几种矿井电法的应用分析

王 程，蒋齐平

（中煤科工集团西安研究院有限公司，西安 710077）

几种矿井电法的应用分析

王 程，蒋齐平

（中煤科工集团西安研究院有限公司，西安 710077）

对国内煤矿井下应用较为广泛的直流电法、瞬变电磁法和音频电透视的理论研究基础进行了论述及评价，内容包括正反演理论及资料处理解释方法，并对其研究现状进行了解析。通过实例介绍了三种方法在井下小窑巷道、含水目标体和富水层等进行超前探测中的应用，最后对三种方法在理论基础、解释精度、反演方法等方面进行展望，并对其在理论研究与应用的发展方向提出了建议。

矿井电法；直流电法；瞬变电磁法；音频电透视

0 引言

煤炭是我国的主要能源结构组成，煤田地球物理勘探以其自有的技术特点和优势广泛应用于煤炭水文地质勘查领域。

煤炭地球物理勘探中电法代表性方法为瞬变电磁法和直流电法，这二种方法在探测煤矿老窑积水区、断层、岩溶等水文地质问题上发挥了重要的作用。近些年随着煤矿机械化进程的发展，地面电法逐渐不能满足井下安全生产的需求，这时应运而生的矿井电法发展起来，矿井直流电法和瞬变电磁法，以及更改施工方式和装置发展起来的音频电透视等方法解决了煤矿的客观需求，取得了大量的地质成果。

1 几种矿井电法简述

1.1 矿井直流电法

1.1.1 基本原理

直流电阻率法在国内外发展较早，应用较广的一种方法。在20年前，因国内煤矿生产需求，国内学者将该方法引入到井下全空间。

直流电法超前探主要用于探测巷道掌子面前方的水文地质异常区，施工方式为：掘进头附近布置第一个供电电极A，形成一个点电源场，在距离掘进头远处布置无穷远电极B，然后在同一直线上向掘进后方距离第一个电极等间距布置第二个、第三个形成三个供电点，测量电极M、N，进而分析巷道前方是否存在水文异常区。

引用圆柱坐标系，原点设在电源点处，Z轴垂直板状体。在有源一侧的电场分布表达式为：

式中ρ1为围岩电阻率，ρ2为无线大板状体电阻率，，R为电源到观测点距离，为所设板状体厚度，d为到板状体的距离，观测电极沿Z轴负向移动，上式有：r=0，z∠0，R=-z，电源点所在介质ρ1中的电位表达式为[1]：

电阻率表达式为

1.1.2 研究现状

目前主要处理方法为“聚焦法”“比值法”“归一法”对施工巷道的干扰、全空间的影响进行消除，该处理解释手段在山西煤矿探测迎头前方老窑采空积水区取得了显著性的效果。

针对全空间条件下的直流电法超前正反演研究主要有：黄俊革等[2]采用最小二乘法对超前探测视电阻率曲线进行快速反演，反演应用性较好，能够快速的反演得到异常体的厚度和电阻率的综合值，对围岩的电性特征也有精准反应，然而在稍复杂的异常体产状时反演效果不佳。刘斌等[3-4]采用基于全空间球体含水构造超前探测解析公式的阻尼最小二乘反演方法，并提出了“等效球体”的概念，反演出的异常体位置较为准确，能满足实际工程需求。鲁晶津等[5]在三维电阻率反演软件RESINVM3D的基础上，对全空间条件下的直流电法三维正反演进行了研究，基本上实现了全空间下对异常体的位置、规模和形态的精细反演[6]。

1.2 矿井瞬变电磁法

1.2.1 基本理论

矿井瞬变电磁法勘探是在地面以下几百米甚至上千米的井下巷道内进行的。由于巷道顶、底板岩层为均匀导电性介质，巷道内测量的电磁感应信号为其顶、底板周围全空间的综合电磁感应[7-8]。

均匀全空间介质中的水平圆形回线发射框中心的瞬变响应（磁场的垂直分量与感应电动势）为[9]

式中，I0为供电电流，t为观测时间，μ为均匀半空间磁导率，S为接收线圈的等效面积，r0为发射线圈半径。

当ρt→∞时，可以得出晚期响应为：

则可得到中心回线的晚期视电阻率公式

1.2.2 研究现状

目前矿井瞬变电磁法资料的处理方法主要采用“校正”和“偏移”对线圈耦合、巷道等影响进行消除，然后结合“成像”技术来探测巷道迎头前方的富水区。

在正反演研究方面，瞬变电磁法的一维正反演较为成熟，而由于瞬变电磁法激发源的特殊性，不存在真正意义上的二维正反演，因此主要研究方向集中在三维正反演，尤其是针对任意复杂三维模型响应的求解[10]。所采用的三维求解方向主要有：体积分方程法（VIE）、有限单元法（FEM）、时域有限差分法（FDTD）和有限体积法（FV）。主要以有限元和有限差分应用较多。

针对瞬变电磁法全空间三维反演较少，仅有少量的三维时间域电磁反演应用于工业生产。Haber[11-12]等人提出了另一种共轭梯度法求解，进行回线源TEM的三维反演；邓小红[13]从正演计算工作量的角度考虑，选择回线源装置而开展的三维正反演研究，为了缩小反演的空间范围和计算时间，仅对异常场进行反演；程久龙、李明星等[14]开发了全空间粒子群算法反演程序，进行煤矿井下矿井瞬变电磁法研究，有效提高了全空间TEM勘探的精度；李展辉[15]采用Occam反演方法进行2.5维和三维反演，利用格林函数互易定理计算敏感度矩阵并进行存储；李貅等[16]通过波场转换方法，进行拟地震偏移孔径成像，在一定程度上满足揭示主要探测异常体的近似几何形态的需求。

1.3 音频电透视

1.3.1 基本理论

矿井音频电透视与井下坑道间电透视法相类似，但是其严格来说属于直流电法类。它是把供电电极和测量电极分别布置在井下工作面的两顺槽内，采用全空间下直流电法原理研究工作面内的电场变化规律，从而探测工作面的水文地质问题，在保障工作面安全采煤方面起到积极有效的保障作用[17]。

全空间内任意点的电位表达式为：

式中：Ui，j为第i层的点源在第j层的电位；L供电点至观测点的距离；ρi为第i层的电阻率值；kn（i，j）=F（L，d，θ，ρm）为反射系数函数。

对于井下局部地质体的附加场，可用导电球来说明，即电流场中导体的异常可以近似地看作电偶极子的异常。其表达式为：

对于井下近似三层地电模型来说，其点源场电位表达式为：

式中：U0为无局部地质体时的电位分布；Un为局部地质体的异常场。

可以看出异常曲线（U/U0）是以点源A与地质体连线的延线为对称轴的轴对称曲线。异常宽度、幅度与其大小、电性差异及距离等有关。因此异常体规模越大、电性差异越大、距离越小，异常幅度就会越大；反之则越小[18]。

1.3.2 研究现状

目前矿井音频电穿透资料处理与解释方法有人工交汇法与CT成像法两种。交汇法是采用测量的电位曲线的拐点划分异常区，根据多条曲线交汇最终确定异常位置和大小，因此该方法的误差较大。CT成像是采用拟地震的层析成像的原理，实现电法数据的成像，主要用来解决工作面顶、底板富水区的平面分布位置。

矿井音频电透视的正反演基本采用全空间直流电法理论。高玲玲[17]实现了在全空间条件下的音频电透视的正演数值计算和反演，研究了正则化参数α对反演结果的影响。鲁晶津[19]采用有限体积法离散偏微分方程，用预条件双共轭梯度稳定算法求解离散所得线性方程组实现了三维正演；反演部分采用拟高斯-牛顿法进行拟合，应用Tik-honov正则化添加先验信息，采用预条件共轭梯度法计算模型更新。

2 应用与发展前景

2.1 矿井直流电法

直流电法现已经广泛应用井下，探测工作面区域断层、裂隙带、陷落柱等构造和小窑巷道，解决危害工作面安全掘进的水文地质问题。下面就直流电法超前探测实例进行分析该方法的应用情况。

所施工煤矿位于山西南部，所采煤层为二叠系山西组煤层，地面埋深160 m左右。探测工作面位于矿区的中南部，走向条带布置。根据前期地质调查巷道掘进路径上可能存在老窑巷道，但由于小窑巷道坍陷和不规律性，导致掘进水文地质条件相对复杂。为此，在巷道掘进前先采用直流电法超前探测。

探测共发现3处低阻异常区，分别为1号、2号和3号异常。1号异常位于探测前方60～64 m；2号异常位于探测前方78～82 m；3号异常位于探测前方86～92 m。因掌握的已知地质资料较少，推测此三处低阻异常均为迎头前方可能老窑巷道。

图1 直流超前探掘对比图Figure 1 Comparison chart of DC advanced prospecting and mining practice

后经巷道掘进揭露，在本次探测迎头前方63～65 m和80～88 m的位置分别发现两条老窑巷道：第一条老窑巷道截面积较小，对应为1号物探异常；第二条老窑巷道截面积大，2和3号物探异常对应老窑巷道的左右帮位置。物探成果显示的异常位置与老窑巷道对应较准确。

然而该处理解释方法仍是以定性和纯数学方法，在某些情况存在着局限性。笔者在几千次的直流电法超前探资料中发现较多的漏报情况主要表现在目标规模不大或地质情况稍复杂的情况。因此未来需着重以下方向的研究：

1）建立全空间的地球物理理论的体系，并开展三维全空间地球物理场的数值模拟和物理模拟；

2）改进现有的施工方式，完善全空间条件下直流电法聚焦，研究较为快速实用并具有针对性的反演方法；

3）从单次直流电法超前探测向单条巷道、工作面乃至整个矿区发展，建立整个矿区岩性的电性大数据，提高预报的准确性；

4）充分利用巷道超前钻孔、底板孔等，研究结合钻孔的孔中电法探测可行性。

2.2 矿井瞬变电磁法

瞬变电磁法对低阻敏感，施工简易，方向性强，在矿井探测水文地质异常区得到广泛的应用。

所研究例子为山西某煤矿井下瞬变电磁法超前探测成果。所施工巷道位于二叠系山西组2号煤层，顶底板岩层以砂泥岩为主，所施工探测目的体为迎头前方附近的水仓，以研究瞬变电磁法超前方向性和低阻异常体分辨率为目的。

图2红色实心原点位置为施工位置，探测方位为水平层位和垂直层位，蓝色填充线条为实际水仓位置，水仓为开挖巷道底板下方。从探测成果中可以明显看出水平层位成果较为准确的圈出实际水仓位置，垂直层位成果中主要异常位置探测层位下方，异常从下方发育延伸。然而瞬变电磁法所产生的阴影效应以及目标体实际位置的确定在实际应用中存在较大问题。

矿井瞬变电磁法因其特有的方向性和对低阻的敏感性在煤矿探测富水区应用非常广泛，然而其在线圈耦合、纵向分辨率、浅部盲区、干扰源多等问题非常突出。因此有待研究方向为：

图2 矿井瞬变电磁法超前探测成果图Figure 2 Mine TEM advanced prospecting results

1）在仪器方向，优化硬件在降低线圈耦合、提高信号信噪比及降低关断时间的影响，重视观测系统的优化；

2）在施工方面，在研究中心回线装置的同时，应考虑研究全空间下磁偶和电偶极的响应特征；

3）在继续研究成像技术的同时，应完成全空间条件下瞬变电磁场的响应特征，建立完整的理论基础，应用较为实用的反演方法。

2.3 音频电透视

矿井音频电穿透技术在工作面回采前，探测工作面顶底板岩层含水性情况，为工作面的防治水工作提供先验资料。

所研究实例测区位于陕北鄂尔多斯盆地侏罗系煤田，工作面开采3-1煤层，煤层顶板直罗组砂岩含水层及煤层顶底板延安组砂岩含水层硬度较大，矿化度较高。

探测工作面里段1600 m探测范围内共探测出5处异常区标为4、5、6、7、8号异常区（图3）。

验证情况：

图3 工作面顶板上0～80 m层段音频电穿透成果图Figure 3 Audiofrequency electrical perspective results of sector 0～80m above working face roof

从表1异常区段疏放水钻孔统计表可以看出，水文异常地质体一般发育在工作面顶板岩层岩性粒度较粗（如中砂岩、粗砂岩）的地段，疏放水量的大小与音频电穿透异常强度、异常范围正相关。

表1 异常区段疏放水钻孔统计表Table 1 Statistics of drainage boreholes in abnormal sector

巷道的顶板破坏高度一般在60 m左右，以打钻距离150 m为布距，钻孔以扇形布置，则走向长2800 m的工作面需打钻190个左右。

采用音频电透视的方法，圈定工作面顶板的异常区，为打钻提供靶区，优化设计钻孔数为63个，最后工作面安全回采，大大减少了施工钻孔的个数，缩短了防治水工程工期，提高了经济效益[20]。

音频电透视主要探测工作面富水区的平面位置，其在纵向分辨率较差，在全空间条件下无法分辨异常体位于工作面顶板还是底板方位；当异常体的规模较小、富水性差异不明显时，其分辨率较低。未来应着重研究方向为：

1）在仪器方面，着重研究硬件提高信号的信噪比；

2）改进施工方式，利用已有巷道、钻孔等，尽可能的采集多的数据；

3）建立全空间的地球物理理论的体系，并开展三维全空间地球物理场的数值模拟和物理模拟，应用全空间的三维电阻率反演[21-25]。

3 结论

总体来看，矿井物探在近十年得到了很大发展和进步，在煤炭领域得到很多的认可和重视。然而其理论基础、解释精度，反演进展等方面亟待有所突破，从而需建立较为完备的科学体系，适应新的煤炭技术的实际需求。

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Applied Analysis for Some Mine Electrical Methods

Wang Cheng，Jiang Qiping
(Xi’an Research Institute,China Coal Technology and Engineering Group Corp,Xi’an,Shaanxi 710077)

The discussion and assessment of theoretical research bases for DC electric,TEM and audiofrequency electrical perspective methods widely used in domestic coalmine underground have been carried out.The contents have forward and conversion theory and data processing,interpretation method,and carried out analysis of the three methods status quo.Through examples introduced ad⁃vanced prospecting application of three methods in small coalmine underground roadways,water-bearing target bodies and water-rich layers.Finally,looked into the future of theoretical basis,interpretation accuracy and conversion of three methods,put forward sugges⁃tions on theoretical research and applied development orientation.

mine electric method;DC electric method;TEM;audiofrequency electrical perspective

P631.3

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.03.16

1674-1803(2017)03-0076-05

国家自然科学基金青年项目(51404295)；陕西省自然科学基金青年项目(2015JQ5185)；陕西省科技攻关项目(2015GY106)联合资助

王程（1986—），男，湖北荆州人，助理研究员，硕士，2011年于中国地质大学（武汉）毕业，主要从事地面和井下物探的理论和应用研究。

2016-12-22

责任编辑：孙常长