多层采空区地面-巷道瞬变电磁探测理论与方法研究

当前，采空区积水是诱发我国煤矿特大突水灾害事故的主要原因之一。矿井瞬变电磁技术、矿井直流电法技术的应用，大大提高了矿井防治水水平，由于受技术本身条件所限，仍无法满足煤矿防治水工作的精细探查要求，急需研究适用于我国煤矿特有条件下，更为先进、更为有效的高分辨率地球物理探测技术。地面—巷道瞬变电磁技术具备了地面、井下地球物理探测技术的优点，同时克服了两者的缺点，有望成为多层采空区有效探测的最佳方法。 本项目主要研究内容为：①大回线源瞬变电磁场3D数值模拟计算方法；②大回线源地表下半空间内任意点的瞬变电磁场的时空响应特征；③地面发射巷道接收时多层采空区不同组合方式下瞬变电磁场时空响应差异；④地面-巷道瞬变电磁探测结果的表征与解释方法。 项目重要结果： 1）一维层状模型数值模拟结果表明，早期，瞬变电磁场由浅至深、由回线边缘至回线中心逐步扩散；晚期，在整个扩散区域的瞬变电磁场在垂向上趋于均匀，不同深度上的瞬变电磁响应信号存在明显差异，说明多层采空区地面—巷道瞬变电磁法的理论可行性。 2）3D数值模拟与物理模拟结果表明，①地面—巷道瞬变电磁法由于观测点位于地下巷道中，可以屏蔽地面干扰信号，相对地面瞬变电磁法而言距探测目标体更近，其响应幅值高，抗噪能力强，结果更加可靠；②对于积水采空区，当水平范围较大时，传统地面瞬变电磁法与地面—巷道瞬变电磁法均有较好的探测效果，但当水平范围分布较小时，地面—巷道瞬变电磁法分辨更高，优势更加明显；③地面-巷道瞬变电磁法对采空区的探测效果均随着厚度的增加而增强，但当低阻采空区厚度小于50m以及高阻采空区厚度大于20m时，该方法探测效果更好，地面-巷道瞬变电磁法对高阻采空区的分层能力较低，而对低阻采空区的层位识别能力较强。 3）在山西朔州东易煤矿与阳煤一矿进行了工程实践，成功圈定了采空积水边界。 该项目的科学意义在于系统地研究了地面—巷道瞬变电磁技术的基础理论与应用方法，丰富了我国矿井灾害水源探测的技术手段，开拓了瞬变电磁新的探测方法，有望提高我国矿井防治水技术水平，也为深部水源污染实时动态监测提供了潜在技术储备，具有较高的理论意义与现实应用意义。 2100433B

采空区积水是诱发我国煤矿特大突水灾害事故的主要原因之一。基于地面、井下两种地球物理探查技术的优点，提出了多层采空区地面-巷道瞬变电磁探测的方法技术。拟采取数值模拟、物理实验、现场测试等手段对大回线源地表下半空间内任意点的瞬变电磁场的时空响应特征进行研究，重点研究不同空间方位低阻薄板异常体地面-巷道探测方式下瞬变电磁场空间响应差异，实现多层采空区积水层位识别，采空区积水边界的圈定，并探讨地面-巷道方式瞬变电磁探测结果的表征与解释方法，进而建立该方法的理论基础。该方法的成功应用必将丰富矿井水文地质探查的技术手段，同时也能提高我国矿井防治水技术水平，为矿井安全生产提供保障，具有较高的理论意义与现实意义。

尽管隧道结构表面病害的快速探测方法已经趋于成熟，但是隧道结构内部病害的快速探测方法还是一个尚未得到很好解决的难题。为此，本研究提出应用列车瞬变电磁法，考虑隧道全空间瞬变电磁近场效应特征，对隧道结构内部病害快速探测方法开展研究，主要对以下问题开展研究： (1) 天线形式、布置及最佳参数； (2) 列车探测速度、天线发接频率和近场盲区干扰源影响探测精度的规律； (3) 快速分块采集、定位和合并方法； (4) 数学滤波和快速反演方法； (5) 建立智能数据库，形成反演结果的智能评价体系。 本研究首次提出了一种新型的隧道结构内部病害快速探测方法，为隧道结构维护提供了新的技术手段和保障。

尽管隧道结构表面病害的快速探测方法已经趋于成熟，但是隧道结构内部病害的快速探测方法还是一个尚未得到很好解决的难题。为此，本研究提出应用列车瞬变电磁法，考虑隧道全空间瞬变电磁近距离效应特征，对隧道结构内部病害快速检测方法开展研究，主要对以下问题开展研究： 1，天线形式，布置和最佳参数； 2，列车探测速度，天线接发频率和近距离盲区干扰源影响探测精度的规律； 3，快速分块采集，定位和合并方法； 4，数学滤波和快速反演方法； 5，建立智能数据库，形成反演结果的智能评价体系。 2100433B