复杂地形小回线瞬变电磁法探测采空区试验研究.pdf
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1、156inelectromagnetic method in complex terrainJ.Safety in Coal Mines,2023,54(9):156-165.移动扫码阅读MU Yi,ZHANG Yongchao,QIU Hao,et al.Experimental study on goaf detection by small loop transient2023,54(9):156-165.牟义,张永回线变电磁法探测试验功.煤矿安全矿井地质与水害防治SafetyinCoal MinesSep.20232023年9 月煤砺发全No.9Vol.54第9 期第5 4 卷DOI:
2、10.13347/ki.mkaq.2023.09.021复杂地形小回线瞬变电磁法探测采空区试验研究牟义,张永超?,邱下浩,游超,李杰,徐东晶3(1.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院,北京1 0 0 0 1 3;2.中煤科工开采研究院有限公司,北京1 0 0 0 1 3;3.山东科技大学地球科学与工程学院,山东青岛2 6 6 5 9 0)摘要:千树塔井田由于地形起伏落差较大,地面大回线瞬变电磁法探测装置布置受限,为了查明该区域油气管道陕京二线下伏采空区分布范围,对小回线瞬变电磁法开展数值模拟和现场试验,分析其地面探测的可行性,并将优化参数应用到现场。结果表明:数值模拟确定3 mx3m小回线瞬变
3、电磁法可以有效探测超过2 0 0 m深度、采高超过1 m的采空区,对低阻值的充水采空区有更明显的效果;现场试验采用发射线框边长3 mx3m、叠加次数1 5 次、发射频率1 6 Hz、发射电流8 A等参数优化后的小回线瞬变电磁法可以达到有效探测目的,验证了数值模拟的正确性;在3 号煤层共圈定解释了5 个异常区,推断为采空区或烧变岩空隙,充分验证了小回线瞬变电磁法探测的可靠性。关键词:瞬变电磁法;采空区探测;小回线;数值模拟;现场试验中图分类号:TD163+.1文献标志码:B文章编号:1 0 0 3-4 9 6 X(2 0 2 3)0 9-0 1 5 6-1 0Experimental study
4、 on goaf detection by small loop transient electromagnetic method in complex terraMU Yil,ZHANG Yongchao*,QIU Hao,YOU Chao,LI Jie,XU Dongjing(1.Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;2.China Coal Technology andEngineering Group Coal Mining Research Institu
5、te,Beijing 100013,China;3.College of Earth Sciences and Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China)Abstract:Due to the large terrain fluctuation and drop in Qianshuta well field,the layout of the ground large loop transient electro-magnetic method detection device
6、 is limited.In order to find out the distribution range of goaf under the second Shanjing line of oiland gas pipeline in this area,numerical simulation and field test of small loop transient electromagnetic method were carried out toanalyze the feasibility of ground detection,and optimized parameter
7、s were applied to the field.The results show that the numericalsimulation confirms that the 3 mx3 m small loop transient electromagnetic method can effectively detect the goaf with a depth ofmore than 200 m and a mining height of more than 1 m,and has a more obvious effect on the water-filled goaf w
8、ith low resistance;the field test adopts the small loop transient electromagnetic method with optimized parameters such as the length of the transmittingwire frame 3 mx3 m,the number of stacking times of 15,the transmitting frequency of 16 Hz,and more than 8 A transmitting cur-rent,which can achieve
9、 the purpose of effective detection and verify the correctness of the numerical simulation;a total of 5 abnor-mal areas were delineated and explained in the No.3 coal seam,which were inferred to be gobs or burned rock voids.The reliability收稿日期:2 0 2 2-0 8-0 8责任编辑:陈洋基金项目:中国煤炭科工集团有限公司科技创新创业资金专项资助项目(2
10、0 1 9-2-ZD005);国家自然科学基金资助项目(5 2 1 0 4 1 9 6)作者简介:牟义(1 9 8 3),男,山东日照人,研究员,硕士,从事矿山灾害勘查与防治技术研究与应用工作。E-mail:6 1 6 7 3 2 7 5 q q.c o m157SafetyinCoal MinesSep.20232023年9 月煤玩岁全No.9Vol.54第5 4 卷第9 期of the small loop transient electromagnetic detection method is fully verified.Key words:transient electromagn
11、etic method;gob detection;small loop;numerical simulation;field test大定源回线和中心回线等大回线发射装置作为主要的地面瞬变电磁法探测装置,研究、应用均较为成熟,井下瞬变电磁法由于井下空间的限制,采用重叠回线或偶极回线等小回线发射装置作为主要的井下探测装置,在掘进迎头超前探测和回采工作面区域探测研究、应用较为广泛,成为井下探测采空区、含水体的主要物探手段。但由于地面地形等一些特殊条件的限制,部分区域大回线地面瞬变电磁法现场布置受到限制,因此,部分学者将井下小回线瞬变电磁法引人到地面上,进行了初步研究。徐正玉等!I采用非线性粒子群
12、优化算法进行反演计算,验证小回线瞬变电磁法方法有效性和准确性,并以重庆大学校园防空洞和某城中村地表塌陷地质灾害勘查为例,开展小回线瞬变电磁法实验研究,取得较好的效果;连晨光等2 分别计算了瞬变电磁法线圈边长为1 5 m时相应的自感、互感值及其相对误差,并分析了各种计算公式的适用性,给出了合适的小回线电感计算公式;韦乖强等3 通过小线框瞬变电磁法在贵州某矿开展的探测实践及对比分析研究,证实小线框瞬变电磁法在地形复杂、构造发育、噪声干扰严重的地区开展勘查工作具有绝对优势;齐朝华等4 以内蒙古某煤矿水文勘探为例,分别进行大定源回线装置和重叠回线装置试验,对比2个装置对含水异常的响应特征,多匝小线框重
13、叠回线装置相比大定源回线装置占地面积小,体积效应小,异常特征更明显。通过以上研究可以看出,专家们从理论计算、反演算法、现场试验对比等方面初步开展了小回线瞬变电磁法在地面开展的可行性,但从数值模拟、现场试验综合分析可行性及采空区探测应用方面均研究较少。为此,在前人研究基础上,开展数值模拟、现场试验,综合研究分析小回线瞬变电磁法可行性,并进行现场应用。1试验区概况试验区位于千树塔井田,地表全部被新生界松散沉积物覆盖,主要有第四系全新统风积沙、现代冲洪积层、中更新统离石组,新近系上新统静乐组等,钻孔揭露的地层还有:侏罗系中统直罗组、延安组,下统富县组。井田内侏罗系中统延安组(J2y)的3、4、6、9
14、 号煤层为区内可采煤层,3号煤层本次研究的主要目的层,该煤层在井田内除东南部自燃外,全区可采,煤层厚度变化在9.7511.21m之间,平均1 0.6 1 m,由东南向西北增大,变化规律明显。3 号煤层埋深1 4 7.4 3 271.25m,一般2 0 0 2 6 0 m,底板标高变化在1 0 8 2 1120m之间。煤层结构简单,无夹研。煤层直接顶板以泥岩为主,粉砂质泥岩、粉砂岩次之,少量粉砂岩、中粒长石砂岩;底板以泥岩、粉砂质泥岩为主,粉砂岩、泥质粉砂岩次之。煤层与其顶底板均为明显接触。井田东南部由于3 号煤层自燃,其顶板烧变岩垮塌,造成岩石破碎,节理、裂隙发育,结构松散,形成火烧岩区孔洞裂
15、隙水,成为地下水的良好通道和水源。原小煤窑开采3号煤,形成了分布不清的小窑采空区,形成的垮落带及导水断裂带,可能沟通冒裂带内的不同基岩含水层使地下水直接进入矿坑,也会对地表陕京二线管线造成安全隐患。为了查清采空区分布情况,为后续治理提供依据,需要采用瞬变电磁法进行地面物探。而由于地形起伏较大,存在断崖,落差较大,原有的瞬变电磁法大定源回线和中心回线等大发射线圈无法布置,而小发射线圈在井下探测中经常用到,因此,本次将井下小回线用于地面复杂地形区域进行试验,确定试验参数,对3 号煤采空区进行探测。2瞬变电磁法小回线可行性数值模拟本次进行一维层状介质瞬变电磁正演,适用于相关的理论研究、工程设计等领域
16、。软件首先采用汉克尔变换求得层状介质的电偶源频率域响应,然后采用余弦变换得到电偶源的时间域响应,最后采用高斯一勒让德积分将电偶源耦合为回线源,最终得到层状介质的定源(中心)回线瞬变电磁响应5-6 。软件支持并行计算,同时能实现斜阶跃关断效应的计算,具有计算速度快、结果精度高等特点。根据试验区的地层和电性特征建立数值模型,模型对应地层从上往下简化为6 层,数值模型参数见表1。主要针对发射线圈尺寸、采空区电阻率、采高和关断时间等参数进行数值模拟,主要数值模拟方案如下:发射线圈尺寸:固定采空区电阻158HliclualucuyctmgSafetyinCoal MinesSep.20232023年9
17、月No.9煤砺发全Vol.54第9 期第5 4 卷表1 楼数值模型参数Table1Numerical model parameters序号岩性特征厚度/m视电阻率/(Q:m)1第四系50502新近系10010033煤上方侏罗系5020043煤1050053煤下方侏罗系1502006侏罗系下方其他地层200500率1 0 Q2m、采高1 0 m、关断时间1 1 0-5 s,发射线圈尺寸分别为2 m2m、3 m x 3 m、5 m 5 m、10 m10 m、5 0 m x 5 0 m、1 0 0 m 1 0 0 m、2 0 0 m x200m、5 0 0 m 5 0 0 m 等8 个值;采空区电阻
18、率:固定发射线圈尺寸3 mx3m、采高1 0 m、关断时间1 1 0 5 s,采空区电阻率分别为2、5、1 0、2 0、50、1 0 0、2 0 0、5 0 0 Q m 等8 个值;采高:固定发射线圈尺寸3 mx3m、采空区电阻率1 0 Qm、关断时间1 1 0-5 s,采高分别为1、2、3、5、7、10、1 5、2 0 m 等8 个值;关断时间:固定发射线圈尺寸3 mx3m、采空区电阻率1 0 Qm、采高10m,关断时间分别为1 1 0-7、1 1 0 、1 1 0-5、110-4、1 1 0-3、1 1 0-、1 1 0-l、1 1 0-s 等8 个值7-8 发射线圈尺寸、采空区电阻率、采
19、高和关断时间等参数数值模拟的归一化电压衰减曲线分别如图1 图4。10-2不同发射框尺寸2mx2m10-43 mx3 m5mx5m10mx10m10-650mx50m(-VA)/一100mx100m10-8200mx200m500mx500m10-1010-1210-1410-1610-1810-2010-610-510-410-310-210-1100时间/s图1不同发射线框尺寸衰减曲线Fig.1Attenuation curves of differentemission wireframe sizes10-4采空区不同视电阻率22:m10-652m102:m202m10-8(-V)/田50
20、Q:m100 Q2m10-10200.Q2m500Q2:m10-1210-14一10-1610-1810-2010-610-510-410-310-210-1100时间/s图2 不同采空区视电阻率衰减曲线Fig.2Apparentresistivitydecay curves of different goafs10-410-5不同采高1m2m10-73m5m7m10-910m15m20m10-11LL10-1310-1510-1710-19J10610-510-410-3 10-210-1100时间/s图3不同采高衰减曲线10-310-4不同关断时间10-7S10610-610-5S(-V)
21、/审一10-410-8S10-3S102S10-1010-1S10%s10-1210-1410-1610-1810-20LLLLL10-610-510-410-310-210-1100时间/s图4 不同关断时间衰减曲线Fig.4Attenuation curves of different off-time159SafetyinCoal MinesSep.20232023年9 月No.9Vol.54煤码发全第9 期第5 4 卷1)发射线圈。由图1 可以看出,随着发射线圈尺寸的增大,整体归一化电压不断增大,早期场受一次场影响时间也越来越长,晚期场受干扰影响越来越小,曲线越来越平滑,可以看出2 m
22、x2m线框尺寸衰减时间 1 s,因此,衰减时间 0.1 s的线框尺寸均满足探测要求,考虑到现场地形影响,因此,线框尺寸选取3 mx3m。2)采空区电阻率。由图2 可以看出,选用3mx3m发射线圈,针对埋深超过2 0 0 m的不同电阻率采空区均有明显的电性差异,随着采空区电阻率的增大,整体归一化电压逐渐降低,特别是对低阻采空区响应特征更明显,说明线框尺寸为3m3m的小回线可以有效探测目标层位深度。3)采高。由图3 可以看出,选用3 mx3m小发射线圈,对不同采高的采空区也有明显电性特征区别,随着采高的不断增大,归一化电压也不断增大,说明3 mx3m小发射线圈可以分辨大于1m的采空区,采高越大,分
23、辨特征越明显。4)关断时间。由图4 可以看出,针对3 mx3m小发射线圈,不同关断时间观测到二次场归一化电压也不一样,关断时间越短,观测到的整体归一化电压值也越大,关断时间 1 1 0-s,归一化电压值增大趋势变缓,基本稳定,说明3 mx3m小发射线圈选取小于1 1 0-s的关断时间,可以观测到稳定的二次场衰减曲线。根据数值模拟结果,结合仪器装备性能,选用3 mx3m小发射线圈可以有效探测超过2 0 0 m深度、采高超过1 m的采空区,针对充水采空区导致电阻率降低的采空区有更明显的效果,设置关断时间 1 1 0-s时,在有效观测时间0.0 0 1 0.01s区间均出现明显的采空区反应。因此,通
24、过数值模拟,可以确定小回线用于地面探测是可行的。3瞬变电磁法参数优化试验试验线选择在已知采空区地段,位于测区西北部,跨过1 3 3 0 2 工作面,测线长度4 0 0 m,点号1 2 7,完成物理点2 7 个。由西向东布设,1号 1 2 号点为已知采空区地段,2 1 号点为QH1钻孔。试验点选择在试验线2 1 号点,进行参数试验。试验线及试验点位置如图5。GD713302工作面回风顺槽13302工作面HT10.08GD5GD6109.69GD4GD3GD2天然气管线及测量点GD2图例3号煤层未完全燃烧边界线弃点井田边界3号煤层完全燃烧边界线GDI试验线QH3物探范围1.98以往施工钻孔位置11
25、22.04图5测区及试验线布置图Fig.5Relativepositiondiagram of test line3.1发射框尺寸发射线框边长会直接影响勘探深度,在相同频率下,线框边长越大,探测深度越深9-1 0 。为了满足深度要求,选用了2 m2m、3 m x 3 m、5m5m3种发射线框进行试验,以达到最理想的试验效果。2 m2m、3 m x 3 m、5 m 5 m 发射线框试验图分别如图6 图8。由图6 图8 可见:在相同参数,发射频率8Hz、电流8 A情况下,2 m2m探测深度能达到220m,3 m x 3 m 探测深度能达到3 3 0 m,5 m 5m探测深度能达到5 6 0 m;2
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