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礦井坑道音頻電法超前探測模擬及其應用
新聞作者:駱彬,張平松,胡雄武  發布時間:2018-07-06  查看次數:  放大 縮小 默認
摘 要:礦井坑道掘進過程中常遭遇各類含導水地質構造(尤其是含導水斷層),給礦井安全生產造成嚴重的安全威脅。通過構建坑道掘進前方含水斷層的理論地電模型,計算了不同參數條件下的視頻散率的分布曲線,分析結果表明,視頻散率對坑道含水斷層的響應靈敏,是預測坑道超前水害的一種新方法。實踐表明,該方法對坑道掘進前方含水體的預測精度較高,能為煤礦水害防治工作提供可靠的技術參數。
關鍵詞:復電阻率;超前探測;數值模擬;響應
隨著我國煤礦開采不斷趨向深部,圍繞煤層工作面開展的生產準備坑道在掘進過程中,常遭遇斷層、陷落柱及巖溶等含導水地質構造,給煤礦生產安全造成了嚴重的水害威脅[1-3]。目前,礦井直流電阻率法[4]、礦井瞬變電磁法[5]、礦井地質雷達[6]及礦井地震波探測方法[7]是超前預測預報上述含導水地質構造的主要技術手段,但經過大量實踐,一些應用技術問題表現突出,如礦井直流電阻率法在數據采集時受現場地電干擾大[8],且電場隨布極距離的增大而快速衰減;礦井瞬變電磁法受掘進工作面周邊金屬類支護體的干擾嚴重[9];礦井地質雷達探測距離短且受金屬干擾;礦井地震波對含水體的響靈敏度不夠且現場探測施工程序繁瑣等。以上問題導致這些方法在實際應用中存在數據采集質量低以及難以滿足快速掘進生產等需求。為此,本文在礦井直流電阻率法的基礎上,充分考慮其優缺點,提出礦井坑道音頻電超前探測方法,擬通過建立坑道掘進前方含水斷層的理論地電模型,分析視頻散率的分布特征,并通過現場實踐進一步檢驗該方法的可靠性。音頻電超前探測方法的理論基礎[10]。
1978年Pelton利用Cole-Cole模型參數來描述巖礦石的激電特性。當供電電流較小時,巖石的激發極化效應可看作一個線性時不變系統,其頻率域表達式可表示成:
(1)

式中,I(ω)為供電強度;ΔU(ω)是輸出復電位值;R(ω)是與頻率相關的傳遞函數,表示復阻抗。在頻率域電子導體與電解液界面上的復超電壓可等效看作是單位面積上的復阻抗,于是構建一條等效電路便可模擬出電子導體與電解液界面上的阻抗,阻抗Zs(ω)表達式為:
(2)

式中,τ為時間常數;c為頻率相關系數;如果將礦化巖石的一個基本結構單元簡化成圖1a所示結構,則可用圖1b所示的等效電路來模擬表示。

在等效電路中可求出總阻抗Zs(ω)

式(4)即為Cole-Cole阻抗表達式。因此,依據式(4),可得由巖石的激電效應引起的復電阻率的頻譜表達式為:
(5)

式中ρ0是頻率為零時的電阻率,m是極化率,c是頻率相關系數,τ是常數。
2 含水斷層的數值模擬
2.1 理論模型構建及電場方程求解
如圖2假設含水斷層均勻且沿走向無限延伸,斷層厚度為a,斷層傾角為θ,電阻率值為ρ2,極化率為η2,到供電點源A的垂直距離為d,斷層靠點電源一側巖層電阻率為ρ1,極化率為η1,斷層遠離點電源一側巖層電阻率為ρ3,極化率為η3。


對式(7)進一步求解,可得ρ1巖層中點P位置的電位為:


上式中

2.2 模擬分析
令ρ1=ρ3=100Ω•m,ρ2=10Ω•m,η1=η3=
0.1,η2=0.5,a=2.0m,d=20m,c1=c2=c3=0.25,τ1=τ3=0.1,τ2=1.0,θ=60°,并取fG分別為1Hz、10Hz、100Hz和1000Hz,對應fL=fG/13。
圖3是不同供電頻率條件下對應三極裝置的視復電阻率分布曲線。從中明顯可見,隨供電點A與測量電極MN的距離R增大,視復電阻率值逐漸下降,為坑道掘進前方擬設含水斷層所引起;但供電頻率不同時,視復電阻率曲線差異很大,總體表現出隨供電頻率升高,視復電阻率值減小,但曲線形態差異較小。圖4是不同供電頻率條件下對應三極裝置的視頻散率分布曲線。可見,隨探測距離R增大,視頻散率值逐漸遞增,同樣為含水斷層所引起。但頻率與視頻散率之間的關系并非像與視復電阻率那樣的單調關系,而是在頻率為100Hz附近時達到最大的視頻散率,當頻率過低(如f=1Hz)或頻率過高(如f=1000Hz),視頻散率值均較小,說明利用音頻電法超前探測時,應選擇高頻為100Hz或其附近的頻段,可獲得較高的視頻散率曲線。

為了更好地分析超前含水斷層的尺寸a、傾角θ及距離d等參數和PFE之間的關系,在上述假設參數的基礎上,選擇頻率fG=100Hz,除對需討論的參數進行改變外,其它參數保持不變,分別計算相應的PFE數據。從圖5可見,斷層傾角的變換將引起視頻散率值的大幅變化,如θ=10°和θ=90°對應的曲線極大值之間相差約0.3%;同時曲線的形態也出現明顯的改變,在斷層傾角較小時,曲線呈單峰形態,而當斷層傾角較大時,曲線呈遞增分布。圖6為改變斷層尺寸情況下的視頻散率曲線,從中明顯可見,隨斷層尺寸增大,視頻散率值大幅上升,受含水斷層的影響越大,電性異常越明顯。
算相應的PFE數據。從圖5可見,斷層傾角的變換將引起視頻散率值的大幅變化,如θ=10°和θ=90°對應的曲線極大值之間相差約0.3%;同時曲線的形態也出現明顯的改變,在斷層傾角較小時,曲線呈單峰形態,而當斷層傾角較大時,曲線呈遞增分布。圖6為改變斷層尺寸情況下的視頻散率曲線,從中明顯可見,隨斷層尺寸增大,視頻散率值大幅上升,受含水斷層的影響越大,電性異常越明顯。圖7給出了改變斷層與供電點距離情況下視頻散率的分布曲線。從中可見,垂距d的改變,將引起視頻散率的幅值和分布形態的顯著變化,d從小逐漸變大時,視頻散率極大值逐漸減小,其對應的距離R逐漸增大,視頻散率曲線從單峰逐漸變化為單調遞增,反映含水斷層隨視頻散率的影響逐漸增大,即電性異常變得更為顯著。從以上分析可見,就理論而言,對于實際中不同斷距、不同產狀且與坑道掘進工作面不同距離的含水斷層,采用音頻電法進行超前探測時,其視頻散率均表現出較為顯著的電性異常,但異常特征會隨上述參數的改變而表現不同。

3 工程實踐
安徽淮北某礦回風上山坑道位于10煤底板,坑道頂板距離10煤層法距7~34m,平均22m。煤巖層總體為NW傾斜的單斜構造,其產狀為8°~15°∠6°~15°,煤層厚度1.7~5.8m,平均厚度3.8m。坑道掘進施工過程中主要揭露粗砂巖、中砂巖、細砂巖。由于現有地質信息較少,其坑道掘進前方標高逐步降低,結合前期掘進資料,認為待掘坑道前方可能隱伏導水斷層,臨相對高水壓威脅。
為確保該坑道順利安全掘進,巷道掘進過程中必須查明裂隙、斷層等可能富水發育構造,防止巷道與水體導通。現場進行了音頻電法超前探測試驗。利用采集的128Hz和16Hz的視復電阻率數據計算視頻散率,并按照文獻[11]的方法進行視頻散率偏移成像,獲得音頻電法的測試結果,如圖8所示,在3次超前探測試驗中共揭露了2個高頻散區(即低阻異常區),推斷該段巖層裂隙發育且含水。經現場掘進揭露,2個高頻散區均為巖層含水所致,在頻散率變化區,或為巖性變化,或為巖層產狀變化,局部為斷層影響區。綜合探采結果對比驗證,可以確定本次音頻電法超前探測結果是較可靠的,也進一步驗證了該方法的有效性。

4 結束語
隨著我國煤層開采不斷趨向深部,地質條件越加復雜,圍繞煤層開采所進行的一系列坑道掘進均面臨較大的安全威脅,其中水害是主要威脅之一。本文以音頻電法理論為基礎,提出音頻電超前探測方法。通過對坑道掘進前方含水斷層的視頻散率公式的推導,模擬了視頻散率與含水斷層尺寸、傾角及位置等參數之間的變化關系,確定利用音頻電法進行坑道掘進超前探測在理論上是可行的。通過現場的連續跟蹤探測,進一步驗證了該方法在解決實際問題時是較可靠的,能為煤礦防治水措施的制定提供技術支撐。
參考文獻
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[8]張金濤,周游,劉志民,等.超前探測巷道災害性含導水構造的雙頻激電法[J].煤炭學報,2015,40(8):1894-1899.
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[10]劉崧.頻譜激電法[M].武漢,中國地質大學出版社:1998.
[11]韓德品,李丹,程久龍,等.超前探測災害性含導水地質構造的直流電法[J].煤炭學報,2010,35(4):635-639.
作者簡介:
駱彬(1987-),男,安徽宿州人,在讀研究生,主要從事礦井物探技術現場應用研究。
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