跨孔电磁波CT在煤矿采空区探测中的应用探究.pdf
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1、d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 1-3 5 8 X.2 0 2 2.0 1.0 0 6跨孔电磁波C T在煤矿采空区探测中的应用探究陈 杭,邢亚东,邓超云(中国市政工程中南设计研究总院有限公司,湖北 武汉 4 3 0 0 0 0)摘要:煤矿开采过程中遇到很多地质资料不详细的采空区,给开采带来极大影响。为查明煤矿采空区的空间分布,使用跨孔电磁波C T法对研究区域进行探测,经分析,灰岩地区完整地层电阻率较高,电磁波吸收系数会比较低,一般在0.2N p e r/m以下。煤系地层因其本身电阻率相对灰岩地层较低,电磁波吸收系数较高,一般大于0.6N p e r/m。根据
2、电磁波吸收系数的峰值异常来解释煤矿采空区的分布。关键词:采空区;电磁波;吸收系数;煤矿中图分类号:T D 1 5;P 6 3 1.3+2 5 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 1-3 5 8 X(2 0 2 2)0 1-0 0 2 1-0 3A p p l i c a t i o no fb o r e h o l ee l e c t r o m a g n e t i cw a v eC Ti nc o a lm i n eg o a fd e t e c t i o nC h e nH a n g,X i n gY a d o n g,D e n gC h a o y u n(C e
3、 n t r a l&S o u t h e r nC h i n aM u n i c i p a lE n g i n e e r i n gD e s i g na n dR e s e a r c hI n s t i t u t eC o.,L t d.,W u h a n4 3 0 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:I nt h ep r o c e s so f t h ec o a lm i n i n g,t h e r ew e r em a n yg o a fa r e a sw i t h o u td e t a i l e dg e
4、o l o g i c a ld a t a,w h i c hh a d t h eg r e a t i m p a c t o nm i n i n g.I no r d e r t o f i n do u t t h e s p a t i a l d i s t r i b u t i o no f t h e c o a lm i n eg o a f,t h eb o r e h o l ee l e c t r o m a g n e t i cw a v eC T m e t h o dw a su s e dt od e t e c t t h es t u d ya r
5、 e a.A f t e ra n a l y s i s,t h ec o m p l e t ef o r m a t i o nr e s i s t i v i t yi nl i m e s t o n ea r e aw a sh i g h e r,a n dt h ee l e c t r o m a g n e t i cw a v ea b s o r p t i o nc o e f f i c i e n tw o u l db er e l a t i v e l yl o w e r,i tw a sg e n e r a l l yb e l o w0.2N p
6、e r/m.R e s i s t i v i t yo f t h ec o a lm e a s u r es t r a t aw a sl o w e r t h a nt h a to f l i m e s t o n es t r a t a,a n dt h ee l e c t r o m a g n e t i cw a v ea b s o r p t i o nc o e f f i c i e n tw a sh i g h e r,w h i c hw a sg e n e r a l l yg r e a t e r t h a n0.6N p e r/m.A c
7、 c o r d i n gt ot h ep e a ka n o m a l yo f e l e c t r o m a g n e t i cw a v ea b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t,t h ed i s t r i b u t i o n so f t h ec o a lm i n eg o a fw e r ee x p l a i n e d.K e yw o r d s:g o a f;e l e c t r o m a g n e t i cw a v e;a b s o r p t i o nc o e f f i c
8、 i e n t;c o a lm i n e引用格式:陈杭,邢亚东,邓超云.跨孔电磁波C T在煤矿采空区探测中的应用探究J.矿山测量,2 0 2 2,5 0(1):2 1-2 3,3 7.由于人为挖探或天然的地质运动,地表下方可能形成采空区。采空区的形成造成了地质结构的变动,容易造成地表开裂、沉降、塌陷等地质灾害,对工程生产等活动有着极大的安全隐患1。准确探测出采空区空间位置信息至关重要。采空区的探测,目前国内外主要手段有物探和钻探2,其中,钻探方法所需人力、物力成本高,受限制条件相对较多;物探方法便于控制,作业方便快捷,对环境影响较小。所以物探方法成为了国内外的主流探测方法,并具有很大的潜
9、力。现如今,对采空区进行探测的物探方法主要有高密度电法、瞬变电磁法以及电磁波层析成像等。电磁波层析成像作为被广泛运用的工程物探方法3-5,在采空区的探测中具有明显的潜力与优势,相较于传统单边观测的地表物探方法,深入钻孔中进行数据采集的电磁波层析成像方法具有更高的反演精度6。电磁波层析成像是在井中发射以及接收电磁波信号7,进行成像并探测井间磁特性的方法,具有大透距、大探测深度等特点8。为探究跨孔电磁波C T法在采空区探测的有效性,本文介绍在神木某煤矿4 3 2 1 0回风顺槽中段附近进行孔中电磁波C T试验性勘探工作。12第5 0卷第1期2 0 2 2年2月 矿 山 测 量M I N ES UR
10、 V E Y I N G V o l.5 0N o.1F e b.2 0 2 21 工程地质概况与地球物理特征研究区域位于陕西省陕北侏罗纪煤田神府新民矿区北部。地表为第四系松散沉积物覆盖,地层由老到新分别为:三叠系上统瓦窑堡组、侏罗系下统富县组、侏罗系中统延安组、直罗组、安定组、白垩系下统洛河组、第四系上更新统萨拉乌苏组和全新统的松散沙层9。井田内可采煤层共4层,煤层产状平缓,倾角1 2,地质构造简单,无较大的断裂和褶曲,无岩浆岩发育,岩石工程地质力学强度较高、煤层顶底板岩性较好。井田水文地质类型为孔隙-裂隙型,以二类一型为主,水文地质条件简单;为低瓦斯、无地温热害井田。正常情况下,完整含煤地
11、层电阻率高、电磁波吸收率相对较低;当含煤地层受裂隙、裂隙性小断层、破碎带、剪切带、软弱夹层、薄层、空洞等破坏且湿度较大或含水时,物性特征会因其影响程度不同而发生相应变化,其主要的地球物理响应为:电阻率下降,电磁波吸收率相对较高。采空区与完整含煤地层间的物性差异,使得利用电磁波C T对采空区的探测成为可能。2 电磁波C T原理跨孔电磁波C T即用电磁波对地质体进行扫描成像,其基于惠更斯原理以及拉东变换。使用电偶极子场作为发射源,当测点与发射点距离足够远时,介质中的电磁波传播路径可以用射线来近似,其辐射场的场强可表述为1 0:E=E0e-Rf()R(1)由式(1)可推导出:=l n(E0E)+2
12、l n(D)-3 l n(R)R(2)式中,E0为初始辐射场;R为射线长度,即射线传播的路线积分,m;为两孔间的水平距离,m;D为介质电磁波吸收系数,是衡量介质电磁吸收特性强弱的参数1 1,N p e r/m。通过对接收端的电磁场强进行实测以及数据处理,反演得到射线所经过区域内介质的电磁波吸收系数的空间分布,从而获得异常的位置、空间分布和形态。电磁波C T野外工作示意图如图1所示。图1 电磁波C T野外工作示意图3 数据采集及资料处理本次电磁波C T数据采集工作使用的仪器为HX-J D T-0 2型井下无线电波透视仪,采用以下工作参数:(1)扫描方式为定点发射,扇形接收,点距为1m;(2)通过
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