井下电磁法动态探测成像技术的应用

王坤

摘  要：通过开展水害及异常体地质参数研究、隐式时域三维有限差分实时成像技术研究、数值模型建模及隐蔽水害实时探测方法等实施井下突水预警多方位电磁法动态探测实时成像技术研究，并开展示范工程与应用，联合研发相关探查设备，达到实现煤岩水害地质异常体参数提取、隐式时域三维有限差分方法成像技术、数值地质模型，水害瞬变电磁法预警实时成像技术的目标。

关键词：电磁法;探测;成像

中图分类号：P631.2         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）06-0167-02

1 概况

在矿井防治水方面，当前面临的主要技术问题有两个方面，一是对水体的超前探查技术不完善，不能够较为准确地对地下水体的分布状态、数量等做出判断。二是对于断层与陷落柱等构造发育规律、老空区分布及其导水性规律研究深度不够。物探结果相互独立，对于地质异常的划分没有与其它方法、地质资料等手段结合，这需要在矿区长期开展探测工作。针对以上情况需要开展矿区水害及异常体地质参数研究，并采用三维有限差分数值算法建立矿区地质三维数字模型，研究电磁波传播的规律，分析充水采空区、导水陷落柱、充水断层等隐蔽水害与瞬变电磁响应的关系，并总结辨别依据。

2 方案设计

（1）矿区实际地质参数提取。瞬变电磁二次场衰减信号与被测区域实际地质参数紧密相关，准确提取被测区域地球物理电性参数、充分获取地层结构参数是精准分辨水害异常的关键。因此，需要通过现场踏勘，收集矿区地质资料，深入了解矿区水文地质类型;同时，提取矿区煤岩样品电性参数，为后期矿区三维数值建模、数据反演解释和异常判定提供原始參数。（2）矿区三维数值建模。由于各个矿区的地质参数不同，瞬变电磁二次场响应特征也大相径庭。为分析发射电流完全关断后，电磁波在皖北煤电下属矿区煤层、岩层中的传播规律，弄清皖北煤电充水采空区、陷落柱、断层的瞬变电磁探测二次场信号特征，需要结合皖北煤电地质参数，通过三维高精度无源隐式差分方程建立矿区三维地质数字模型，通过数值算法模拟在不同电磁波参数、不同地质参数、不同水害类型下的瞬变电磁二次场信号传播，分析异常响应规律，总结异常识别特征。（3）瞬变电磁动态成像仪研制。为提高对隐蔽水害探测的准确率和效率，需要提高探测仪器的性能：通过提高发射功率、缩短发射电流关键时间，提高二次场信号强度;通过压噪调理技术和低噪采样技术，实现二次场弱信号的提取;通过姿态角测量技术和高速CPU并行计算技术，实现隐蔽水害的视电阻率实时成像;结合皖北煤电地质参数，在解释软件中植入实际电性参数和异常特征识别模型，实现隐蔽水害的准确辨别。（4）皖北煤电隐蔽水害数值建模。为保证尽量降低盲区的同时，提高探测距离，采用全波型测量方法，在发射电流关断期间和完全关断后，均完全采集数据。最后通过全波型视电阻率解释，实现对前方地层实时成像。井下全空间全波形瞬变电磁测量，不仅能实现浅层地质体的探测，降低盲区，而且具有解释精度高，对低阻体具有高分辨率等优点。最初全波形解释主要用在航空瞬变电磁上。

综上所述，针对目前井下全空间瞬变电磁探测在理论计算和解释存在的不足，结合全波形探测的优势，在国内外阶跃波发射三维无源有限差分算法基础上，研究了井下任意波形发射全空间全波形时间域响应三维有限差分数值算法：结合矩形波无源三维有限差分算法，在Switch-off-time时段对发射电流进行场源离散，等效为若干小梯形脉冲元的和，并将小梯形脉冲元在时间上的电磁场转换成空间中初始电磁场，分时引入迭代方程中，逐渐将有源有限差分方程转化为无源有限差分方程。最后通过模型的数值计算，研究电磁波在矿区煤层、岩层中的传播规律，弄清充水采空区、陷落柱、断层的瞬变电磁探测二次场信号特征，分析响应规律，总结异常识别特征。

3 成像实验

3.1 成像方案设计

在恒源煤电股份有限公司煤矿深部井-940m回风主石门B12点前55.6m多方位电磁法动态探测实时成像实验，结合矿井的水文地质条件、矿井充水因素、水害特征，通过对-940m回风主石门B12点前55.6m进行瞬变电磁超前探测，初步查明探测前方100m范围内的富水区分布情况，以及3#、4#煤层顶底板砂岩层的富水情况，对掘进工作面前方可能出现的异常含水区域做出及时准确的超前预报，指导巷道安全掘进和防治水工作，达到防止和减少水害事故，保障煤矿安全、高效的生产，验证多方位电磁法动态探测实时成像技术的有效性和仪器的准确性。

3.2 现场布置

现场探测分水平和竖直探测，水平探测布置5个方向（顺层方向、偏顶板10°、偏底板10°、偏底板20°、偏底板30°），每个方向布置13个测点（间隔15°探测180°范围）。

3.3 探测成果分析

（1）水平方向顶板10°。方向现场采集数据经过数据编辑、滤波处理、视电阻率计算、时深转换等步骤，可得10°方向视电阻率等值线图。由图综合分析可知，探测区域视电阻率等值线变化平缓，除左帮和正前方远区处视电阻率值相对较高外，其他区域无明显的突变和低阻图异常区，推测顶板10°基本无水。

（2）水平方向顺层方向。现场采集数据经过数据编辑、滤波处理、视电阻率计算、时深转换等步骤，可得如图1顺层方向视电阻率等值线图。由图1综合分析可知，探测区域视电阻率等值线变化平缓，除左帮和正前方远区处视电阻率值相对较高外，其他区域无明显的突变和低阻异常区，推测顺层方向含水性弱或者不含水。

（3）水平方向底板10°方向。现场采集数据经过数据编辑、滤波处理、视电阻率计算、时深转换等步骤，可得如图2底板10°方向视电阻率等值线图。由图2综合分析可知，探测区域视电阻率等值线变化平缓，除左帮和正前方远区处视电阻率值相对较高外，其他区域无明显的突变和低阻异常区，推测底板10°方向含水性弱。

（4）水平方向底板20°方向。现场采集数据经过数据编辑、滤波处理、视电阻率计算、时深转换等步骤，可得如图3底板20°方向视电阻率等值线图。由图3综合分析可知，探测区域视电阻率等值线变化平缓，数据质量可靠，在右帮10°～15°方向，探测深度25～60m范围内，视电阻率呈现圈闭的低阻区域，推测底板20°方向含少量砂岩裂隙水。

（5）水平方向底板30°方向现场采集数据经过数据编辑、滤波处理、视电阻率计算、时深转换等步骤，可得如图4底板30°方向视电阻率等值线图。由图4综合分析可知，探测区域视电阻率等值线变化平缓，数据质量可靠，在右帮0°～15°方向，探测深度30～50m范围内，视电阻率呈现圈闭的低阻区域，推测底板30°方向含少量砂岩水。

4 结论及建议

根据井下现场物探成果图和地面数据处理视电阻率剖面图等资料，综合分析水平方向和垂直上探测成果图，可知：在顶板10°方向和顺层方向视电阻率整体变化平缓，无明显的低阻异常，推测顶板方向含水弱或者不含水。在底板10°～30°方向，探测深度25～60m范围，呈现圈闭的低阻异常，但视电阻率值大于30Ω·m，结合地质情况，推测底板10～30°方向含少量砂岩裂隙水。经过与地质资料和钻孔资料验证，与实际情况相符合，验证了方法和仪器的正确性。

参考文献：

[1]李貅，薛国强，郭文波.瞬变电磁法拟地震成像研究进展[J].地球物理学进展，2007，22（3）：811-816.