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基于瞬变电磁法的注水矿井探测研究

发表时间：2020/12/21 来源：《基层建设》2020年第24期作者：张鑫

[导读] 摘要：充水的采空巷道极易发生煤矿的突水事故，瞬变电磁法是检测富水地区的一种很好的地球物理方法。

        内蒙古科技大学矿业与煤炭学院
        摘要：充水的采空巷道极易发生煤矿的突水事故，瞬变电磁法是检测富水地区的一种很好的地球物理方法。考虑到常规瞬变电磁法主要在地面上进行，为提高检测分辨率，本研究采用地下瞬变电磁法来检测充水巷道。在全空间模型的基础上，研究了地下瞬变电磁法的数据处理方法，根据煤层实际数据建立了全空间地电模型，并对充水巷道的全空间瞬变电磁法响应进行了建模。使用时域有限差分法。
        1.介绍
        煤矿矿井突水事故长期以来给人员造成了重大人员伤亡和经济损失，严重阻碍了煤炭工业的发展。根据几家矿井的历史突水数据表明，最危险的矿井突水事故通常是由煤矿造成的。采空区水是发生此类灾难性事故的主要水源之一。采煤过程中形成的采空区是一个可用于储水和输水的空间，因此它可能成为灾难中的主要水源，威胁到随后的采煤活动。此外，采空区更容易发生地面塌陷和塌陷，对地表生态环境造成严重影响。基于介质电性能差异的电磁检测方法是检测充水采空区的主要途径。检测采空区的常用方法包括电阻层析成像，探地雷达和瞬变电磁（瞬变电磁法）方法。一些研究者计算了采空区瞬变电磁场的响应，并将瞬变电磁法应用于充水采空区的检测。一些学者研究了采空区导水裂缝带的电各向异性响应。以上所有对采空区的探测都是在地面上进行的，但随着采空区面积的增加，地面探测的分辨率将降低，地面探测装置与被探测目标之间的距离也将增大。
        充满水的采空区对采矿工作造成威胁，它距地下的工作面比地面更近，因此在地下探测中具有显着的优势。地下探测的探测装置位于地下隧道中，隧道的狭窄空间限制了地下探测方法的应用。在所有电磁探测方法中，地下瞬变电磁法克服了地下狭窄空间的局限性，易于实施，并且对低电阻体敏感。因此，该方法已逐渐用于地下水丰富地区的检测。
        地上使用的检测装置是边长从几十米到几百米不等的大环路设备，而地下检测中使用的检测设备是边长在3m以下的小环路设备，这是因为地下隧道内狭窄的空间。因此，地下瞬变电磁检测中使用的检测装置与地面检测中使用的检测装置不同。地面瞬变电磁检测装置在地面之上，而要探测的地质异常体在地下，因此瞬变电磁场具有半空间响应。
        2.地下瞬变电磁法的原理和数据处理
        采矿瞬变电磁法是一种时域电磁检测方法。在阶梯形波形电磁脉冲的作用下，它利用非接地回路将主脉冲磁场传输到地下。并测量在初级场关闭期间地下介质产生的感应次级场随时间的变化。它还通过处理，分析和解释诱发的次级场信息来检测地质目标。在关闭发射电流之后，使用线圈接收磁场随时间的变化，该磁场是由地面介质形成的感应次级磁场。感应的次生场主要取决于地面介质的电导率分布，这意味着其电导率会更强，而当地下采空区含水时，接收到的感应的次生场将发生变化。因此，通过观察感应的二次场可以检测出采空区的水丰度。
        地下巷道的宽度通常为3–6 m，高度为2–4 m，用于地面探测的大型环路设备（边缘大于10到数百米）无法布置在如此狭窄的空间中。因此，只能使用边长小于3 m的小回路设备。实验和探索导致地下巷道普遍使用边长为2 m×2 m的重合回路。发送器环路和接收环路是两个具有不同匝数的独立环路。发射机和接收机环路放置在巷道中，发射机环路的倾斜角度根据检测目标的位置进行调整。发射器和接收器回路逐点移动以进行检测，测量点之间的距离通常为10 m。检测时，可以根据需要调整点距离。
        3.数值模拟
        瞬态电磁场的正向数值模拟是从瞬态电磁检测中推导和解释数据的基础，而有限差分时域（FDTD）方法是瞬态电磁3-D数值模拟的主要方法。FDTD采用栅格，如图1所示。这种自由裁量的方式可以自然地满足不连续表面上场分量的连续性条件。考虑到稳定性条件的限制，通过麦克斯韦方程组的差分方案计算瞬变电磁场将耗费大量时间，并且用普通计算机很难完成。为了通过FDTD计算瞬态电磁场，对Maxwell方程进行了准静态逼近：

        其中E是电场强度，B是磁感应强度，H是磁场强度，σ是介质的电导率，J是传导电流密度，γ是位移介电常数。位移介电常数的引入允许在较晚的电磁场的计算中不严格的时间步要求。上述方程式仅适用于无源区域。

                   图1 栅格图
        缺水时，煤矿采空区内部结构较疏松，阻力较其他正常地层高，而富水时阻力较低。为了研究充水采空区和非水采空区地下瞬变电磁法的探测和分辨能力，建立了具有不同电阻率的异常体模型。整个空间的背景电阻率模型设置为100Ω•m，发送和接收环路的大小均为2 m×2 m。100 m×100 m×10 m的异常体位于发射环路上方50 m处，其电阻率分别设置为1、100和10000Ω•m。
        多层煤的开采通常是从上到下进行的，因此影响煤炭开采的采空区通常位于开采面上方。充满水的采空区的全空间的采空区位于100 m×100 m的区域内，煤层厚度为10m，并且地面之间的垂直距离两个60 m的煤层。发射环路和接收环路的尺寸均为2 m×2 m，其法线方向与煤层之间的夹角为45°，位于隧道内部。
        数据采集过程中，附近巷道的掘进和煤矿开采被暂停，以减少电磁噪声。巷道侧壁上有通信电缆和电源线，它们产生的电磁噪声会影响检测。为了增强信号强度，多匝环路用于发送和接收。用于此检测的Terra TEM仪器可以自动抑制50和60 Hz的电磁干扰。局部测量点的原始感应电势曲线很平滑，表明噪声很弱并且可以满足检测要求。
        4.总结
        以全空间模型为研究对象，研究了全空间瞬变电磁场的响应特性和处理方法。使用3-D FDTD方法对富水采空区的整个空间瞬态电磁响应进行了数值模拟，此外，还使用地下瞬变电磁法检测了采空区中的水含量。就表观电阻率轮廓来说，当料滴区域富含水时，可以启动低电阻的响应。表观电阻率的低电阻区域可以准确反映出料滴区域的水丰度。地下瞬变电磁法与实际相吻合。
        参考文献
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