基于改进型瞬变电磁法的矿区隐蔽致灾因素探查研究.pdf
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1、第 卷第期 年月山西煤炭 文章编号:()犇 犗 犐:基于改进型瞬变电磁法的矿区隐蔽致灾因素探查研究安守学,高超,秦胜君(北京探创资源科技有限公司,北京 )摘要:矿区采前隐蔽致灾因素(单斜构造、断层、岩溶裂隙、富水层等)精准探查对于科学指导矿井规划及工作面安全回采具有重要意义。本文以龙凤井田为背景,提出用视电阻率解释方法,结合人工解释和计算机解释、垂直断面和水平 顺层切片解释、电性解释及综合地质分析,对瞬变电磁法敏感性参数确定及视电阻率解析方法进行了改进,视电阻率断面图与钻孔揭露基本一致,验证了改进型瞬变电磁法的有效性;在视电阻率断面图中单斜构造、断层区域视电阻率等值线梯度变化较大,岩溶裂隙富水
2、区处在电阻率低阻条带,实现了对单斜构造、断层、裂隙带充水(充泥)隐蔽致灾因素精准定位;明确了类富水区、类富水区和类富水区分布规律,阐明了垂向水力联系,最终综合研判出 个强富水隐患区。研究成果可为龙凤井田及相邻矿区隐蔽致灾因素识别及预测提供理论与技术支持。关键词:瞬变电磁法;方法改进;视电阻率;致灾因素中图分类号:文献标识码:开放科学(资源服务)标识码(犗 犛 犐 犇):犈 狓 狆 犾 狅 狉 犪 狋 犻 狅 狀狅 犳犎 犻 犱 犱 犲 狀犇 犻 狊 犪 狊 狋 犲 狉 犮 犪 狌 狊 犻 狀 犵犉 犪 犮 狋 狅 狉 狊 犻 狀犕 犻 狀 犻 狀 犵犃 狉 犲 犪 狊犅 犪 狊 犲 犱狅 狀犐
3、 犿 狆 狉 狅 狏 犲 犱犜 狉 犪 狀 狊 犻 犲 狀 狋犈 犾 犲 犮 狋 狉 狅 犿 犪 犵 狀 犲 狋 犻 犮犕 犲 狋 犺 狅 犱犃 犖犛 犺 狅 狌 狓 狌 犲,犌 犃 犗犆 犺 犪 狅,犙 犐 犖犛 犺 犲 狀 犵 犼 狌 狀(犅 犲 犻 犼 犻 狀 犵犜 犪 狀 犮 犺 狌 犪 狀 犵犚 犲 狊 狅 狌 狉 犮 犲 狊犜 犲 犮 犺 狀 狅 犾 狅 犵 狔犆 狅,犔 狋 犱,犅 犲 犻 犼 犻 狀 犵 ,犆 犺 犻 狀 犪)犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋:(,),收稿日期:作者简介:安守学(),男,北京人,本科,工程师,主要从事矿井水害防治及地球物理勘探工作,:引文格式:安守
4、学,高超,秦胜君基于改进型瞬变电磁法的矿区隐蔽致灾因素探查研究山西煤炭,():,():,(),犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊:;矿区隐蔽致灾因素是指在矿区地质条件中可能引发危害的各种因素,诸如单斜构造、断层、岩溶裂隙和富水层等 。这些因素会直接影响地下矿井的稳定性和工作环境的安全,进而对矿区的正常生产和人员的生命安全造成重大威胁。当前,中国的煤矿采掘处于深度开采和高压采煤阶段,煤矿事故随时可能发生。如何有效应对矿区隐蔽致灾因素,发掘潜在危险并及时处置,对于煤矿井下安全高效生产具有重要意义 。因此,通过深入研究和检测单斜构造、断层、岩溶裂隙、富水层等各种因素的性质和分布规律,可以及时预警并预防矿难
5、的发生。研究矿区隐蔽致灾因素探查对于加强矿区安全防范、规避风险、提高工作效益和经济效益有着重要意义。瞬变电磁法已经被广泛应用于矿区隐蔽致灾因素的探查,前人在该领域进行了大量研究工作,包括单斜构造、断层、岩溶裂隙、富水层等方面,。通过瞬变电磁实验研究,发现单斜构造对瞬变电磁场的散射和吸收会引起强烈的响应特征,提出了基于瞬变电磁法的单斜构造探测技术。同时,基于断层区域附近电磁场演变特征,可以定量地对断层的信息进行分析,从而实现断层探查。利用瞬变电磁法还可 以 探 查 不 同类 型的 岩 溶 裂 隙 和 富 水层。虽然瞬变电磁法在工程实践领域应用较为广泛,但其仍存在着一些问题,如测量精度不高、数据解
6、释困难等。围绕上述问题,对传统瞬变电磁法的探测深度、信号幅值和信噪比等方面进行了优化,以期提升探测效率与精度 。其次,利用非常规电磁传感器和高速数据采集技术,实现了数据实时记录和处理。开发了基于机器学习和人工智能的数据智能分析和处理技术,以实现数据自动分析和预处理,提高解释和处理数据的能力 。此外,还通过现场实验和模拟实验对改进型瞬变电磁法进行了验证和评估,以验证其在矿区隐蔽致灾因素探查中的实际应用效果 。目前该技术仍面临着测量精度不高、解释和处理数据困难等问题,需要进一步深入研究和探究。本论文采用了一系列试验方法,包括一致性试验、稳定性试验、参数试验、高压线影响范围试验和方法有效性试验等,在
7、探查方法方面,研究提出了用视电阻率解释方法,结合人工与计算机解释、垂直及水平顺层切片解释、电性解释配合综合地质分析,改进了瞬变电磁探测方法。该研究在实验中通过对不同地电参数如电阻率、电导率等的测量,提取地下岩石和矿体的电学特性,进而推断单斜构造、断层、岩溶裂隙、富水层等隐蔽致灾因素的存在和分布。结果表明,该探查方法具有更高的探测精度和可靠性,为制定矿井工程设计和开展矿区灾害防治提供了重要的数据参考和技术支撑,还在实践上提高了探查精度和可靠性,为矿区隐蔽致灾因素探查提供了一种新的方法和思路。井田地质水文概况龙凤井田位于原西南三省煤炭资源远景调查时划分的金沙煤田中北部,其区域范围包括整个金沙煤田,
8、如图所示。其总体地势呈北西高,南东低,最高海拔值为 ,最低海拔值为 ,最大相对高差数值为 ,多数分布在 区间,相对高差数值区间在 。含煤 层,其中、煤较稳定。勘探阶段在井田 内共 施工 了 钻 孔 个,共 完成 钻探工程量 (其中水文孔个,工程量 ),原 煤硫分(质量分数)平均值超过(煤层),查图龙凤井田矿井区域位置图 第期安守学,等:基于改进型瞬变电磁法的矿区隐蔽致灾因素探查研究明的和潜在的煤炭资源量 万。主采 煤层,上部直接充水含水层包括龙潭组裂隙含水层、茅口组灰岩岩溶裂隙含水层。其中,后者的厚度大,水压较高,富水性较强,以煤层底板进水为主,有待矿井生产过程中进一步对茅口灰岩水文地质研究工
9、作。改进型瞬变电磁法视电阻率反演 瞬变电磁法原理电磁感应相关定律是瞬变电磁法工作基本原理,图为瞬变电磁法()探测理论示意图。研究结果表明,感应电流呈环带分布,涡流场极大值以锥形斜面形态向下、向外移动(如图),强度逐渐减弱。图瞬变电磁法的瞬态过程示意图 ()图瞬变电磁法探测示意图 ()实测瞬变电磁法实质是地层中不同电性的动态反应,在原始曲线或原始视电阻率断面图纵向上只能看出多套地层的综合电性变化趋势,而要通过实测资料解译出真实地层或最接近真实地层及地质异常体的分布情况,就需要对实测资料进行反演计算,从而推译出地下地层及地质异常体的地电结构及电性参数。瞬变电磁法反演技术参数选择试验考虑探测区的实际
10、条件以及对断层的电性响应特征。本次试验工作主要进行了参数选择试验,即通过一定数量的点试验,为本区后续数据采集工作选择合适的采集参数。试验内容包括一致性试验、稳定性试验、参数试验、高压线影响范围试验、方法有效性试验。一致性及稳定性试验利用均方相对误差来衡量三台接收机仪器的一致性。利用三台仪器同时在 线 点进行野外数据采集,通过计算得出的均方相对误差分别为 、,说明台瞬变电磁仪的施工区间一致性良好,数据达到要求。随机抽取某一测点即 线 点的野外记录,通过计算台仪器所得的均方相对误差分别为 、,满足规范要求的精度范围(),说明所选台瞬变电磁仪的稳定性良好。敏感性参数试验)电流。发射线框为,进行次叠加
11、试验,发射电流为 和 ,其勘探深度达到 ,可以达到目的任务的要求深度。通过对比可见(图),发射电流 曲线衰减较为圆滑,抗干扰能力强,且有效道数为 道;而发射电流 有效道数为 道,抗干扰能力弱,曲线衰减晚期尾部有畸变,圆滑程度较差。为此,本次工作选取发射电流 作为本次的工作参数。()()图发射电流衰减曲线图 山西煤炭第 卷)供电次数试验。本次瞬变电磁工作前选取常用仪器供电次数、和次在试验段进行试验工作。如图,通过试验发射电流衰减曲线图可以看出,仪器供电次曲线较紊乱,数据质量相对较差;仪器供电次曲线早期道较圆滑,但晚期道相对较乱,数据质量中等;仪器供电次曲线,曲线较圆滑,数据质量较好。因此,本次物
12、探工作采用仪器供电次测量。()次()次()次图不同供电次数衰减曲线图 )发射线框试验。发射框为的衰减曲线互感强烈,发射框为的衰减曲线能有效压制干扰,互感较小,因此选择发射框为。高压线的影响范围测区内存在数条 高压线,图()、()、()距离 高压线、范围衰减曲线图,图中衰减曲线显示,当测点距高压线的距离大于 时,高压线对探测数据无影响。考虑各种干扰因素的影响,最终确定适合本区的施工装置与参数为:法重叠回线装置,供电电流选择 ,发射线框。位于高压线正下方的测点,测点进行适当偏移,使采集位置远离高压线 以上。()()()图距离高压线不同深度衰减曲线 瞬变电磁视电阻率解释方法 视电阻率异常划分方法根据
13、数理统计学,一般可把异常参数分成狀、狀狀、狀狀、狀狀,狀个级别,根据本区电性特征,设定狀为异常阈值,式中为参数算术平均值,狀为参数的标准偏差值。小于狀的低阻区域,可定为低阻异常区。第期安守学,等:基于改进型瞬变电磁法的矿区隐蔽致灾因素探查研究 视电阻率解释方法)人工解释与计算机解释相结合。在地质勘探中,人工解释是勘探工作的第一道关口。通过对主干剖面的解释,可以确定地质层位轮廓,绘制出地层中构造以及地层特征形态,以此作为后续工作的重要基础,为接下来的人机联作以及精细化解析打下基础。对于电磁法数据解析过程中,人机操作交互解释系统具有特殊的优越性,在采用人机界面对电磁数据进行精细解释的同时,还可以提
14、高对解析数据的分辨率。人机联作精细解释成为了地质勘探中不可或缺的工具。)垂直断面与水平顺层切片解释相结合。深度电阻率断面图是地质勘探中的基础图件,它在两个主方向(横向与纵向)直接反映出探测区域电性变化特征,可对探测地质体进行区域划分、深度确定、异常区域圈定。再结合已探明的地层数据,例如断层、岩溶、裂隙含水层地质体,将其附加到深度电阻率断面图,构建一个可以直观对的数据图,进而综合研判视电阻率解析图是否可以直观反映出地质现象的特征。)电性解释与综合地质分析相结合。基于目前探测技术水平与手段的限制,勘探数据不可避免存在一定的片面性与局限性,面对这种境况,需要融合多种方法对探测数据开展综合处理。以电磁
15、法探测的电阻率为基础,对电磁电阻率同钻探揭示的地层数据进行处理和分析,同时配合地质统计、数理统计等多种理论处理方法,从电阻率图中剔除低可信数据,提取可靠度较高的地层数据,进而构建特征地质体的数学地质模型,分析探测区域地层、构造、断层的地质体变化规律,从而再一次与电磁法勘探成果进行分析对比,进一步实现对探测数据的细化,获得可信度更高的电磁勘探结果,进一步提升电阻率图的精度与可靠性,以确保得出的结果符合实际地质规律。方法有效性试验通过试验,了解本区的正常地层的电性特征以及构造的反映情况,推断岩层富水的电性特征。在前期选定的施工参数前提下,根据试验目的选择 线作为试验测线。该测线位于 勘探线附近,穿
16、过 以及 钻孔。钻孔位于 线 位置,该钻孔深 ,钻孔揭露 。标高 为玉龙山段灰岩,标高 为沙堡湾段泥岩、粉砂质泥岩、钙质泥岩,标高 为长兴组石灰岩,标高 为龙潭组煤系地层,标高 揭露茅口组灰岩顶板。图断面(线)图可以看出,在标高 以浅,为第四系及玉龙山段,视电阻率呈现相对低阻;在标高 ,随着深度增加(岩层位于长兴组灰岩、沙堡湾泥岩)视电阻率逐渐增大。在 断层,位于桩号 ,视电阻率变化幅度较大,视电阻率数据结果与钻孔探明的地层特征数据基本一致。图 线视电阻率断面图 矿区水文地质特征参数反演 测点布置与勘探工作量本次勘查测区范围 ,采用瞬变电磁法进行勘查,测线南北向布置,设计测点 个,部分区域由于
17、坡度较大,全区共完成测点 个。另外布置 个检测点,共计勘探点 个,详见勘探测点布置图所示。山西煤炭第 卷图勘探测点布置图 每天正式测量之前,作业员均到已知点进行仪器检核,当仪器测量坐标不超限时,才正式开始作业。为检核 作业的可靠性,进行同精度检核测点,施工检查点 个,外业检核率为 。检核使用仪器及测量方法与作业时相同。检测结果为:点位平面位置中误差 ,高程中误差 ,计算公式如下:犺 犺狀()式中:犺为中误差,;犺为检查值与原始值之差,;狀为检查点总数。本次测地工作采用参数与前人工作一致,仪器自身精度及外业核检精度满足要求,测点位置放样准确无误。数据处理流程数据处理流程如图所示。基于改进型瞬变电
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