矿井老空水超前探测瞬变电磁响应特征

2020-09-09袁永榜易洪春鲜鹏辉

矿业安全与环保 2020年4期

袁永榜，易洪春，鲜鹏辉

(中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039)

我国大部分煤矿开采地质条件复杂，资源整合煤矿多，极难查清煤矿老空区的分布情况，一旦老空区充水，在采掘活动影响下极易发生透水事故，严重威胁煤矿安全开采[1-4]。在老空水探查的诸多物探手段中，矿井瞬变电磁法因其具有对水敏感、方向性好、施工便捷等优点而被广泛应用[5-7]。研究矿井老空水的瞬变电磁全空间响应特征对提升成果解释准确性方面意义重大。岳建华[8-9]、于景邨[10]、杨海燕[11]、姜志海[12]、常江浩[13]等对矿井瞬变电磁场的分布规律进行了研究，系统研究了全空间效应、巷道影响、线圈影响、关断时间等问题，提出了全空间瞬变电磁视电阻率解释方法;程久龙等[14]通过三维正演模拟研究了不同主轴各向异性介质对瞬变电磁场的影响特征;刘亚军等[15]实现了基于有限体积法的TEM任意各向异性的三维正演。笔者基于煤矿井下掘进巷道应用瞬变电磁法超前探查老空水的实际情况，采用非均匀网格剖分方法，开展井下全空间条件下三维时域有限差分模拟，观察含煤地层中电磁场的传播规律和不同位置老空水的瞬变电磁场响应特征，结合实例为瞬变电磁超前探测巷道前方的老空水的成果解译提供理论参考。

1 电磁场时域有限差分正演原理

在无源、均匀、各向同性、非磁性介质中，在准静态近似下Maxwell方程组的微分形式为[16-17]：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：E(r,t)为电场强度，V/m；H(r,t)为磁场强度；A/m;σ(r)为介质电导率，S/m；μ为介质磁导率，H/m。

将公式(1)两边取旋度，代入公式(2)和公式(3)中，利用矢量恒等式：××H=·H-2H经化简得到磁场扩散方程[18]：

(5)

在直角坐标系中求解，需要对求解的区域进行非均匀网格剖分，将无限大区域空间连续的磁场转化求解各个小长方体离散节点的场强值[19]。对公式(5)两边取体积分有[20]：

(6)

利用Gauss公式对公式(6)左边进行体积分，并用中心差分近似代替磁场对时间、空间的偏导。以小长方体各面中心点电导率近似替代该面的电导率，得三维有限差分方程[20]:

(7)

由于计算机模拟有限空间时，截断边界会对计算结果产生影响，需采用合适的边界条件进行消除，这里采用适合瞬变电磁场计算的CPML(卷积完全匹配层)边界进行求解。

2 老空水瞬变电磁场响应特征分析

2.1 模型设计

在地下层状介质空间中，巷道截面设计为6 m×6 m，电阻率为104Ω·m，煤层厚度为10 m，煤层电阻率为100 Ω·m，顶板电阻率为50 Ω·m，底板电阻率为150 Ω·m。用一个三维低阻体来模拟老空水，掘进工作面前方存在老空水(编号为A、B、C)电阻率设为1 Ω·m，模型规格均设为20 m×20 m×10 m。其中，老空水A位于掘进端头正前方30 m处，B位于掘进端头前方20 m、偏左帮20 m处，C位于掘进端头前方40 m、偏右帮20 m处。回线源法线方向正对老空水A的中心。不同位置老空水的模型示意图如图1所示。

图1 不同位置老空水的模型示意图

2.2 同一位置老空水不同磁场分量等值线分布特征

当t=1 400 μs，老空水A位于掘进端头正前方时，在z=0平面，分别计算x、y、z3个方向的磁场强度Hx、Hy、Hz，得到3个方向上的等值线分布图，如图2 所示。

(a)Hx等值线 (b)Hy等值线

在图2中，3个磁场分量Hx值放大108倍，Hy放大1012倍，Hz放大1010倍。可见，Hx的异常响应量级最强，Hz次之，Hy最弱。从响应幅度来看：Hx响应幅度较大，且较规律；Hy响应幅度大，但规律性差，不利于数据解释；Hz幅度最小。因此，在实际探测中，测量Hx分量(即观测线框平面法线方向)信号响应更强，更有利于数据处理与解释。

2.3 同一位置老空水不同时刻磁场响应特征

老空水A的不同时刻磁场x方向分量的等值线分布图见图3。由图3可见，在初始时刻，磁场主要分布于激发回线源周围，电磁场随时间的推移向周围介质扩散。当扩散至低阻体(老空水)后，受其感应影响，磁场等值线在低阻体的边缘开始发生畸变，附近磁场等值线变密，磁场在低阻体内部形成“烟圈”，低阻体相当于一个“二次源”向周围空间辐射电磁场。随着时间的推移，磁场等值线又逐渐变稀疏，梯度变大，场强值变小，说明电磁场强度随时间逐渐衰减。

单位：A/m

2.4 同一时刻不同位置老空水磁场响应特征

当t=1 400 μs，区域内无老空水和老空水分别位于A、B、C位置时，磁场x方向分量的等值线分布图，如图4所示。由图4(a)可知，当无老空水存在时，磁场等值线分布均匀，扩散至1 400 μs时刻磁场等值线未发生畸变。由图4(b)可知，老空水A的磁场等值线畸变区域为x方向正前方30～50 m，y方向为-10～10 m，区域大小约20 m×20 m，其畸变区域的大小、位置与模型设计基本相符。同样，当老空水位于B处和 C处时，磁场x分量等值线畸变范围的大小、位置与模型对应关系良好，分别见图4(c)、图4(d)。

单位：A/m

不同位置老空水的视电阻率随时间变化曲线如图5所示。可以看出，4条响应曲线在0.01 ms前首支完全重合，老空水B的视电阻率曲线最早与不含老空水的曲线分离；老空水A的视电阻率曲线与无老空水的曲线分离幅度最大，位于激发源的法线方向上，异常耦合最佳，响应最强。相比老空水C来说，老空水B距离激发源较近，其低阻响应更为明显。

图5 不同位置老空水视电阻率随时间变化曲线

综合分析图4和图5可知：若老空水相对发射源的距离和方位不同，则其磁场响应特征不同，显示为距离发射源越近的异常响应时间越早，法线方向的磁场分量对异常响应更明显。因此，在探测巷道端头前方含水异常体的方向和位置时，综合多方位的探测成果进行地质解释，对准确定位老空水异常的空间分布情况有重要意义。在每个探测方向采用扇形探测方法布置测点，得到扇形的视电阻率等值线断面图，有利于解释出异常体的方位和范围。

3 应用实例

山西官地矿23511工作面掘进巷道沿3#煤层布置，距2#煤层底板平均5 m，煤层厚度平均3.0m，煤层倾角平均4°。顶板为泥岩、细砂岩及砂质泥岩互层，底板为泥岩。工作面整体为褶皱构造，3#煤层上覆砂岩层富水性较弱。据2#煤层采掘资料，该巷道预计揭露正断层4条，其中断距大于1 m的2条，均不存在导水现象；工作面内存在1个不导水陷落柱，预计对巷道掘进无影响。巷道上部存在2#煤层老空区，积水情况不明。为保障巷道的安全掘进，需提前查明工作面前方100 m范围内的富含水情况。

根据探测任务设计了偏顶板5°和顺煤层2个探测方向，每个方向从13个角度扫描测点，角度间隔15°，控制掘进工作面前方偏左帮90°～右帮90°范围，测点布置示意图见图6。采用YCS1024矿用本安型瞬变电磁仪，发射/接收天线为边长1.5 m的正方形重叠回线装置，发射频率为25 Hz，发射电流为4.47 A，叠加次数为64次。

1—瞬变电磁天线；2—掘进工作面；3—测线方向；4—巷道顶板；5—巷道底板；6—左侧帮；7—右侧帮；8—测点角度；9—观测点。

对数据进行处理、成像后得到2个方向的瞬变电磁探测视电阻率拟断面图如图7所示。由图7可知，在探测位置前方30～90 m、左帮10～80 m范围视电阻率值相对正前方及右帮区域明显偏低，且偏顶板5°方向为明显的视电阻率等值线低阻“圈闭”异常，结合水文地质资料解释此区域为2#煤层老空富水区造成的低阻异常区。经矿方钻探验证为上覆2#煤层的老空积水区，出水点位于掘进端头前方33 m处顶板上方4.5 m位置，积水范围自巷道至左侧帮75 m，出水量约4 m3/h，采取防治水措施后安全掘过了此区域。这与探测结果较为一致，圈定的异常范围相比实际的老空积水区稍微偏大，由于煤层间距小，顺煤层方向异常响应与顶板方向类似，分析其原因均为瞬变电磁本身的“体积效应”影响所致。