邱 浩

（1.煤炭科學技術研究院有限公司安全分院，北京100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室（煤炭科學研究總院），北京，100013；3.北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京100013）

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地質與勘測

基于參數優(yōu)化試驗的工作面空巷探測技術研究

邱 浩1，2，3

（1.煤炭科學技術研究院有限公司安全分院，北京100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室（煤炭科學研究總院），北京，100013；3.北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京100013）

煤礦老舊空巷引起的水害是國內資源整合礦區(qū)面對的重要災害之一，為了查明朝陽煤礦9101工作面內部老舊巷道的分布范圍及其富水情況，在巷道掘進過程中通過基于瞬變電磁法頻率、疊加次數的參數優(yōu)化試驗，確定了工作面內部老舊巷道探測的最優(yōu)化參數，指導9101工作面內部老舊巷道的探測工作。試驗結果表明：工作面內部老舊空巷位置同探測結果存在顯著的對應關系，經過頻率、疊加次數參數優(yōu)化處理的空巷探測技術可以有效確定空巷的分布及其富水情況，可為工作面的安全回采提供依據。

瞬變電磁法；參數優(yōu)化；空巷探測；富水特征

近年來，隨著煤炭資源市場的不斷規(guī)范化，我國許多富煤區(qū)域進行了資源整合，但由于小煤礦的不規(guī)范生產、資料缺失、亂采亂挖現象嚴重，導致煤礦在資源整合以后面臨嚴重的安全問題［1］。國內資源整合礦區(qū)不但采空區(qū)分布積水情況復雜，在井下工作面的回采中也受到老舊巷道的嚴重威脅，工作面內部老舊巷道具有形態(tài)復雜、分布范圍廣等特點，且易形成積水區(qū)，一旦同含水采空區(qū)存在水力聯系，在工作面回采過程中極易造成水害事故，形成突水災害。

目前，煤礦井下工作面探測主要采用的物探方法有瞬變電磁法、無線電波透視法、音頻電透視法、槽波地震法等方法，國內專家學者在對各類方法的理論與應用方面開展了一系列的研究工作［2-7］，但井下工作面探測效果受到地質特征、探測環(huán)境、井下干擾的影響較為嚴重，工作面內部老舊空巷探測參數選取缺乏有效的論證和實驗支撐。因此，特定地質條件和探測環(huán)境下老舊空巷探測參數優(yōu)化試驗研究對提高隱蔽空巷探測結果的準確性具有重要的實際意義。針對朝陽煤礦工作面巷道內部已探明老舊巷道的特點，在探測目標區(qū)開展了瞬變電磁法發(fā)射頻率及疊加次數的參數優(yōu)化試驗，確定了該地質條件和探測環(huán)境下巷道探測的最優(yōu)化參數，并以此指導9101工作面綜合探測工作，為老舊空巷探測成果的可靠性及工作面的安全回采提供依據。

1　井下參數優(yōu)化試驗研究

1.1瞬變電磁法簡介

瞬變電磁法是在發(fā)射線圈發(fā)射脈沖一次場（式（1）），并利用測量對一次場感應產生二次渦流場在時間和空間上的分布的一種時間域電磁法。

礦井瞬變電磁法是在地下幾百米深度的井下巷道中進行的，瞬變電磁場呈全空間分布，這時測量得到的瞬變響應為全空間響應。在發(fā)射線圈中通以階躍電流，瞬間關斷后，任意時刻發(fā)射線圈前方的渦旋電流在發(fā)射位置處產生的磁場可以等效為一個水平環(huán)狀線電流的磁場（圖1）。

圖1　全空間條件下TEM信號擴散示意

由已知資料可知［8-9］，電磁場與介質電阻率間為復雜的函數關系，全空間視電阻率值計算公式為:

式中，C為全空間響應系數；μ0為真空磁導率；S，N為接收線圈面積及匝數；t為二次場延遲時間；V/I為發(fā)射脈沖電流幅值歸一化電位?？衫茫?）式求取不同時間對應的深度［10］

式中，v（ρs，t）為電磁場的傳播速度；Ds（t）為t時刻瞬變電磁場傳播深度。

1.2參數優(yōu)化試驗

為了更好地模擬目標探測條件，獲得相似的背景場，試驗選擇在探測工作面軌道巷內進行。巷道寬度4.1m，高度2.2m，錨桿、錨網支護，巷道正前方布置鉆孔，方位角90°，傾角+5°，孔深45m處見空出水，出水量約為10m3/h，水壓0.2MPa。試驗采用重疊回線裝置形式，線圈邊長2m，發(fā)射電流為3A，通過多次單點重復測試該試驗裝置下關斷延時為0.243ms。

試驗中采用單一變量控制法進行探測，探測裝置其他參數與探測條件不變，頻率與疊加次數試驗各采集3組數據，進而分析不同頻率、疊加次數條件下礦井瞬變電磁場響應的變化情況。每次試驗觀測采用多角度扇形探測，探測方向為順巖層向掘進方向探測，如圖2所示，共布置橫向探測角度14個，探測方向分別是左側幫（180°，165°，150°，135°，120°，105°）、正前方（90°，90°）、右側幫（0°，15°，30°，45°，60°，75°），計14個測點數據，在順層前方形成扇形斷面。試驗方案和序列見表1。

圖2　觀測示意

表1　試驗方案和序列

1.2.1頻率試驗

圖3為巷道正前方7號測點試驗頻率下的電動勢曲線圖。由圖可知，在其他條件不變的情況下，由低到高3個試驗頻率的曲線形態(tài)存在顯著的區(qū)別，同一測點不同發(fā)射頻率的一次場持續(xù)時間不同，且測試發(fā)射頻率對瞬變電磁場影響的觀測時間不同。頻率越大一次場持續(xù)時間越長，二次場觀測時間就越短。2.5Hz，6.25Hz及25Hz的觀測時間起始時間序列分別為11，15和25，即發(fā)射頻率越大，盲區(qū)越大，探測深度越小，二次場開始階段衰減比較均勻，中間部分曲線衰減反映地層變化，發(fā)射頻率為2.5 Hz時，第67時間序列數據由于干擾產生跳點畸變，6.25Hz時晚期衰減均勻，曲線無畸變現象。數據采集效果相對較好。

圖4為試驗頻率巷道超前探測視電阻率等值線斷面圖，橫坐標0點表示巷道迎頭位置，縱坐標為探測深度，設定不同的發(fā)射頻率，各個頻率順層視電阻率等值線擬斷面圖的變化趨勢差異較大，尤其對于低阻異常區(qū)影響明顯。

圖3　頻率試驗電動勢曲線

圖4　試驗頻率巷道超前探測視電阻率等值線斷面對比

由圖4可知，發(fā)射頻率越大，深部視電阻率衰減越均勻，當發(fā)射頻率為25Hz時深部無低阻異常反映，實際探測距離較短，探測結果可靠性降低。在發(fā)射頻率為2.5Hz和6.25Hz時，低阻異常深度同實際鉆孔揭露的空區(qū)位置吻合，探測效果較好，但由試驗測點電動勢曲線可知當頻率為2.5Hz時易受到干擾出現畸變現象，圖4中當頻率為2.5Hz時視電阻率斷面圖中巷道正前方也出現了黑色實線標定閉合單點干擾區(qū)域，影響了晚期低阻異常的分辨。在發(fā)射頻率為6.25Hz時，圈定低阻異常區(qū)域如圖中黑色虛線圈定區(qū)域所示，位置同鉆孔出水位置吻合較好，由此確定6.25Hz的發(fā)射頻率能夠獲得比較好的空巷探測效果，同時在一定程度上降低干擾因素的影響。

1.2.2疊加次數試驗

由實測數據分析，不同疊加次數電阻率曲線在30時間序列之前曲線形態(tài)基本一致，故為便于對比分析，選擇30時間序列之后的數據進行不同疊加次數電阻率曲線分析數據。圖5為不同疊加次數試驗電阻率曲線圖，看出巷道正前方7號試驗測點疊加次數為32及64時，相對視電阻率起伏變化趨勢基本一致，當疊加次數為16時，中晚期視電阻率曲線變化趨勢同其他2次試驗不同，而且晚期曲線出現跳點畸變現象。

圖5 7號試驗測點疊加次數試驗電阻率曲線

圖6為試驗疊加次數巷道超前探測視電阻率等值線斷面對比。由圖6可知，疊加次數為32時，黑色虛線圈定低阻異常位置與實際見空位置吻合較好，探測效果相對較好，而在疊加次數為16及64時，低阻異常區(qū)域不明顯。

2　空巷探測實例分析

根據工作面井下參數優(yōu)化試驗分析結果可知，選擇合適的參數以及在數據處理過程中剔除井下干擾源的影響對于保證探測效果的準確性至關重要，以試驗結果作為依據，將基于參數優(yōu)化的井下工作面空巷探測技術應用于朝陽煤礦9101工作面內部空巷探測工程中。

2.1工程概況

圖6　試驗疊加次數巷道超前探測視電阻率等值線斷面對比

朝陽煤礦由于歷史原因，礦區(qū)整合前周邊小煤礦眾多，小煤礦的不規(guī)范生產、資料缺失、亂采亂挖給9101工作面的安全回采造成了嚴重的威脅，在工作面軌道巷掘進過程中即發(fā)生過揭露空巷打鉆出水現象，水壓最大可達0.2MPa，涌水量約為10m3/h。為了進一步查明朝陽煤礦9101工作面內部未知老舊巷道的分布范圍及其富水情況，必須對工作面內部可能存在的空巷及其富水情況進行探查。井田范圍地層由老到新依次為:奧陶系中統(tǒng)馬家溝組峰峰組，石炭系中統(tǒng)本溪組、石炭系上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組、二疊系下統(tǒng)下石盒子組及第四系。井田的含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下二疊統(tǒng)山西組，主要包含2組可采煤層，3號煤層位于山西組下部，已經采空，9號煤層位于太原組中部，距3號煤層平均間距約為50m，為該礦當前主采煤層，9101工作面走向長1150m，傾斜長180m，影響9101工作面煤層安全生產的最主要因素為工作面內部存在的未知富水空巷。

2.2地球物理特征

井田范圍內3號煤層已經采空，9號煤層位于K4灰?guī)r之上，平均厚度1.88m，頂板為泥巖、粉砂質泥巖。9號煤層頂板裂隙富水的礦化度較高，其易沿裂隙導通匯集至9號煤層工作面內部的空巷區(qū)域，形成空巷積水，空巷區(qū)域的視電阻率值將明顯低于周圍正常煤巖層的電阻率；由于富水巷道圍巖區(qū)域導水裂隙對電磁波具有吸收作用，因此在空巷區(qū)域無線電波吸收系數較高，接收的場強較弱。根據礦井地質與水文條件，結合煤巖層的電性特征，確定瞬變電磁法相對視電阻率值不高于15Ω· m的區(qū)域界定為巷道富水異常區(qū)，含水性相對較強，低阻電性特征明顯，確定高吸收系數區(qū)域為異常區(qū)。

2.3探測方案

本次探測的任務為探測工作面內老舊巷道的分布及其含水性，采用礦井瞬變電磁法作為本次富水性區(qū)域探測的主要手段，以無線電波透視法作為空巷探測的輔助手段，將兩種方法結合起來確定朝陽煤礦9101工作面內部老舊巷道的分布范圍及其富水情況。瞬變電磁法參數設計參考試驗結論，采用重疊回線裝置，收發(fā)線圈邊長2m，發(fā)射電流3.5A，工作面雙巷各設計一條瞬變電磁測線，探測方向為順煤層探測，探測方向示意如圖7所示。無線電波透視法采用雙巷收發(fā)，兩種方法測點間距均為5m。

圖7　探測方向示意

2.4探測結果分析

圖8為9101工作面500～1000m區(qū)段順層方向視電阻率等值線斷面，圖9為9101工作面順層方向無線電波透視法場強成像圖，區(qū)段標號為距開口距離，橫坐標為工作面兩側巷道，縱坐標為工作面寬度坐標，瞬變電磁法探測前方存在盲區(qū)，因此圖9寬度范圍為30～150m。根據電阻率斷面特征，將15Ω·m的區(qū)域界定為含水性較強區(qū)域。由圖9可知，在9101工作面500～1000m區(qū)段，存在兩處較為明顯的低阻異常，分別分布于590～830m，925～1000m區(qū)段，在圖9中，存在兩處較為明顯的場強透射異常，分別分布于600～740m，890～990m區(qū)段，結合瞬變電磁法及無線電波透視法成果圖分析，兩者重合區(qū)段為600～740m，925～990m，由此推斷兩區(qū)域為富水異常區(qū)，同時，存在空巷及構造異常的可能性較大，經打鉆驗證，在巷道660m，680m，710m，915m處見空，其中在660m，680m，710m處打鉆出水，出水量10m3/h，915m處見空但未出水，為近切眼區(qū)段大量金屬鐵器影響所致，經驗證同探測結果吻合程度較高。

圖8　9101工作面順層視電阻率等值線斷面

圖9　9101工作面順層無線電波透視法場強成像

3　結 論

在巷道掘進過程中通過基于頻率、疊加次數的參數優(yōu)化試驗，確定了工作面內部老舊巷道探測的最優(yōu)化參數，并通過在朝陽煤礦9101工作面內部老舊巷道探測的工作實踐，取得了良好的效果，得出如下結論:

（1）通過參數優(yōu)化試驗確定采用6.25Hz發(fā)射頻率、32次疊加、0.243ms延時探測老舊巷道及其富水性是可行的。

（2）各礦的地質和采礦條件千差萬別，在進行正式數據采集之前進行試驗工作是非常重要的，只有這樣才能不斷提高探測的精度，從而為煤礦的安全生產提供良好的地質依據。

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［責任編輯：施紅霞］

Detection Technology of Working Face Abandoned Roadway Based on Optimal Parameters

QIU Hao1，2，3

（1.Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute，Beijing 100013，China；2.State Key Laboratory of Coal Resource High Effective Mining&Clean Utilization（China Coal Research Institute），Beijing 100013，China；3.Beijing Safety Engineering Technology Research Center，Beijing 100013，China）

The water disaster that induced by abandoned roadway of coal mine was one of importantdisasters that must faced to for resources reassignment mine area in home，in order to ascertained the distribution scope of abandoned roadway and water distribution of 9101 working face of Chaoyang coal mine，on the basis of parameters optimal experiment of transient electromagnetic method and stacking fold during roadway driving process，the optimization parameters of abandoned roadway in working face，it references for defection working of abandoned roadway in working face.The results showed that an obviously corresponding relation was appeared between the abandoned roadway position and detection results.Detection technology of abandoned roadway was effectively after frequency and stacking fold optimized.

transient electromagnetic method；parameters optimal；abandoned roadway detection；water distribution characters

TD166；P631.3

A

1006-6225（2016）04-0018-05

2015-12-24

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.04.005

國家自然科學基金資助項目（51404139）；中國煤炭科工集團科技創(chuàng)新基金資助項目（2014QN013）

邱 浩（1987-），男，遼寧鐵嶺人，助理研究員，碩士，主要從事應用地球物理方向的研究工作。

［引用格式］邱 浩.基于參數優(yōu)化試驗的工作面空巷探測技術研究［J］.煤礦開采，2016，21（4）：18-22.