井下電磁法動態探測成像技術的應用

王坤

摘? 要：通過開展水害及異常體地質參數研究、隱式時域三維有限差分實時成像技術研究、數值模型建模及隱蔽水害實時探測方法等實施井下突水預警多方位電磁法動態探測實時成像技術研究，并開展示范工程與應用，聯合研發相關探查設備，達到實現煤巖水害地質異常體參數提取、隱式時域三維有限差分方法成像技術、數值地質模型，水害瞬變電磁法預警實時成像技術的目標。

關鍵詞：電磁法;探測;成像

中圖分類號：P631.2? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）06-0167-02

1 概況

在礦井防治水方面，當前面臨的主要技術問題有兩個方面，一是對水體的超前探查技術不完善，不能夠較為準確地對地下水體的分布狀態、數量等做出判斷。二是對于斷層與陷落柱等構造發育規律、老空區分布及其導水性規律研究深度不夠。物探結果相互獨立，對于地質異常的劃分沒有與其它方法、地質資料等手段結合，這需要在礦區長期開展探測工作。針對以上情況需要開展礦區水害及異常體地質參數研究，并采用三維有限差分數值算法建立礦區地質三維數字模型，研究電磁波傳播的規律，分析充水采空區、導水陷落柱、充水斷層等隱蔽水害與瞬變電磁響應的關系，并總結辨別依據。

2 方案設計

（1）礦區實際地質參數提取。瞬變電磁二次場衰減信號與被測區域實際地質參數緊密相關，準確提取被測區域地球物理電性參數、充分獲取地層結構參數是精準分辨水害異常的關鍵。因此，需要通過現場踏勘，收集礦區地質資料，深入了解礦區水文地質類型;同時，提取礦區煤巖樣品電性參數，為后期礦區三維數值建模、數據反演解釋和異常判定提供原始參數。（2）礦區三維數值建模。由于各個礦區的地質參數不同，瞬變電磁二次場響應特征也大相徑庭。為分析發射電流完全關斷后，電磁波在皖北煤電下屬礦區煤層、巖層中的傳播規律，弄清皖北煤電充水采空區、陷落柱、斷層的瞬變電磁探測二次場信號特征，需要結合皖北煤電地質參數，通過三維高精度無源隱式差分方程建立礦區三維地質數字模型，通過數值算法模擬在不同電磁波參數、不同地質參數、不同水害類型下的瞬變電磁二次場信號傳播，分析異常響應規律，總結異常識別特征。（3）瞬變電磁動態成像儀研制。為提高對隱蔽水害探測的準確率和效率，需要提高探測儀器的性能：通過提高發射功率、縮短發射電流關鍵時間，提高二次場信號強度;通過壓噪調理技術和低噪采樣技術，實現二次場弱信號的提取;通過姿態角測量技術和高速CPU并行計算技術，實現隱蔽水害的視電阻率實時成像;結合皖北煤電地質參數，在解釋軟件中植入實際電性參數和異常特征識別模型，實現隱蔽水害的準確辨別。（4）皖北煤電隱蔽水害數值建模。為保證盡量降低盲區的同時，提高探測距離，采用全波型測量方法，在發射電流關斷期間和完全關斷后，均完全采集數據。最后通過全波型視電阻率解釋，實現對前方地層實時成像。井下全空間全波形瞬變電磁測量，不僅能實現淺層地質體的探測，降低盲區，而且具有解釋精度高，對低阻體具有高分辨率等優點。最初全波形解釋主要用在航空瞬變電磁上。

綜上所述，針對目前井下全空間瞬變電磁探測在理論計算和解釋存在的不足，結合全波形探測的優勢，在國內外階躍波發射三維無源有限差分算法基礎上，研究了井下任意波形發射全空間全波形時間域響應三維有限差分數值算法：結合矩形波無源三維有限差分算法，在Switch-off-time時段對發射電流進行場源離散，等效為若干小梯形脈沖元的和，并將小梯形脈沖元在時間上的電磁場轉換成空間中初始電磁場，分時引入迭代方程中，逐漸將有源有限差分方程轉化為無源有限差分方程。最后通過模型的數值計算，研究電磁波在礦區煤層、巖層中的傳播規律，弄清充水采空區、陷落柱、斷層的瞬變電磁探測二次場信號特征，分析響應規律，總結異常識別特征。

3 成像實驗

3.1 成像方案設計

在恒源煤電股份有限公司煤礦深部井-940m回風主石門B12點前55.6m多方位電磁法動態探測實時成像實驗，結合礦井的水文地質條件、礦井充水因素、水害特征，通過對-940m回風主石門B12點前55.6m進行瞬變電磁超前探測，初步查明探測前方100m范圍內的富水區分布情況，以及3#、4#煤層頂底板砂巖層的富水情況，對掘進工作面前方可能出現的異常含水區域做出及時準確的超前預報，指導巷道安全掘進和防治水工作，達到防止和減少水害事故，保障煤礦安全、高效的生產，驗證多方位電磁法動態探測實時成像技術的有效性和儀器的準確性。

3.2 現場布置

現場探測分水平和豎直探測，水平探測布置5個方向（順層方向、偏頂板10°、偏底板10°、偏底板20°、偏底板30°），每個方向布置13個測點（間隔15°探測180°范圍）。

3.3 探測成果分析

（1）水平方向頂板10°。方向現場采集數據經過數據編輯、濾波處理、視電阻率計算、時深轉換等步驟，可得10°方向視電阻率等值線圖。由圖綜合分析可知，探測區域視電阻率等值線變化平緩，除左幫和正前方遠區處視電阻率值相對較高外，其他區域無明顯的突變和低阻圖異常區，推測頂板10°基本無水。

（2）水平方向順層方向。現場采集數據經過數據編輯、濾波處理、視電阻率計算、時深轉換等步驟，可得如圖1順層方向視電阻率等值線圖。由圖1綜合分析可知，探測區域視電阻率等值線變化平緩，除左幫和正前方遠區處視電阻率值相對較高外，其他區域無明顯的突變和低阻異常區，推測順層方向含水性弱或者不含水。

（3）水平方向底板10°方向。現場采集數據經過數據編輯、濾波處理、視電阻率計算、時深轉換等步驟，可得如圖2底板10°方向視電阻率等值線圖。由圖2綜合分析可知，探測區域視電阻率等值線變化平緩，除左幫和正前方遠區處視電阻率值相對較高外，其他區域無明顯的突變和低阻異常區，推測底板10°方向含水性弱。

（4）水平方向底板20°方向。現場采集數據經過數據編輯、濾波處理、視電阻率計算、時深轉換等步驟，可得如圖3底板20°方向視電阻率等值線圖。由圖3綜合分析可知，探測區域視電阻率等值線變化平緩，數據質量可靠，在右幫10°～15°方向，探測深度25～60m范圍內，視電阻率呈現圈閉的低阻區域，推測底板20°方向含少量砂巖裂隙水。

（5）水平方向底板30°方向現場采集數據經過數據編輯、濾波處理、視電阻率計算、時深轉換等步驟，可得如圖4底板30°方向視電阻率等值線圖。由圖4綜合分析可知，探測區域視電阻率等值線變化平緩，數據質量可靠，在右幫0°～15°方向，探測深度30～50m范圍內，視電阻率呈現圈閉的低阻區域，推測底板30°方向含少量砂巖水。

4 結論及建議

根據井下現場物探成果圖和地面數據處理視電阻率剖面圖等資料，綜合分析水平方向和垂直上探測成果圖，可知：在頂板10°方向和順層方向視電阻率整體變化平緩，無明顯的低阻異常，推測頂板方向含水弱或者不含水。在底板10°～30°方向，探測深度25～60m范圍，呈現圈閉的低阻異常，但視電阻率值大于30Ω·m，結合地質情況，推測底板10～30°方向含少量砂巖裂隙水。經過與地質資料和鉆孔資料驗證，與實際情況相符合，驗證了方法和儀器的正確性。

參考文獻：

[1]李貅，薛國強，郭文波.瞬變電磁法擬地震成像研究進展[J].地球物理學進展，2007，22（3）：811-816.