音频电透视在底板岩层富水性探测中的应用.pdf

2023 年 8 月Aug.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.04.052音频电透视在底板岩层富水性探测中的应用（1.陕西陕煤韩城矿业有限公司地质测量部，陕西 渭南 715400；2.陕西陕煤韩城矿业有限公司桑树坪煤矿，陕西 渭南 715400）摘要 为保障煤矿企业安全生产，工作面回采前应对影响工作面回采的主要充水水源进行探查。为探查陕西陕煤韩城矿业有限公司桑树坪煤矿 4322 工作面底板下 70 m 深度范围含水层中富水异常区的位置、形态及含水性的相对强弱，选用能够有效探测探查回采工作面底板水害的音频电透视技术，可为工作面采前防治水技术措施的制定和实施提供参考依据。关键词 音频电透视；回采工作面；异常区中图分类号TD745文献标识码B文章编号1672蛳 9943（2023）04蛳 0163蛳 030引言煤矿开采过程中面对的地质条件具有很大的不确定性，在一些复杂的地质构造区开采煤炭资源容易引起煤矿灾害。如对煤矿安全生产造成严重威胁的突水、瓦斯、冲击地压、顶板事故等。物探是很好地探测构造区或富水异常区的有效手段，对于预防煤矿事故具有重要意义咱员暂。矿井音频电透视技术是我国近期发展较快、探查回采工作面顶底板水害最有效的矿井物探技术之一，该技术是由煤炭科学研究总院西安研究院于上世纪 90 年代开发的。1音频电透视探测技术1.1探测原理采用音频段电磁信号对采煤工作面顶、底板进行透视性探测的方法，叫做矿井音频电透视法，使用的物理参数是视电阻率。根据交直流等值性原理，利用低频交流电磁场的近区，所测交流视电阻率与直流视电阻率具有等值性，在此借用比交流视电阻率简单的直流视电阻率解释方法进行解释。所以矿井音频电透视法仍然属于矿井直流电法范畴。它的基础是以岩石的电性差异，在全空间条件下建场，利用全空间直流电场理论处理和解释有关矿井地质问题。选用能够有效探测探查回采工作面底板水害的音频电透视技术，可为工作面采前防治水技术措施的制定和实施提供参考依据。1.2施工技术矿井音频电透视法有很多种工作装置，如平行单极-偶极法、平行偶极-偶极法等。其中平行单极-偶极法是井下施工常用的装置。平行单极-偶极法、平行偶极-偶极法探测装置如图 1、2 所示。图 1平行单极-偶极探测装置图 2平行偶极-偶极探测装置平行单极-偶极法施工方法：将供电（发射）电极 A 极固定在一条巷道内，电极 A 发射的时候，测量电极 M、N 在另一巷道内进行移动接收，形成以发射点为中心对工作面进行扇形扫描。对于一般工作面，设计供电点点距为 50 m，测量记录点（测量 MN 之中点）点距一般为 10 m；1 个供电点（A），对应 921 个测量记录点。平行单极-偶极音频电透视工作布置如图 3所示。进风巷回风巷切眼粤酝N进风巷回风巷切眼粤B酝N能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.41632023 年 8 月Aug.,2023沈永坤，等音频电透视在底板岩层富水性探测中的应用1.3资料处理方法为了弥补矿井电法勘探中二维剖面解释法的不足，音频电透视三维反演技术得到了越来越多的应用。该方法是从观测数据中获取异常体综合信息最为有效的手段之一。反演是以正演为基础，一般先设置初始模型，对初始模型进行正演计算后获得模拟数据；将模拟数据与实测数据进行比较，如果两者存在较大误差，则在对模型进行改进后重新通过正演计算获取新的模拟数据。重复上述过程，直到得到的模拟数据与实测数据基本吻合，反演结束。经过不断地完善，得到的正演模型视作反演问题的解。2应用实例2.1工程概况桑树坪煤矿 4322 工作面位于北一采区下山区域，其南侧为已回采的 4321 综放工作面，工作面回顺内错 4321 运顺巷道 10 m（中对中）。工作面设计倾斜可采长度 1 303 m，切眼长度 145 m。工作面所采煤层为 3#煤层，3#煤层位于二叠系下二叠统山西组中部，为一厚煤层。根据相关水文地质资料，4322 工作面回采期间主要受煤层顶板砂岩裂隙水和底板砂岩裂隙水及太灰、奥灰岩溶裂隙水的影响。顶板砂岩裂隙水以静储量为主，属于弱含水层。煤层底板标高为+246+304 m，总的构造形态为一走向 NE、倾向 NW 的单斜构造，奥灰水位标高+380 m。因此该采面为带压开采。底板太灰和奥灰含水层厚度大，具有导水性和富水性不均一的特点，富水性由弱到极强，水头压力比较大。当位于隐伏构造发育地带且底板隔水层受到构造破坏时，下部灰岩岩溶裂隙含水层便有可能被导通至工作面，影响安全回采。因此，采用音频电透视技术对工作面底板岩层中富水性异常进行探查，为工作面采前提供物探保障、为钻探验证提供依据。2.2施工布设在 4322 工作面运输巷和回风巷内进行施工，两巷道均自切眼口起为 0#点，点距 10 m，向 4322上部运联方向标至 130#点。发射点距 50 m，接收点距 10 m，运输巷和回风巷各布设 27 个发射点（共计54 个发射点），施工探测工作面长度 1 300 m。对每个发射点，在另一条巷道与之对称点附近以扇形扫描方式接收，通常每 1 个发射点能够有 921 个接收点。2.3探测结果及分析根据相关水文地质资料，结合工作面内 839 号、811 号钻孔以及工作面附近 94 号钻孔情况，底板下45 m 附近为太原组 K2 灰岩层段，奥陶系灰岩层段基本上在底板下方 80 m 以外。经过室内数据的分析与处理，4322 工作面底板下 45 m（即 K2 灰岩层段）的音频电透视探测成果如图 4 所示。图 3音频电透视工作布置图 44322 工作面底板下 45 m 音频电透视探测成果工作面巷道巷道Ai、Aj.供电点；Mk.接收点Ai巷道巷道MkMk+1MkMk+1AjAi+1Aj+11 号异常切眼140120100806040200140120100806040200工作面长度/m1001502002503003504004505005506006507007508008509009500501 000 1 050 1 100 1 150 1 200 1 250 1 3001001502002503003504004505005506006507007508008509009500501 000 1 050 1 100 1 150 1 200 1 250 1 300回风巷运输巷1642023 年 8 月Aug.,2023（上接第 134 页）炸和梯度消失的问题。在改进算法结构中 Skip Connection 主要用于解码器和生成器相对应层之间的连接，由于通过层之间的直接信息传输，保留了局部和全局的信息，使得解码器更好地重建图像，由此解决 Ganomaly 算法梯度弥散的缺点。注意力机制类似于人类大脑，当接收较多信息时，能够从中选择一部分对自己有用的信息进行处理，而相对于其他重要性比较小的信息则选择性忽略。也就是说，注意力机制在处理信息时，对重要信息赋予较高的权重，而不相关信息赋予较低的权重，并且不断地对权重进行调整，适用于各种环境。该 Attention 机制可以在生成器模型中结合上采样和下采样相同层的特征图，使得模型更好地捕获图像目标特征，同时避免上采样过程中图像特征细节丢失。该技术应用的优点有：一种独特的无监督对抗训练模型；不受异常情况种类的限定，能够对突发情况进行判别；生成器部分加入 Attention 机制，较好地捕捉感兴趣的图像特征，提高算法的精确度；在公开数据集和输送带运输图像数据集上的性能上优于现有算法。3结论本研究从动态计量和计算机视觉技术入手，利用动态优化方法对输送机的能耗进行建模，从而实现带式输送机的安全智能高效运行，利用基于人工智能技术的安全管理系统，可有效减少异物对输送带的损害，避免人员非法作业对带式输送机的损害。该研究成果在北十采区应用后，每月减少运输事故造成的非正常检修 5 次，平均每次影响生产约 3 h，则每月减少影响时间 15 h，按原煤产量300 t/h、原煤单价 700 元/t 计算，则每月可实现创效 315 万元；同时，系统使用永磁直驱设备安全高效、智能调速运行，平均节电约 27.6 万 kW h/a，按电价 0.6 元/kW h 计算，则节约电费约 16.56 万元/a；另一方面主运煤流系统安全高效运行，提高了自动化控制水平，减少了岗位操作人员 12 人，按人均年收入 12 万元计算，则每年可节约人工费用约 144 万元。综上所述，每年可实现经济效益3 940.56 万元。通过对安全生产过程进行智能识别，实现煤流系统的自动化、高精度、无人值守过程的分析和管控，从而提升带式输送机安全生产预防水平。同时，探索在智能化条件下的安全生产管理模式的创新，也大大提升了带式输送机的安全管理水平。参考文献1雷汝海，赵强.矿井带式输送机节能优化与智能控制系统研究 J.煤炭技术，2017（12）：184-186.作者简介吴显辉（1982-），男，高级工程师，毕业于贵州工业大学电子信息工程专业，长期从事矿井大型设备关键技术、智能化装备技术研究工作。收稿日期：2022-11-18从图 4 可以看出，在工作面底板下 45 m 附近发现 1 处异常区，命名为 1 号异常。该异常主要分布在切眼右侧 518613 m 范围内，贯穿整个工作面，异常核心靠近运输巷一侧。因此推断其可能为底板太原组灰岩岩溶裂隙相对发育并赋水所致。后期，针对音频电透视圈定的 1 号异常区进行了探放水工作，打钻过程中出现卡钻及塌孔现象，终孔后钻孔未出水。依据矿方提供的最新采掘工程平面图，1 号异常位置位于工作面内次一级向斜构造的轴部，该区域应力较为集中，异常主要受构造影响岩性变化所致。3结论（1）采用音频电透视技术能够有效地对 4322工作面底板下含水层中的异常区进行探测，从探测结果及验证情况来看，工作面底板下 70 m 深度范围内岩层的富水性整体相对较弱。（2）音频电透视探测结果具有多解性，探测的低阻异常区客观存在，需要针对异常区域进行钻探验证，以确定异常的性质和真伪。（3）矿井物探的异常分析及防治水患要从多方面着手，只有将物探结果与已知水文地质资料结合起来，并综合分析钻探资料，才能有效保障矿井的安全生产。参考文献1王晓蕾，王晶，姬治岗，等.中国煤矿资源勘察及开采过程中的物探技术现状及发展趋势 J.科学技术与工程，2021，21（4）：1237-1248.作者简介沈永坤（1986-），男，工程师，毕业于河南城建学院测绘工程专业，长期从事煤矿防治水工作。收稿日期：2022-12-27能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.4165