巷道瞬变电磁超前探测波场成像技术

邱 浩，牟 义，廉玉广

(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；4.山西晋煤集团技术研究院有限责任公司，山西 晋城 048006)

0 引言

近年来，由于我国资源整合矿井不规范生产、资料缺失等历史遗留问题，导致煤矿在安全生产问题较为。以采空区、构造、含水层、导水通道等含水异常体为代表，其在资源整合矿分布情况复杂，含水异常体水源和透水方式决定了其具有很强的致灾性[1]。2018年9月1日起实行的《煤矿防治水细则》针对煤矿水害的探查、评价和防治制定了多项条文，充分体现了其对煤矿安全生产的威胁程度之大。目前，井下物探多采用瞬变电磁法、直流电法、音频电穿透法探测含水异常体分布情况[2-7]。特别是在巷道掘进超前探测方面，矿井瞬变电磁法因其对低阻体反应敏感、多匝小回线装置轻便高效的优点，成为最常用的巷道掘进超前探测含水异常体的方法之一，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[8-10]，但矿井瞬变电磁法受体积效应影响较大，对于含水异常体的电性界面，特别是巷道掘进前方含水异常体的富水边界分辨能力不足，严重降低了水害的探测预警效果。近年来发展的波场变换与合成孔径等高精度解译成像技术，为提高矿井瞬变电磁法对含水异常体探测的分辨率提供了新的思路，由此可见，开展巷道瞬变电磁超前探测波场成像技术研究，对于提高矿井水害探测预警的准确性具有重要的实际意义。笔者针对煤矿井下巷道掘进超前探测方法特点，采用波场变换数值计算与成像技术进行数据处理，显著提高了方法的纵向分辨率，确定了巷道掘进前方含水异常体的富水边界，并以此指导某矿3201回风巷超前探测工作，为巷道掘进前方水害防治工作提供依据。

1 全空间波场变换

瞬变电磁场分量与其相对应的波场之间的数学积分形式为[11,12]：

(1)

将(1)式的积分方程离散化，写成矩阵形式：

AU=P

(2)

U=(u1,…,uj,…,un)T,P=(p1,…,pj,…,pm)T

(3)

式(3)中，U为离散化的转换波场虚拟子波，P为离散化的瞬变电磁场，(2)式中A为m×n阶矩阵，求解(2)式，即可完成瞬变电磁扩散场到波动场的转换，矩阵方程(2)式中的系数矩阵A具有不适定性，可采用正则化、矩阵分解等方法求解。在矿井瞬变电磁探测方法中，P通过仪器数据采集预处理测得，U则可以通过(2)式求解，完成波场变换后，采用反褶积对转换波场数据进行处理，得到单位测点压缩后的虚拟波场值，再进行波场时深转换与成像[13]。

U(r,q)则可以通过(2)式求解。完成波场变换后，采用反褶积等地震数据处理方法对转换波场数据进行处理，得到单位测点压缩后的虚拟波场值，此时，各个测点的波场信号可等效于地震测点自激自收的波形数据，再进行波场时深转换，利用全空间视电阻率值计算方法进行全空间波场成像数值计算。

2 巷道超前探测波场成像方法

在井下瞬变电磁超前探测工作中，经过场变换及波场数据处理，根据地面瞬变电磁合成孔径思想，将井下超前探测各个测点角度信号值等效为小孔径，对其各个角度的小孔径信号进行相关合成，其合成孔径成像公式为：

(4)

M为起始探测点方向编号，M+2N为终止探测测点方向编号，l指单一方向测点重复探测次数，U(ri,tk)U(ri,tj)为Xi测点即ri探测方向测点第k次测量时的波场值，τijkτijk为权系数Wik取极值时的时移量，Wik为相关系数，如下式所示：

(5)

图1为超前探测示意图，在井下巷道掘进超前探测中，各个探测测点方向上波场变换信号间的相关程度可通过相关系数来衡量，相关系数与相关性评价如表1所示，相关系数介于1至-1之间，其绝对值越大，相关性越强，反之则相关性越弱[14]。

图1 超前探测波场成像方法示意Figure 1 A schematic diagram of advanced prospecting wave field imaging

表1 相关系数与相关性评价表

3 应用实例

3.1 工程概况

为了查明某矿3201巷道140m处掘进前方可能存在的含水异常体及其富水边界，采用矿井瞬变电磁法进行超前探测，并采用波场成像技术进行数据处理，综合分析含水异常体及富水边界，为巷道安全掘进提供指导。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，巷道线圈布置与探测方向示意图见图2，探测线圈法线方向即为探测方向，在巷道掘进前方布置0°～180°共计14个方向的测点，从左侧180°方向至右侧0°方向对应1-14号测点。

图2 巷道线圈布置与探测方向示意图Figure 2 Roadway loop layout and prospecting direction sketch

3.2 成果分析

图3为3201巷超前探测视电阻率等值线断面图，由传统视电阻率等值线断面图可知，在巷道掘进前方85°～135°方向，对应4-9号测点探测方向，深度30～50m范围出现1处低阻异常区域，区域呈现低阻特征，由浅部向深部扩张，由于体积效应，图3中30～50m位置低阻区域边界不能解释为巷道掘进前方含水异常体分布的实际边界；

图3 3201巷超前探测视电阻率等值线断面图Figure 3 Roadway 3201 advanced prospecting apparent resistivity isoline section

经过波场变换及波场数据处理，得到各个不同方向测点的超前探测波场信号，对相邻测点进行相关分析，得到表2，不同探测方向相邻测点波场信号相关系数与相关性列表，由表2可知， 4-5号测点之间信号相关性为中，1-4号、10-13号相邻测点之间相关性为强，6-10号、13-14号相邻测点之间相关性为极强，根据相关分析结果，对探测结果进行相关合成与成像，结果如图4所示。

图4 3201巷超前探测波场成像Figure 4 Roadway 3201 advanced prospecting wave field imaging

在图4 3201巷超前探测波场成像图中，同地震数据解释方法类似，5-10号测点深度35～45m、70～90m可发现两个较为明显的电性界面，见矩形区域，其中在42、80m处波场曲线振幅相对较强，不同测点波场曲线振幅位置存在少许差异，连续且振幅较强的波场曲线同相轴可解释为巷道富水区域的实际边界， 图4中以红色实线圈定位置刻画了推断的含水异常体富水电性界面，与图3中低阻异常区域对应的5-8号方向测点出现的低阻异常区域对应， 推断该位置为巷道掘进前方含水异常体实际边界， 经钻探验证，在巷道掘进前方105°方向(6号测点)水平布置钻孔，在孔深40m处出水，出水量7m3/h，钻探结果表明波场曲线振幅较强位置深度同含水异常体边界位置对应较好，含水异常体边界深度位置同超前探测波场成像结果更为吻合。

表2 3201巷超前不同探测方向相邻测点波场信号相关系数与相关性列表

4 结论

本文基于矿井瞬变电磁超前探测方法，采用矿井超前探测波场变换数值计算与成像技术进行处理，确定了某矿3201巷道掘进前方的含水异常体分布及其富水边界位置，主要结论如下。

①同传统全空间数据处理视电阻率结果相比，瞬变电磁超前探测波场成像技术能够确定含水异常体富水边界具体位置。

②波场曲线幅值同含水异常体出水位置对应较好，含水异常体边界位置同超前探测波场成像结果更为吻合，巷道瞬变电磁超前探测波场成像技术可应用于巷道掘进前方含水异常体富水边界的探测工作。