安全回采，星村煤矿采用 YCS512 探水仪对其实施全方位瞬变电磁物探。通过对数据进行拟合、矫正，采用三维立体反演技术，最终获得高精度解译成果图，结合钻探施工进行验证，综合分析判断此处异常区为现场环境所造成，并非富水区域。井下全方位瞬变电磁三维物探技术对工作面富水情况能够作出超前预判。关键词 全方位；三维立体；瞬变电磁 中图分类号 P631.3+25 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.08.058Application and Research of Omnibearing Transient Electromagnetic Geophysical Exploration Technology in Kilometre Deep WellsWang Congshan1 Zhang Xu2(1.Shandong Province Tianan Mining Industry Group Co.,Ltd.,Xingcun Coal Mine,Shandong Qufu 273100;2.Xinjiang Huaan Mining Industry Co.,Ltd.,Xinjiang Bazhou 841000)Abstract:To ensure the safe mining of the 7302 working face,Xingcun Coal Mine uses YCS512 water detector to conduct omnibearing transient electromagnetic geophysical exploration.By fitting and correcting the data,and using 3D stereo inversion technology,high-precision interpretation result maps are finally obtained.Combined with drilling construction verification,comprehensive analysis and judgment that the abnormal area is caused by the on-site environment,not the water rich area.The downhole omnibearing transient electromagnetic 3D geophysical exploration technology can have a good advance prediction of the water rich situation in the working face.Key words:omnibearing;3D stereo;transient electromagnetic收稿日期 2022-12-28作者简介 王丛山（1989），女，山东淄博人，2015 年毕业于山东科技大学，硕士研究生，工程师，现从事矿山地质资源储量及物探技术研究。王丛山等：千米深井全方位瞬变电磁物探技术的应用与研究1 矿井概况星村煤矿于 2006 年建成投产，2020 年核定生产能力为 90 万 t/a。星村煤矿勘探前期通过开展地面三维物探，基本摸清了矿区范围地质构造情况，后期开展瞬变电磁物探，通过采取巷道迎头超前探测及工作面全方位探测相结合的方式，将井下水文特征逐步排查清楚。2 瞬变电磁物探原理及施工布置2.1 瞬变电磁物探原理简介矿井瞬变电磁物探所采用原理与地面物探基本一致，但是基于井下巷道相对密闭，围岩存在特殊的空间及位置关系，物探施工环境及操作过程对物探数据的准确度有较大影响。瞬 变 电 磁 法(Timedomain Electromagnetic Methods)，简称 TEM，是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲电磁场，在一次脉冲电磁场间歇期间，利用不接地线圈或接地电极观测二次涡流场的方法1。TEM 基本工作方法是：于地面或井下设置以一定波形电流的发射线圈，从而在其周围空间产生一次磁场2，并在地下导电岩矿体中产生感应电流。断电后，感应电流由于热损耗而随时间衰减，衰减过程一般分为早、中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小；晚期成分相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征3。在煤矿巷道探测中，由于巷道是较密闭、狭小空间，其接收到二次场是巷道周围有效探测范围内1822023 年第 8 期所有岩层导电性的综合响应。2.2 设备仪器该次瞬变电磁探测任务采用 YCS512 矿用本安型瞬变电磁探水仪（接收、发射一体机），本机型是新一代探测煤矿水害物探装备，机型具有便携、智能的特性，数据精度更高。主要性能参数见表 1。表 1 YCS512 矿用本安型探水仪系统参数表仪器参数设置项目发射电流/A发射频率/Hz叠加次数抑制系数测道数时窗模式参数4.56.2564380对数时窗装置参数设置项目发射边长/m发射匝数/匝电阻要求/接收边长/m接收匝数/匝参数1.510 100.8202.3 施工布置该次瞬变电磁探测工作区域为 7302 工作面，采用工作面全方位探测，即探测点围绕工作面布置在轨道顺槽、运输顺槽，测点间隔为 10 m。工作面测点布置情况如图1，每个测点探测布设6个方向，分别为垂直工作面底板（-90）、工作面顶板斜下方（-60、-30）、顺煤层方向（即水平方向0）、工作面斜上方（+30、+60），全方位探测工作面底板、顺层及顶板富水情况，总计施工 164 个点，总数据量 984 个，总体数据情况良好。图 1 工作面测点布置平面图3 工作面探测现场情况该次瞬变电磁探测干扰主要有顶板及两帮的锚网、锚索、锚杆，在解译时需进行系统矫正。此次现场条件对物探数据存在一定的干扰，但采集信号质量相对稳定，未出现废点。4 数据处理与解译通过 YCS512 瞬变电磁探水仪配套解译软件处理井下采集的7302工作面数据，主要包括以下步骤：1）数据的梳理及概略性分析。2）根据探测方位、角度进行测线编辑并重新分组。3）根据施工参数设定 X、Y、Z 坐标并修正法向方位角、法向倾角。4）进行数据干扰矫正，三维反演生成工程测线立体图4（图 2）。5）按照物探设计进行层深切片（图 3），按物探设计，以工作面所在层位为水平 0 m，分别向顶板及底板做平行于工作面的层深切片，切片间隔 20 m，切片深度自上而下依次为：80 m、60 m、40 m、20 m、0 m、-20 m、-40 m、-60 m、-80 m，分别导入 surfer 生成与坐标相对应的视电阻率等值线图，并对照色标库进行上色。（a）正视图 （b）侧视图图 2 YCS512 探水仪三维反演工程测线空间示意图图 3 YCS512 探水仪三维联合反演层深切片图5 解译结果及结论经处理，共获得 9 幅解译图（图 4）。解译图中水平轴表示工作面的长度，纵轴表示工作面的宽度，色标轴数字越小、颜色越深，代表阻值越低。横向上看，靠近切眼处（水平轴 0 点）阻值较高，靠近运顺联络巷处（水平轴 800 点）阻值较低。纵向上看，离工作面（水平 0 层）越远，即越向上、向下，视电阻率数值略微偏大，这是由于瞬变电磁仪器发射的信号具有衰减性，距离越远，接收到的电磁强度越小，反射回来的信号也越弱，会导致不同深度的切片解译图出现差别。纵观 9 幅图，仅有一处轻微的视电阻值异常区，异常区大致位置如下：从平面上看在距离切眼640680 m 范围，距离运顺一侧 2070 m 范围。此处异常在工作面向上 0 m、20 m、40 m 切片较明显，其他层深切片也有轻微显示。解译图中其他位置未显示有低阻异常。1832023 年第 8 期王丛山等：千米深井全方位瞬变电磁物探技术的应用与研究图 4 7302 工作面瞬变电磁物探层深切片解译图6 成果分析验证为确保工作面回采的安全性，结合“三专两探”要求，技术人员对异常区展开深入分析，包括其地层层位特性、地质构造特点、现场施工环境等，并在异常区范围设计探放水钻孔5，探查前方地质体富水特性。6.1 异常区地层层位特性物探施工位置为 7302 工作面，该工作面煤层属于山西组 3 煤层，以过渡相沉积为主，沉积分异明显，由砂岩、粉砂岩、粉细砂岩互层、黏土岩、煤层组成。工作面内煤层走向 N17W，倾向S73W，倾角 3 13，平均 6。异常区位于工作面上方 1040 m 区域，在工作面的平面位置如图5 所示，该处地层岩性为深灰-灰白色粉砂-中细砂岩，分选性中等，硅质胶结。推断该层位含水性较差，异常区受地层特性影响较小。图 5 异常区位置及探放水钻孔布置示意图6.2 异常区地质构造特点结合采掘工程平面图及以往三维物探成果，该工作面总体构造形态为背斜构造，局部发育宽缓波状褶曲，区地质构造情况属于良好。工作面附近断层落差均小于 4.0 m，且仅有两条断层在工作面内有较短延伸。SF56 断层（落差 40 m）位于工作面东北方向，但距离工作面 80 m，对工作面导水性较弱，且无陷落柱等构造，判断此异常区受地质构造影响较小。6.3 异常区施工现场环境根据实际施工现场，此异常区处于岩巷段，锚杆锚网支护细密，在异常区附近有钢梁架棚和集中存放的变压器开关箱体，此类均是易导电物体，对电阻率干扰较大，易形成低阻异常区。6.4 异常区钻探验证结果根据异常区在工作面的位置，在运输顺槽一侧设计了 3 个探放水钻孔，具体位置如图 5 所示，探放水钻孔具体参数如表 2。钻探结果：3 个探放水钻孔基本无水。表 2 探放水钻孔设计参数及出水量孔号方位倾角/（）终孔深度/m出水量探 161 01+1267无水探 238 01+2875少量滴水探 320 01+4370少量滴水综上，经过对异常区地层特性、地质构造情况及现场施工环境分析，初步判定该异常区为巷道施工环境所造成。经钻探验证，4 个探放水钻孔基本无水，所以综合判定此处异常是由于巷道特殊环境所造成，非断层富水异常区。7 结语1）该次井下施工过程中，做好技术保障措施。严格按照操作步骤、确定的施工参数进行施工，测线如有畸变时必须复测，保证观测精度符合规定。在实际探测时尽量避开大型孤立金属机电设备，物探施工区域排干积水，同时做好记录，以便在资料解释时尽量消除影响。（下转第 187 页）1872023 年第 8 期郑 雪：煤矿硫化氢检测方法研究的时间变化中，仪器的测量结果波动总体较小，且基本维持在稳定区间。其中上隅角和采空区的硫化氢的测量值分别为 2.2 mg/L 和 5.7 mg/L，其测量值上下波动较小，且误差范围在 0.10.2 mg/L，基本处于稳定区间。基于仪器稳定性测试不难发现，该仪器的测量结果较为稳定。在氮气单独背景下，测量结果误差范围维持在2%以内；基于实际工况，面对复杂的气体环境，其测量稳定性依然较强，在长时间的测量情况下，误差范围在 0.10.2 mg/L，说明该硫化氢检测方法值得推广。5 结论本文主要研究硫化氢的检测情况，并以硫化氢本身的危害为研究背景，通过测量原理和试验系统分析对硫化氢测量方法和仪器进行标定结果和瞬态响应分析以及仪器稳定性测试，得出该仪器方法的相对误差，得出以下结论：1）基于仪器测量的硫化氢气体浓度与实际硫化氢气体浓度相差不大，并且其相对误差值最小，无明显变化规律，但误差值基本维持在2%以内。2）硫化氢检测仪器的瞬态响应误差值较小，且误差范围较为稳定，短时间内可维持在稳定的波动范围，相对误差范围维持在 2%以内。3）基于瓮安煤矿监测采集井，3 d 仪器测量结果波动总体较小，且基本维持在稳定区间，上隅角和采空区的硫化氢的测量值分别为 2.2 mg/L 和 5.7 mg/L，误差范围在 0.10.2 mg/L。硫化氢检测方法不受外部环境变化而影响其检测准确率。【参考文献】1 曾永达，黄国家，李悦.硫化氢气体检测方法及其传感器研究发展现状 J.理化检测，2019，55（07）：827-832.2 周田田.含硫油气井中的硫化氢气体检测和防护应急程序 J.中国石油和化工标准与质量，2021，14（02）：39-43.3 刘美，方湃盛，冼永文.基于 WSN 的便携式硫化氢检测仪设计J.自动化仪表，2013，34（06）：89-94.4 梁庆华.矿井瞬变电磁法在煤矿中的探测方法及异常特征分析 J.矿业安全与环保，2015，42（02）：72-75.（上接第 180 页）【参考文献】1 蔡美峰，李春雷，谢谟文，等.北洺河铁矿开采沉陷预计及地表变形监测与分析 J.北京科技大学学报，2008（02）：109-114.2 廖宝泉，柯愈贤，方立发，等.膏体充填开采覆岩移动变形规律研究 J.有色金属科学与工程，2022，13（03）：99-105.3 张元.晋平煤业条带充填开采方案比选分析 J.山东煤炭科技，2022，40（03）：170-172.4 钟凯，雷薪雍，宋英明.建筑物下煤矸石充填开采技术及实践 J.能源与环保，2022，44（03）：270-275+281.5 杨岗，杭远，张进川，等.膏体充填开采覆岩破坏数值模拟研究 J.中国煤炭地质，2021，33（S1）：56-60.6 李海龙.厚煤层边角煤膏体条带充填开采技术工艺研究 J.山东煤炭科技，2021，39（06）：39-41.（上接第 183 页）2）该次瞬变电磁物探解译摒弃通常采用的二维平面解译法，采用更高精度的三维立体解译方式，将立体解译图采取切片的方式更直观地呈现出来，清晰明确、简单易懂。【参考文献】1 史雅欣.工作面全方位瞬变电磁探测水害技术应用 J.能源与环保，2020，42（11）：21-24.2 王丛山，张旭，杜习成.矿用本安型瞬变电磁仪在矿井超前探的应用 J.山东煤炭科技，2017（02）：152-154.3 张旭，王丛山，杜习成.星村煤矿瞬变电磁物探解译实例剖析 J.科技资讯，2017，15（25）：80-81.4 王宇，闫圆圆，孙文斌.基于 ParaView 的矿井瞬变电磁超前探测三维可视化研究 J.甘肃科技，2022，38（02）：70-72.5 孙琦峥.超前瞬变电磁探测技术研究及工程实践J.山东煤炭科技，2022，40（02）：165-167.