直流电阻率法与工作面透明化
Direct current resistivity method and the transparency of mining face
通讯作者: 苏本玉,男,副教授,主要从事矿井地球物理理论与应用方面的研究工作。Email:subenyu@cumt.edu.cn
责任编辑: 王萌
收稿日期: 2021-08-20 修回日期: 2022-01-28
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Received: 2021-08-20 Revised: 2022-01-28
作者简介 About authors
饶荣富(1997-),男,研究生在读,主要从事电磁法数值模拟研究工作。Email:
通过先进的勘探设备与技术实现综采工作面的透明化,使煤层信息更加全面、准确,可为综采工作面的智能化生产奠定坚实的基础。直流电阻率法是矿井物探常用方法,其稳定性好、抗干扰能力强,对低阻体和高阻体都有灵敏的反映能力,因此直流电阻率法是实现工作面透明化的关键手段之一。为探究直流电阻率法在工作面透明化中的应用效果,对工作面探明含水构造、巷道迎头超前探测等问题,分别使用不同的工作方法对两种问题的响应特征进行三维正、反演。结果表明在对应的工作方法下得到的三维直流反演数据分布规律与初始模型基本一致,有良好的高、低阻体区分能力。对实际工程中直流电阻率法在工作面透明化中的应用有一定指导作用。
关键词:
The transparency of the fully mechanized mining face achieved using advanced exploration equipment and technology can make the information on coal seams more comprehensive and accurate and can lay a solid foundation for the intelligent production of the fully mechanized mining face. DC resistivity method is a common method for geophysical exploration. Owing to the high stability, great anti-interference performance, and sensitive responses to low- and high-resistance bodies, the DC resistivity method is one of the key means of achieving the transparency of the mining face. To explore the application effects of the method in the transparency of the mining face, this study used different working methods to conduct three-dimensional forward and inverse modeling of the response characteristics for solving proven water-bearing structures of the mining face and frontal advanced detection of roadways. The results show that the distribution laws of 3D DC inversion data obtained by corresponding working methods were basically consistent with those of the initial model, and the DC resistivity method can well distinguish between high- and low-resistivity bodies. Therefore, this study can guide the application of the DC resistivity method in the transparency of mining face in practical engineering.
Keywords:
本文引用格式
饶荣富, 苏本玉.
RAO Rong-Fu, SU Ben-Yu.
0 引言
从20世纪90年代开始,直流电阻率法的研究方向主要集中在煤矿突水这一突出问题上[6]。国外用于低阻煤层小构造探测的巷道间直流电透视技术、巷道侧帮电测深和电剖面技术较为成熟[7];而国内的矿井电法技术主要用于掘进迎头和巷道顶、底板构造探查,并且将高密度电阻率法和断面测深技术用于煤矿井下,通过减小接地电阻等压制井下强地电干扰的方法,解决了井下施工的技术难题[8]。鲁晶津[9]通过正反演得到合适参数,并应用到工作面底板水探查的实际工程中,圈定出岩层富水区。2020年,高卫富等[10]丰富了环工作面三维直流电法工作理论,推导得到环工作面三维直流电法深度坐标公式,采用对角偶极装置分别进行数值模拟和实际应用分析,提高了环工作面三维直流电法的灵敏度和反演分辨率。
1 三维直流电法正反演理论
1.1 三维直流正演理论
1.1.1 三维直流正演理论
其中:R为点M与源A的距离。求解该微分方程,得直流点电源在全空间内任一点产生的电位为:
其中:ρ为电阻率;I为电流强度。得到直流电法二次场的边值方程组:
1.1.2 三维网格剖分
图1
图2
这样,全空间区域和边界Γ∞的积分可分为所有四面体单元e和Γe之和,即:
1.2 三维直流反演理论
在20世纪20年代,电阻率法反演理论就开始建立,经过发展,电阻率反演方法与形式不断演变。从早期的阻尼最小二乘法、高斯牛顿法、模拟退火法、神经网络法到现在的最小构造反演法、电性锐变边界模型反演法;从早期的地面电阻率二维反演到后期的井下全空间三维电阻率反演。三维反演方法现在通常使用线性反演方法,其思想是在测量数据和物理模型之间建立某种函数关系,在这种函数关系上要有特定的解存在,通过参数置换法和泰勒级数展开法把非线性问题转换为线性问题,特别是对多维反演有收敛性,目前线性反演理论成熟、效果最好、应用最广泛[16]。
2 矿井直流电法正、反演
2.1 工作面内探测正、反演
2.1.1 工作面探测工作方法
对于U形综采工作面探测时,可将电极布设在工作面上或是工作面与巷道的连接处,这样确保电流能主要流向回采方向内的介质。考虑实际巷道的长度以及井下布极条件,电极的间隔可设计为5 m或10 m,电极沿着工作面走向布设为U形,见图3。此布极方式能充分利用电极分布宽度,使探测盲区尽量小。
图3
由于探测工作面所使用的U形电极排列所需求的电极数目较多,为了增加采集效率、减小探测盲区,需要选择合适的观测方式。考虑所使用的正演软件特性以及电极布设方式,采用温纳装置进行跑极观测。观测时采用不同的电极间隔系数跑极,这样在一个剖面上所测的点是逐层分布的,形成的断面图为等腰倒梯形(图4)。
图4
2.1.2 回采方向异常体数值模拟
图5
图6
图7
图7
工作面探测反演结果x方向切片
Fig.7
x-direction slice map of detection inversion result of working face
图8
图8
工作面探测反演结果y方向切片
Fig.8
y-direction slice map of detection inversion result of working face
图9
图9
工作面探测反演结果z方向切片
Fig.9
z-direction slice map of detection inversion result of working face
图10
图10
工作面探测三维电阻率反演
Fig.10
Three dimensional resistivity inversion map of working face detection
图10为3个切片的组合而成的三维电阻率反演图,可以直观地看出模型内反映出一低阻异常。
2.2 巷道超前探测正、反演
2.2.1 巷道迎头超前探测工作方法
通常在巷道空间内使用直流电法探测迎头前方异常体时,在巷道地面布设一条测线直到巷道迎头,测线上有若干个电极,在靠近迎头处的电极供电,在后方的电极依次测量,如图11所示。
图11
图11
巷道空间超前探测传统布极方式
Fig.11
Traditional pole arrangement method of roadway space advanced detection
图12
图12
巷道空间超前探测三测线示意
Fig.12
Schematic diagram of three survey lines for advanced detection of roadway space
图13
2.2.2 巷道前方异常体数值模拟
对一巷道空间前方的低阻体进行了超前探测数值模拟,该正演模型如图14所示,整个背景模型规格200 m×50 m×100 m的空间,其电阻率为300 Ω·m;巷道空间长100 m,宽、高均为5 m,电阻率为10 000 Ω·m;异常体位于巷道前方20 m处,长、宽均为10 m,高5 m,电阻率为1 Ω·m。
图14
网格化后的单元模型见图15。正演时,使用3条平行测线中的其中2条进行供电与测量,数据的相对误差为0.01,得到电位差,数据精度为10-4,将其作为反演的初始数据。
图15
图15
巷道超前探测模型网格剖分示意
Fig.15
Schematic diagram of mesh generation for advanced detection model of roadway
反演的模型框架与正演模型一致,但电阻率设置为均匀的300 Ω·m。反演时,正则化因子为 0.01,迭代次数为4,数据精度范围在10-5~10-4,最终的误差率为4.62%,得到图16~图19的反演结果。其中图16、图17为y、z方向的电阻率模型切片图,图上的红色矩形框为正演模型中异常体的位置,蓝色矩形框为巷道空间所在区域,可以直观地看出该区域较周围区域呈现出高阻特征,而高阻区域前方大约20 m出呈现出低阻响应,这和正演模型的异常体位置分布是一致的,而在图18的x方向上切片也呈现明显的低阻异常特征,并且低阻区域与实际异常体位置基本相符;图19为3个切片的组合而成的三维电阻率反演图,从该图上能更立体的看出反演结果呈现的全空间电阻率特征。
图16
图16
巷道超前探测反演结果y方向切片
Fig.16
y-direction slice of roadway advanced detection inversion results
图17
图17
巷道超前探测反演结果z方向切片
Fig.17
z-direction slice of roadway advanced detection inversion results
图18
图18
巷道超前探测反演结果x方向切片
Fig.18
x-direction slice of roadway advanced detection inversion results
图19
图19
巷道超前探测三维电阻率反演
Fig.19
Three dimensional resistivity inversion map of advance detection of roadway
3 结论
针对工作面内回采方向的异常体、巷道空间前方异常体分别采用不同工作方法的矿井直流电阻率法进行了全空间的正、反演数值模拟,根据二者呈现的反演结果可以得出以下结论:
1) 对于工作面内回采方向含水构造等低阻异常的探查,可沿着工作面的3个侧面布置U形的电极,而后采用高密度电法或者网络并行电法中的观测方式进行数据采集。从3个分量的反演结果切片来看,该方法测得的数据经过反演能较好地反映出低阻异常特征,并且具有较好的分层能力。值得注意的是,此种布极方法由于电极位于模型边界面,反演结果中电极附近同样会呈现出低阻,因此在实际工作中需要加以注意。
2) 对于巷道空间内探测迎头前方异常体,可以垂直巷道底板布设3条平行的电极,测线之间间距不宜过大,而电极距不宜过小;观测时,在一条测线上选取两个电极作为供电电极,在另一条测线的斜对面选取两个电极作为测量电极,并且尽量充分使用3条测线上的电极。经过此种方法测得的数据反演后能清晰反映出巷道的高阻特征和异常体的低阻特征,并且特征的区域大小、坐标位置与实际模型基本一致。
3) 经过所做的数值模拟工作,对于矿井直流电阻率法的实际应用有一定的指导作用,特别是回采工作面内复杂地质问题的探查,所使用的直流电阻率工作方法有不错效果。但做的工作并不全面,所构建的模型比较简单,没有充分考虑井下的复杂地质条件,因此今后在解决实际工程问题时要对此进行补充说明;除此之外,所研究分析的异常体均为板状异常体,今后也要进一步分析本文采用的两种工作方法对于球状体、柱状体或是其他类型的异常体的探测效果。
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