【摘要】：采空區(qū)嚴重威脅煤礦安全和礦工生命,礦井瞬變電磁超前探測是一種對其有效的探測方法,但效果受巷道環(huán)境影響較大。提出一種巷道孔口旋轉(zhuǎn)發(fā)射、孔內(nèi)三分量接收的工作方法。通過時域有限差分三維數(shù)值模擬分析了孔中數(shù)據(jù)特征,提出了孔中沿發(fā)射法線方向數(shù)據(jù)的三分量合成和校正技術(shù),采用二分搜索算法實現(xiàn)了孔中數(shù)據(jù)峰值點后方衰減段的全期視電阻率計算。計算了三維數(shù)值模型數(shù)據(jù)的各個孔深單獨及疊合成像結(jié)果,對掘進工作面前方的采空區(qū)取得了良好的成像效果。結(jié)合山西煤礦井下的工程試驗,對該方法超前探測采空區(qū)性質(zhì)、形態(tài)和規(guī)模的實用性和有效性進行了檢驗。研究表明:孔巷瞬變電磁動源定接收探測方法是井下物探與鉆探的有機結(jié)合與相互補充,能夠有效應用于采空區(qū)探測。
【圖文】：

置，對各種地質(zhì)條件下的孔中數(shù)據(jù)響應規(guī)律研究較為透徹，但在資料處理解釋方面研究較少，程度也較淺，多為定性解釋手段，資料解釋精度較低。筆者將對礦井瞬變電磁扇形施工裝置進行改良，提出一種孔巷動源定接收工作方法，通過研究孔內(nèi)信號特征，給出一種三分量合成技術(shù)和校正技術(shù)重構(gòu)數(shù)據(jù)，然后采用全期視電阻率計算法完成孔內(nèi)資料的快速處理，并對多個接收位置的結(jié)果進行成像，最終實現(xiàn)不受巷道條件干擾的孔巷大范圍精細探測，為井下準確探測采空區(qū)性質(zhì)提供技術(shù)支撐。1方法原理1.1工作裝置本文提出的工作裝置如圖1所示，在孔口巷道處布設(shè)一多匝小線框發(fā)射源，線框邊長不大于2m，接收使用磁探頭，可固定放置在孔內(nèi)任意位置(如圖中接收1)，之后沿某一平面按一定角度間隔(如15°)在孔口旋轉(zhuǎn)發(fā)射線框，每次旋轉(zhuǎn)都用固定在孔內(nèi)的探頭接收三分量二次場信號，完成整個流程后可將探頭移動至孔內(nèi)其他位置(如圖中接收2，3)，重復前面的工作流程。圖1施工裝置示意Fig.1Schematicdiagramofconstructiondevice每在一個接收點完成一次工作流程，可得到一個3230

第12期范濤等:孔巷瞬變電磁動源定接收方法探測采空區(qū)試驗扇形或部分扇形探測區(qū)域，多個接收點探測區(qū)域既可單獨處理解釋，也可疊合為一個大探測區(qū)域進行聯(lián)合解釋。如果發(fā)射線框做了多個施工平面的旋轉(zhuǎn)工作，還可實現(xiàn)三維區(qū)域的綜合解釋。1.2孔中數(shù)據(jù)特征為研究如圖1所示的孔中瞬變電磁數(shù)據(jù)異常響應特征，并指導后續(xù)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究，設(shè)置一個如圖2所示的正演模型，在掘進工作面孔口處布置一2m×2m的發(fā)射線圈，發(fā)射電流設(shè)為1A，工作面正前方設(shè)置一含水塊狀異常體，異常體中心距工作面中心60m，異常體規(guī)模為20m×20m×20m，測量點布置在鉆孔孔深0，20，40，60，80m五處。巷道電阻率設(shè)為10000Ω·m，煤層電阻率設(shè)為1000Ω·m，異常體電阻率設(shè)為10Ω·m。圖2模型示意Fig.2Schematicdiagramofthemodel三維正演采用基于GPU加速的時域有限差分算法實現(xiàn)［24－25］，分別模擬帶異常體和不帶異常體兩種情況。將5個測點兩種情況下數(shù)值模擬得到的Z分量數(shù)據(jù)進行對比，可得圖3。從圖3(a)可明顯看出，隨著入孔深度的增加，感應電動勢曲線由一條單調(diào)曲線逐漸變?yōu)橐粭l單峰曲線，孔深越深，對應測點的峰值越低，峰值對應的時間越晚。從圖3(b)則可看出，任意孔深數(shù)據(jù)曲線上均對60m處的低阻異常體有反映，但距離異常體越近，反映越強，這意味著采用孔內(nèi)測量的方式確實有利于提高異常分辨能力。此外，從圖3可看出，所有測點晚期信號基本重合，考慮到大地電磁的觀測波頻和瞬變電磁的采樣時間具有簡單的變換關(guān)系，可以認為瞬變電磁晚期信號攜帶的主要信息與大地電磁低頻信號攜帶信息等效，進而可認為圖3中不同孔深位置觀測到的瞬變電磁信號反映的深部信息基本一致，因此推測曲線中峰值圖3Z分量數(shù)據(jù)對比Fig.3ComparisonofZcomponentdata

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