基于参数优化试验的工作面空巷探测技术研究

邱 浩

（1.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室（煤炭科学研究总院），北京，100013；3.北京市煤矿安全工程技术研究中心，北京100013）



地质与勘测

基于参数优化试验的工作面空巷探测技术研究

邱 浩1，2，3

（1.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室（煤炭科学研究总院），北京，100013；3.北京市煤矿安全工程技术研究中心，北京100013）

煤矿老旧空巷引起的水害是国内资源整合矿区面对的重要灾害之一，为了查明朝阳煤矿9101工作面内部老旧巷道的分布范围及其富水情况，在巷道掘进过程中通过基于瞬变电磁法频率、叠加次数的参数优化试验，确定了工作面内部老旧巷道探测的最优化参数，指导9101工作面内部老旧巷道的探测工作。试验结果表明：工作面内部老旧空巷位置同探测结果存在显著的对应关系，经过频率、叠加次数参数优化处理的空巷探测技术可以有效确定空巷的分布及其富水情况，可为工作面的安全回采提供依据。

瞬变电磁法；参数优化；空巷探测；富水特征

近年来，随着煤炭资源市场的不断规范化，我国许多富煤区域进行了资源整合，但由于小煤矿的不规范生产、资料缺失、乱采乱挖现象严重，导致煤矿在资源整合以后面临严重的安全问题［1］。国内资源整合矿区不但采空区分布积水情况复杂，在井下工作面的回采中也受到老旧巷道的严重威胁，工作面内部老旧巷道具有形态复杂、分布范围广等特点，且易形成积水区，一旦同含水采空区存在水力联系，在工作面回采过程中极易造成水害事故，形成突水灾害。

目前，煤矿井下工作面探测主要采用的物探方法有瞬变电磁法、无线电波透视法、音频电透视法、槽波地震法等方法，国内专家学者在对各类方法的理论与应用方面开展了一系列的研究工作［2-7］，但井下工作面探测效果受到地质特征、探测环境、井下干扰的影响较为严重，工作面内部老旧空巷探测参数选取缺乏有效的论证和实验支撑。因此，特定地质条件和探测环境下老旧空巷探测参数优化试验研究对提高隐蔽空巷探测结果的准确性具有重要的实际意义。针对朝阳煤矿工作面巷道内部已探明老旧巷道的特点，在探测目标区开展了瞬变电磁法发射频率及叠加次数的参数优化试验，确定了该地质条件和探测环境下巷道探测的最优化参数，并以此指导9101工作面综合探测工作，为老旧空巷探测成果的可靠性及工作面的安全回采提供依据。

1　井下参数优化试验研究

1.1瞬变电磁法简介

瞬变电磁法是在发射线圈发射脉冲一次场（式（1）），并利用测量对一次场感应产生二次涡流场在时间和空间上的分布的一种时间域电磁法。

矿井瞬变电磁法是在地下几百米深度的井下巷道中进行的，瞬变电磁场呈全空间分布，这时测量得到的瞬变响应为全空间响应。在发射线圈中通以阶跃电流，瞬间关断后，任意时刻发射线圈前方的涡旋电流在发射位置处产生的磁场可以等效为一个水平环状线电流的磁场（图1）。

图1　全空间条件下TEM信号扩散示意

由已知资料可知［8-9］，电磁场与介质电阻率间为复杂的函数关系，全空间视电阻率值计算公式为:

式中，C为全空间响应系数；μ0为真空磁导率；S，N为接收线圈面积及匝数；t为二次场延迟时间；V/I为发射脉冲电流幅值归一化电位。可利用（3）式求取不同时间对应的深度［10］

式中，v（ρs，t）为电磁场的传播速度；Ds（t）为t时刻瞬变电磁场传播深度。

1.2参数优化试验

为了更好地模拟目标探测条件，获得相似的背景场，试验选择在探测工作面轨道巷内进行。巷道宽度4.1m，高度2.2m，锚杆、锚网支护，巷道正前方布置钻孔，方位角90°，倾角+5°，孔深45m处见空出水，出水量约为10m3/h，水压0.2MPa。试验采用重叠回线装置形式，线圈边长2m，发射电流为3A，通过多次单点重复测试该试验装置下关断延时为0.243ms。

试验中采用单一变量控制法进行探测，探测装置其他参数与探测条件不变，频率与叠加次数试验各采集3组数据，进而分析不同频率、叠加次数条件下矿井瞬变电磁场响应的变化情况。每次试验观测采用多角度扇形探测，探测方向为顺岩层向掘进方向探测，如图2所示，共布置横向探测角度14个，探测方向分别是左侧帮（180°，165°，150°，135°，120°，105°）、正前方（90°，90°）、右侧帮（0°，15°，30°，45°，60°，75°），计14个测点数据，在顺层前方形成扇形断面。试验方案和序列见表1。

图2　观测示意

表1　试验方案和序列

1.2.1频率试验

图3为巷道正前方7号测点试验频率下的电动势曲线图。由图可知，在其他条件不变的情况下，由低到高3个试验频率的曲线形态存在显著的区别，同一测点不同发射频率的一次场持续时间不同，且测试发射频率对瞬变电磁场影响的观测时间不同。频率越大一次场持续时间越长，二次场观测时间就越短。2.5Hz，6.25Hz及25Hz的观测时间起始时间序列分别为11，15和25，即发射频率越大，盲区越大，探测深度越小，二次场开始阶段衰减比较均匀，中间部分曲线衰减反映地层变化，发射频率为2.5 Hz时，第67时间序列数据由于干扰产生跳点畸变，6.25Hz时晚期衰减均匀，曲线无畸变现象。数据采集效果相对较好。

图4为试验频率巷道超前探测视电阻率等值线断面图，横坐标0点表示巷道迎头位置，纵坐标为探测深度，设定不同的发射频率，各个频率顺层视电阻率等值线拟断面图的变化趋势差异较大，尤其对于低阻异常区影响明显。

图3　频率试验电动势曲线

图4　试验频率巷道超前探测视电阻率等值线断面对比

由图4可知，发射频率越大，深部视电阻率衰减越均匀，当发射频率为25Hz时深部无低阻异常反映，实际探测距离较短，探测结果可靠性降低。在发射频率为2.5Hz和6.25Hz时，低阻异常深度同实际钻孔揭露的空区位置吻合，探测效果较好，但由试验测点电动势曲线可知当频率为2.5Hz时易受到干扰出现畸变现象，图4中当频率为2.5Hz时视电阻率断面图中巷道正前方也出现了黑色实线标定闭合单点干扰区域，影响了晚期低阻异常的分辨。在发射频率为6.25Hz时，圈定低阻异常区域如图中黑色虚线圈定区域所示，位置同钻孔出水位置吻合较好，由此确定6.25Hz的发射频率能够获得比较好的空巷探测效果，同时在一定程度上降低干扰因素的影响。

1.2.2叠加次数试验

由实测数据分析，不同叠加次数电阻率曲线在30时间序列之前曲线形态基本一致，故为便于对比分析，选择30时间序列之后的数据进行不同叠加次数电阻率曲线分析数据。图5为不同叠加次数试验电阻率曲线图，看出巷道正前方7号试验测点叠加次数为32及64时，相对视电阻率起伏变化趋势基本一致，当叠加次数为16时，中晚期视电阻率曲线变化趋势同其他2次试验不同，而且晚期曲线出现跳点畸变现象。

图5 7号试验测点叠加次数试验电阻率曲线

图6为试验叠加次数巷道超前探测视电阻率等值线断面对比。由图6可知，叠加次数为32时，黑色虚线圈定低阻异常位置与实际见空位置吻合较好，探测效果相对较好，而在叠加次数为16及64时，低阻异常区域不明显。

2　空巷探测实例分析

根据工作面井下参数优化试验分析结果可知，选择合适的参数以及在数据处理过程中剔除井下干扰源的影响对于保证探测效果的准确性至关重要，以试验结果作为依据，将基于参数优化的井下工作面空巷探测技术应用于朝阳煤矿9101工作面内部空巷探测工程中。

2.1工程概况

图6　试验叠加次数巷道超前探测视电阻率等值线断面对比

朝阳煤矿由于历史原因，矿区整合前周边小煤矿众多，小煤矿的不规范生产、资料缺失、乱采乱挖给9101工作面的安全回采造成了严重的威胁，在工作面轨道巷掘进过程中即发生过揭露空巷打钻出水现象，水压最大可达0.2MPa，涌水量约为10m3/h。为了进一步查明朝阳煤矿9101工作面内部未知老旧巷道的分布范围及其富水情况，必须对工作面内部可能存在的空巷及其富水情况进行探查。井田范围地层由老到新依次为:奥陶系中统马家沟组峰峰组，石炭系中统本溪组、石炭系上统太原组、二叠系下统山西组、二叠系下统下石盒子组及第四系。井田的含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下二叠统山西组，主要包含2组可采煤层，3号煤层位于山西组下部，已经采空，9号煤层位于太原组中部，距3号煤层平均间距约为50m，为该矿当前主采煤层，9101工作面走向长1150m，倾斜长180m，影响9101工作面煤层安全生产的最主要因素为工作面内部存在的未知富水空巷。

2.2地球物理特征

井田范围内3号煤层已经采空，9号煤层位于K4灰岩之上，平均厚度1.88m，顶板为泥岩、粉砂质泥岩。9号煤层顶板裂隙富水的矿化度较高，其易沿裂隙导通汇集至9号煤层工作面内部的空巷区域，形成空巷积水，空巷区域的视电阻率值将明显低于周围正常煤岩层的电阻率；由于富水巷道围岩区域导水裂隙对电磁波具有吸收作用，因此在空巷区域无线电波吸收系数较高，接收的场强较弱。根据矿井地质与水文条件，结合煤岩层的电性特征，确定瞬变电磁法相对视电阻率值不高于15Ω· m的区域界定为巷道富水异常区，含水性相对较强，低阻电性特征明显，确定高吸收系数区域为异常区。

2.3探测方案

本次探测的任务为探测工作面内老旧巷道的分布及其含水性，采用矿井瞬变电磁法作为本次富水性区域探测的主要手段，以无线电波透视法作为空巷探测的辅助手段，将两种方法结合起来确定朝阳煤矿9101工作面内部老旧巷道的分布范围及其富水情况。瞬变电磁法参数设计参考试验结论，采用重叠回线装置，收发线圈边长2m，发射电流3.5A，工作面双巷各设计一条瞬变电磁测线，探测方向为顺煤层探测，探测方向示意如图7所示。无线电波透视法采用双巷收发，两种方法测点间距均为5m。

图7　探测方向示意

2.4探测结果分析

图8为9101工作面500～1000m区段顺层方向视电阻率等值线断面，图9为9101工作面顺层方向无线电波透视法场强成像图，区段标号为距开口距离，横坐标为工作面两侧巷道，纵坐标为工作面宽度坐标，瞬变电磁法探测前方存在盲区，因此图9宽度范围为30～150m。根据电阻率断面特征，将15Ω·m的区域界定为含水性较强区域。由图9可知，在9101工作面500～1000m区段，存在两处较为明显的低阻异常，分别分布于590～830m，925～1000m区段，在图9中，存在两处较为明显的场强透射异常，分别分布于600～740m，890～990m区段，结合瞬变电磁法及无线电波透视法成果图分析，两者重合区段为600～740m，925～990m，由此推断两区域为富水异常区，同时，存在空巷及构造异常的可能性较大，经打钻验证，在巷道660m，680m，710m，915m处见空，其中在660m，680m，710m处打钻出水，出水量10m3/h，915m处见空但未出水，为近切眼区段大量金属铁器影响所致，经验证同探测结果吻合程度较高。

图8　9101工作面顺层视电阻率等值线断面

图9　9101工作面顺层无线电波透视法场强成像

3　结 论

在巷道掘进过程中通过基于频率、叠加次数的参数优化试验，确定了工作面内部老旧巷道探测的最优化参数，并通过在朝阳煤矿9101工作面内部老旧巷道探测的工作实践，取得了良好的效果，得出如下结论:

（1）通过参数优化试验确定采用6.25Hz发射频率、32次叠加、0.243ms延时探测老旧巷道及其富水性是可行的。

（2）各矿的地质和采矿条件千差万别，在进行正式数据采集之前进行试验工作是非常重要的，只有这样才能不断提高探测的精度，从而为煤矿的安全生产提供良好的地质依据。

［1］孙庆先，安晋松，牟 义，等.地面与井下物探联合精细探测小型断层构造［J］.煤矿开采，2014，19（6）:25-28.

［2］于师建.三软煤层上覆含水层富水性瞬变电磁法探测技术［J］.煤炭科学技术，2015，43（1）:104-107，73.

［3］李宏杰，董文敏，杨新亮，等.井上下立体综合探测技术在煤矿水害防治中的应用［J］.煤矿开采，2014，19（1）: 98-101，90.

［4］肖乐乐，魏久传，牛 超，等.掘进巷道构造富水性电法探测综合应用研究［J］.煤矿开采，2015，20（3）:21-24.

［5］程久龙，邱 浩，叶云涛，等.矿井瞬变电磁法波场变换与数据处理方法研究［J］.煤炭学报，2013，38（9）:1646-1650.

［6］邱 浩，舒宗运，张永超，等.富水采空区瞬变电磁拟地震探测实验研究［J］.中国煤炭地质，2015，27（5）:70-73，77.

［7］程久龙，李 飞，彭苏萍，等.矿井巷道地球物理方法超前探测研究进展与展望［J］.煤炭学报，2014，39（8）: 1742-1750.

［8］刘志新，王明明.环工作面电磁法底板突水监测技术［J］.煤炭学报，2015，40（5）:1117-1125.

［9］姜国庆，程久龙，孙晓云，等.全空间瞬变电磁全区视电阻率优化二分搜索算法［J］.煤炭学报，2014，39（12）: 2482-2488.

［10］张法全，周 波，王国富，等.基于三维有限差分法的矿井全空间响应特征研究［J］.煤矿安全，2015，46（9）:35-38，43.

［责任编辑：施红霞］

Detection Technology of Working Face Abandoned Roadway Based on Optimal Parameters

QIU Hao1，2，3

（1.Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute，Beijing 100013，China；2.State Key Laboratory of Coal Resource High Effective Mining&Clean Utilization（China Coal Research Institute），Beijing 100013，China；3.Beijing Safety Engineering Technology Research Center，Beijing 100013，China）

The water disaster that induced by abandoned roadway of coal mine was one of importantdisasters that must faced to for resources reassignment mine area in home，in order to ascertained the distribution scope of abandoned roadway and water distribution of 9101 working face of Chaoyang coal mine，on the basis of parameters optimal experiment of transient electromagnetic method and stacking fold during roadway driving process，the optimization parameters of abandoned roadway in working face，it references for defection working of abandoned roadway in working face.The results showed that an obviously corresponding relation was appeared between the abandoned roadway position and detection results.Detection technology of abandoned roadway was effectively after frequency and stacking fold optimized.

transient electromagnetic method；parameters optimal；abandoned roadway detection；water distribution characters

TD166；P631.3

A

1006-6225（2016）04-0018-05

2015-12-24

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.04.005

国家自然科学基金资助项目（51404139）；中国煤炭科工集团科技创新基金资助项目（2014QN013）

邱 浩（1987-），男，辽宁铁岭人，助理研究员，硕士，主要从事应用地球物理方向的研究工作。

［引用格式］邱 浩.基于参数优化试验的工作面空巷探测技术研究［J］.煤矿开采，2016，21（4）：18-22.