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技术在浅埋多层采空区探测中的应用雷鹏翔，魏新帅，茹良（陕西陕北矿业韩家湾煤炭有限公司，陕西 榆林 ）摘要：矿井水害作为当前影响矿井安全作业主要灾害中的一种，由于水害所带来的矿井停产，甚至淹井事故时有发生，为提高浅埋多层采空区积水的探测能力，提出了将瞬变电磁法作为重要的水文地质勘探手段，对煤层顶板中存在的多层采空积水区范围和位置进行探查，为工作面回采期间的防治水工作提供参考资料，规避作业面回采过程中因为水害问题而出现停产等情况。结合后期的回采验证，确定这一方式为相对高效的勘查方法，对矿井的水害治理有着突出的效果。这一方法同时也对水害的预报和及时采取防护措施起到了积极作用，对类似情况下的水治理提供了重要参照。关键词：瞬变电磁法；多层采空区；采空区积水；防治水；理论正演；回采验证中图分类号：；文献标志码：文章编号：（），（，）：，：；引言随着煤矿大规模高强度开采，浅部煤炭资源消耗殆尽。同时由于前期乱采滥挖，形成了众多形态复杂，缺乏准确、详细地质资料的小窑积水采空区。积水采空区赋存特征复杂，甚至会出现多层采空区重叠的现象 。在开采深部煤炭资源时需落实煤矿防治水 字方针，探明上部采空积水区范围。瞬变电磁法是一种常用的积水采空区地球物理勘探方法，其具有对低阻体反映灵敏、野外施工速度快、对地质异常体的分辨能力较高等优点 。近年来，采用瞬变电磁探测煤矿积水采空区成为一项热门技术，国内外众多相关专家、学者在此邻域开展了一系列研究。瞬变电磁法为目前较为常见的积水采空区地球物探技术，基于该技术对低阻体物质有着较强的敏感性，尤为适合野外作业，能够高可靠地分辨出地质异常体等。这些年，瞬变电磁探测煤矿积水采空区雷鹏翔魏新帅茹良 技术在浅埋多层采空区探测中的应用 年收稿日期：作者简介：雷鹏翔（），男，陕西大荔人，工程师，主要从事煤矿地质灾害防治工作。俨然成为时下热点。例如，顾光跃等 以华北型煤田某小煤窑采空区为例，采用大定源回线装置进行瞬变电磁法探测，随后进行了钻探验证，结果表明推断采空区与钻探揭露情况相差无几；徐慧等 收集分析了大量陕北浅埋煤层地区采空区地质及地球物理资料，总结了采空区的地球物理特征，并根据结果有针对性的设计了多组不同的施工参数开展试验，形成了一整套技术路线，在后续的采空区地球物理探测中取得了不错的应用效果；陕北某矿早期采用房柱式开采方式，采空区的埋藏深度、分布范围和积水情况不明，对下一步的开采造成巨大安全隐患，为此杨勇 利用瞬变电磁法及高密度种方法相互配合对采空区进行勘查，出色的完成了探测任务；李刚 结合地面瞬变电磁技术围绕李村煤矿二采区顶底板富水区以及形态予以研究。前面的研究主要围绕单个目标体，没有围绕多层目标体展开精细监测。笔者以陕北矿业韩家湾煤矿为例，采用瞬变电磁正演模拟和约束反演技术进行多层采空区积水的精细探测。测区概况与地球物理特征探测对象是陕北矿业韩家湾煤矿，矿井为斜井多水平的开拓形式。煤层分为 层，为典型的近水平煤层群，、煤层为大部分可采、全部可采类型。目前，煤层全井田初步实现了回采，目前正围绕 煤层进行开采，同时 煤层的开采工作也已进入了准备阶段。煤与下伏 煤层间距 ，平均 。煤层与下伏 煤层的间距 ，均值为 。由 建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范（）相关计算公式分析可得 煤层垮落带高度为 ，导水裂隙带最大高度是 ，煤层导水裂隙带可完全导通至上覆 煤层采空区。井田区域地层从老到新分别包括上三叠统永坪组（）、直罗组（）、全新统风积沙（）。结合地质信息以及该矿的钻孔电测井曲线可以确定当地地层电性从浅到深的主要呈现方式即“低阻高阻低阻”变化特性，纵向的电性特点较为显著。理论正演模拟计算阶跃电流影响下，回线中心的层状介质频率域电磁响应 即为（）（）（）（）式中，为发射电流；为发射回线边长；为积分变量；（），（）（）则分别表示综合波阻抗、表层介质波阻抗以及积分核函数，其与地下电性层的电性组成高度相关。瞬变电磁场解析求解的主要过程是在利用频率域内的亥姆霍兹方程获得谐变场，之后结合时频域转换方式把频率域的电磁场转化至时间域形式。一般而言，瞬变电磁场基于阶跃波以及其他的类型的脉冲电流波形在大地激发形成过渡过程场，阶跃波因为激发便捷、有效，得到广泛认可。响应的关系式为（）（）（）通过傅里叶变化可以得到时间域的响应，阶跃电流激发下的磁场强度垂直分量为（）（）（）（）（）磁感应强度垂直分量的微分参数为（）（）（）（）（）（）式（）可采用线性数字滤波技术计算。晚期瞬变电磁阀近场模式下，其视电阻率函数为（）（()）（）（）（）（）式中，（）为所观测的二次感应电压；为发送磁矩；为接收线圈总面积；为单匝接收线圈面积；为接收线圈匝数。由式（）、式（）、式（）可求解得到瞬变电磁法视电阻率数值。就探测区域内井田中的钻孔信息予以梳理，构建与之对应的地电结构参数，地电模型如图 所示。进行正演模拟计算，发射回线为 （考虑目标层埋深，参考以往勘探经验，正演首选该参数），电流为 。理论模拟结果如图 所示，图 （）为二次场电压衰减曲线，采空积水地层模型信号强度明显大于正常地层。图 （）是对应视电阻率响应结果，地层视电阻率从早（期）到晚（期）为由高至低的形态，采空积水地层模型视电阻率由早到晚呈现低高低的形态特点，中早期为典型的低阻响应。第 期雷鹏翔魏新帅茹良 技术在浅埋多层采空区探测中的应用?图 地电模型?图 正演数值模拟结果 基于自适应算法的 反演自适应正则化算法，即反演阶段可综合特殊的准则自适应控制正则化函数的取值模式。学者 构建了一种结合初始信息拟合方程以及模型约束方程的比值来明确正则化因子初始结果的方法，该方法可以在数据拟合效率不高的情况下，将正则化因子予以衰减以实现自适应 。反演基于典型的带平滑限制的最小二乘反演模型，于特定的拟合偏差机制下保证模型的粗糙性最低。结合 反演模型的核心内容，可构建对应的目标方程为 （）式中，为拉格朗日因子；为观测数据向量；为正演算子，这之中 、分别为模型参数向量、反演所规定的拟合差值，爥，爥，、这之中，分别为第 个数值的标准差以及模型粗糙性方程为()（）式中，为深度，选择 来当做某一低于 的常量，因而可改成矩阵的方式 （）其中 为粗糙度矩阵，表示为 （）结合式（）多元方程的求解，得到该方程的偏导数，同时 。故可以推出（）（）（）式中，分别为第 次反演的模型修改量、第 次模型响应以及观测信息的残差、雅可比矩阵，它的元素即为 。为了反演方法的有效性，构建 型地电模型，各层的电阻率由上至下依次为 、，各个层厚分别是 、，表现出“低阻高阻低阻高阻”特点，正演时回线源边长为 ，信号采样延时至 。反演期间假定最高的反演深度是 ，模型电性层数定为 ，结合对数等间隔离散每层的层厚，切实降低矩阵函数的病态性。综合地电模型中的第 层电性和层厚作为先验系统信息分析约束反演效果，计算过程中逐渐的提高约束，同无约束对比，存在约束时的反演效果显著提升。如图 所示，低阻层进行约束的反演效果良好，不难看出是否施加约束的情况下反演都可以表现出四层电性结构，而无约束情况下的第 层以及陕西煤炭 年第 层的差异不明显，分层也不突出，同时第 层反演电阻率结果同给定的参数有着明显的不同，给予第 层条件约束的情况下，该层的反演电阻率结果趋向给定的参数，每层的电性差异性提高，分层质量也有了极大的提升，反演的高阻层参数趋向给定的数值。施工布置及探测成果分析 施工布置与参数选择基于回线源瞬变电磁方法，针对采空区积水情况和煤层的顶板含水层富水情况展开探测，测线网格密度设计为 。线距、点距分别是 以及 ，测线 条，发射回线边长 ，发射的电流约为 ，施工布置如图 所示。?图 反演成果比较?图 施工布置 探测效果分析基于晚期视电阻率公式将 测线响应数据进行计算，得到时间道 视电阻率等值线拟断面图，具体如图 所示，其横向坐标表示水平距离，纵向则是各个测点时间道结果。从图 可看出视电阻率等值线相对稳定，却无法反映探测位置的“低阻高阻低阻”地电结构特点，此外，图内也难以直接的得到积水采空区和煤层顶板含水层富水区的低阻异常，电性分层表现并不理想，没有完成对多层目标的精细化勘探。通过约束反演技术手段进行处理，图给出了该测线反演后成果，处理时参照钻孔电阻率数据作为先验系统进行计算，反演之后的断面纵向电性变化信息同实际地层大致相同，分层能力得到了提升。、及 煤层的顶板部分区域呈现明显的低阻特征。图 图 则是多目标层低阻异常位置的平面图。图中回采大巷东侧为现代化的综采模式，煤层已回采完毕，采空后地表出现许多的地裂缝，长时间的降水和含水层赋存水补给，导致上述工作面低洼的位置可能会存在大面积的积水。下方的 煤层低阻异常位置和 煤层低阻异常位置相近，与 煤层采空积水往下渗透补给可能相关。从整体第 期雷鹏翔魏新帅茹良 技术在浅埋多层采空区探测中的应用?来看 煤层顶板异常强度有明显的降低，同时范围也显著缩小，为明显的片状的分布形态。测区内 煤层为进行采掘工作，圈定的 处低阻异常区推断可能都是该煤层顶板砂岩裂隙含、富水导致。从矿方收集的资料可知，及 工作面采空区停采线位置为采空标高最低处，利于水的汇集。年 月 日，位于该位置的 号密闭放水孔出水量为 ，充水源为 采空区积水和含水层，后涌水量趋于稳定。综上，可以证明此次电法勘探成果可靠。?图 煤层低阻异常区平面 陕西煤炭 年?图 时间道 视电阻率拟断面?图 反演电阻率断面?图 煤层低阻异常区平面?图 煤层低阻异常区平面 结论（）根据地质资料与测区钻孔电测井曲线建立相应的地电模型，进行正演模拟计算，获得了采空积水地层的电性特征，为后续约束反演及资料解释提供基础。（）设计了围绕钻孔电测井数据为先验系统的 一维自适应 约束反演系统，该反演结论对初值的限制较少，规避了反演期间结果趋于局部极小值以及反演多解性等问题，提升了数据的解释精确性以及多层目标体的电性分层水平，能够完成对多层目标体的精准勘查。（）利用瞬变电磁法对采空区积水和煤层顶板覆岩含、富水情况进行探测，为工作面回采期间的防治水工作提供了参考资料。参考文献：王洋，武强，丁湘，等 深埋侏罗系煤层顶板水害源头防控关键技术 煤炭学报，（）：董书宁，姬亚东，王皓，等 鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田典型顶板水害防控技术与应用 煤炭学报，（）：（下转第 页）第 期雷鹏翔魏新帅茹良 技术在浅埋多层采空区探测中的应用参考文献：，（）：潘锐，王琦，王雷，等 深井巷道锚注补强力学效应及支护参数研究 采矿与安全工程学报，（）：，（）：张进鹏，刘立民，刘传孝，等 基于预应力锚和自应力注的破碎围岩锚注加固应用研究 采矿与安全工程学报，（）：李铀，白世伟，朱维申，等 预应力锚索锚固效应的仿真试验与数值模拟研究 岩石力学，（）：文志杰，石永奎，崔增娣，等 全长黏结型预应力锚杆受力特性研究 岩土力学，（）：罗卫华，胡毅夫，张爱民 预应力锚杆内锚固段锚固特性及参数影响分析 地下空间与工程学报，（）：杨校辉，朱彦鹏，郭楠，等 软岩深基坑预应力锚杆承载特性与滑移面确定试验研究 岩石力学与工程学报，（）：张进鹏，刘立民，刘传孝，等 基于预应力锚和自应力注的深部裂隙岩体锚注加固机制研究 岩土力学，（）：罗基伟，张顶立，房倩，等 超大跨度隧道预应力锚杆 锚索协同支护机理 中国铁道科学，（）：郭方胜 螺旋锚垂直抗拔承载力室内试验研究 武汉冶金科技大学学报，（）：邓坤，惠兴田，高徐军 自旋式锚杆抗拔力的计算理论 矿业研究与开发，（）：郭新新，汪波，刘锦超，等 软岩隧道锚固系统预紧力匹配性设计方法与实践 铁道科学与工程学报，（）：王卫军，袁超，余伟健，等 深部大变形巷道围岩稳定性控制方法研究 煤炭学报，（）：杨更社，何唐镛 全长锚固锚杆的托板效应 岩石力学与工程学报，（）：王成，肖东平，文竞舟，等 从锚杆轴力反算围岩塑性区范围研究 重庆交通大学学报（自然科学版），（）：沈明荣 岩体力学 上海：同济大学出版社，檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 （上接第 页）李东，刘生优，张光德，等 鄂尔多斯盆地北部典型顶板水害特征及其防治技术 煤炭学报，（）：牛之琏 时间域电磁法原理 长沙：中南大学出版社，李貅 瞬变电磁测深的理论与应用 西安：陕西科学技术出版社，朴化荣 电磁测深法原理 北京：地质出版社，顾光跃，王东伟 大定源瞬变电磁法在探测煤矿采空区中的应用 中国煤炭，（）：徐慧，牟义，杨思通，等 榆林地区浅埋煤层采空区电法综合勘探技术 地质与勘探，（）：杨勇 瞬变电磁和高密度电法在浅埋房柱式采空区探测中的应用 煤矿开采，（）：，李刚 地面瞬变电磁技术在探测煤层顶底板富水区分布中的应用 中国煤炭，（）：张维 大定源瞬变电磁法一维正反演研究 长沙：中南大学，李刚，潘和平，王智，等 回线源瞬变电磁法一维反演算法 煤田地质与勘探，（）：，徐玉聪，赵宁，秦策，等 大定源瞬变电磁一维自适应正则化反演 地质与勘探，（）：姚伟华 大回线源瞬变电磁一维自适应反演方法及应用 物探与化探，（）：郭来功，戴广龙，杨本才，等 多先验信息约束的三维电阻率反演方法 石油地球物理勘探，（）：，陕西煤炭 年