近距离煤层上部含水区采前瞬变电磁探测施工及解释方法与流程

1.本发明属于煤层采前物探技术领域，更具体地说，是涉及一种近距离煤层上部含水区采前瞬变电磁探测施工及解释方法。


背景技术：

2.瞬变电磁法对含水低阻体反应敏感，在煤矿防治水工作中常用于勘查煤矿井下含水地质体，如含水陷落柱、采空区、深部含水层等。井下瞬变电磁探测技术具有测距大、定向性好、对水敏感、控制范围大等特点。
3.近距离煤层上部含水区中的“近距离”指煤层直接顶为含水层或含水层距离煤层小于20m的情况。开采时，含水区与煤层间若存在间隔层，间隔层作为下层煤直接顶顶板。采掘活动会导致煤层顶板发育一定高度的导水裂隙带或造成间隔层直接垮落，形成导水通道，造成矿井水害事故。
4.现阶段瞬变电磁探测上部含水区的施工方法是在测点位置垂直设置发射角度，虽能进行一定范围的探测，但是实际测量中会存在探测盲区，探测盲区自瞬变电磁发射点向外延伸10米到20米不等的距离，导致探测上部近距离煤层采空区时无法在目标层位探测到有效数据，易造成突水事故发生。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种近距离煤层上部含水区采前瞬变电磁探测施工及解释方法，能够排除探测盲区对探测的影响，实现对上部近距离煤层含水区有效探测，避免突水事故的发生。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种近距离煤层上部含水区采前瞬变电磁探测施工及解释方法，包括以下步骤：
7.s100:分析水文地质资料，据含水区的属性初判顶板含水区范围，并据顶板含水区范围设计瞬变电磁的垂向探测角度及水平探测角度；
8.s200:布设若干个瞬变电磁探测点至巷道内，瞬变电磁探测点采用垂向探测和斜向探测相结合的探测方式，获取瞬变电磁数据；
9.s300:提取不同层位的瞬变电磁数据，绘制不同层位解析图件，圈定重点顶板含水区并探放处理。
10.在一种可能的实现方式中，步骤s100中，水文地质资料包括含水区的位置、形态以及水流方向，垂向探测角度和水平探测角度以覆盖顶板含水区范围为准。
11.在一种可能的实现方式中，垂向探测为垂向向上探测，斜向探测为沿煤层的走向的斜向向上探测。
12.一些实施例中，步骤s200中，斜向探测的可探测路径长度为l,选取l为20-50m，并调节斜向探测的探测角度以使顶板含水区的边界均处于可探测路径长度范围内，以避开探测盲区范围。
13.一些实施例中，步骤s200中，巷道的走向沿煤层的走向设置，若干个瞬变电磁探测点沿巷道的走向间隔排布，相邻两个瞬变电磁探测点之间的间距小于20m。
14.一些实施例中，巷道在水平面上的投影围设为矩形框，巷道的长边沿煤层的走向设置，巷道的短边沿煤层的倾向方向设置，瞬变电磁探测点设置于矩形框的长边上。
15.一些实施例中，瞬变电磁探测点在矩形框的两相对侧边上对称布设。
16.一些实施例中，步骤s200中，斜向探测的探测方向与所述巷道的走向在同一纵向平面内，且斜向探测的探测方向与巷道的走向呈锐角夹角设置。
17.一些实施例中，斜向探测为朝向巷道前侧上方倾斜的前斜向探测、朝向巷道后侧上方倾斜的后斜向探测、或前斜向探测与后斜向探测的结合。
18.在一种可能的实现方式中，步骤300中，采用克里格法使不同层位的瞬变电磁数据插值成图。
19.本技术实施例所示的方案，与现有技术相比，本技术实施例提供的近距离煤层上部含水区采前瞬变电磁探测施工及解释方法，适用于近距离煤层上部含水层的精准探测，上述近距离煤层上部含水层指的是直接顶为含水层或含水层距离煤层小于20m的工况；在瞬变电磁垂向探测的基础上，结合斜向角度的探测，排除探测盲区的影响，实现了上部近距离含水区的有效探测，提高了探测的精准性，避免了突水事故发生，保证了煤矿安全生产。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本发明实施例提供的近距离煤层上部含水区采前瞬变电磁探测施工及解释方法中瞬变电磁垂向探测角度布设的俯视结构示意图；
22.图2为本发明实施例图1中a-a剖展示瞬变电磁垂向探测状态的结构示意图；
23.图3为本发明实施例图1中a-a剖展示瞬变电磁斜向探测状态的结构示意图；
24.图4为为本发明实施例图1中a-a视展示瞬变电磁斜向探测状态的另一个实施例的结构示意图；
25.图5为本发明实施例图1中b-b剖展示瞬变电磁垂向探测状态的结构示意图；
26.图6为本发明实施例图1中b-b剖展示瞬变电磁斜向探测状态的结构示意图。
27.其中，图中各附图标记：
28.1、巷道；11、煤层；2、间隙层；3、上部煤层含水区；4、顶板含水区；5、探测盲区；6、可探测区；7、瞬变电磁探测点。
具体实施方式
29.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
30.需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上
或者间接在另一个元件上。需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更若干个该特征。在本发明的描述中，“若干个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
31.需要说明的是，瞬变电磁探测法是利用不接地回线或接地电极发送脉冲式一次电磁场,用线圈或接地电极观测该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场的空间和时间分布,从而解决有关地质问题的时间域电磁法。
32.目前，多采用瞬变电磁探测法对煤层11进行探测，便于尽早发现顶板含水区4并进行对应预防，避免采掘活动造成煤层11的顶板发育出导水裂隙带，进而避免间隔层直接垮落、形成导水通道并造成矿井水害事故。
33.针对不同含水层属性，如根据水文地质资料初步判断含水层与煤层11之间的间距，当上述间距满足近距离条件时(即煤层11的直接顶为含水层或含水层距离煤层11小于20m)，可采用上述探测施工及解释方法进行探测。含水区包括顶板含水区4和位于顶板含水区4上方的上部煤层含水区3，本方法可对含水区进行整体探测，其重点在于如何保证探测范围全面覆盖顶板含水区4。
34.参阅图1，图中箭头指示的方向为煤层11的走向，煤层11内设有巷道1，煤层11上方为间隙层2，间隙层2上方为上部煤层含水区3，该探测方法主要用于探测顶板含水区4，通过使用斜向探测方式使上述探测方法能够适用于近距离煤层11上部含水层的精准探测，上述近距离煤层11上部含水层指的是直接顶为含水层或含水层距离煤层11小于20m的工况。
35.请一并参阅图1及至图6，现对本发明提供的近距离煤层上部含水区采前瞬变电磁探测施工及解释方法进行说明。近距离煤层上部含水区采前瞬变电磁探测施工及解释方法，包括以下步骤：
36.s100:分析水文地质资料，据含水区的属性初判顶板含水区4范围，并据顶板含水区4范围设计瞬变电磁的垂向探测角度及水平探测角度；
37.s200:布设若干个瞬变电磁探测点7至巷道1内，瞬变电磁探测点7采用垂向探测和斜向探测相结合的探测方式，获取瞬变电磁数据；
38.s300:提取不同层位的瞬变电磁数据，绘制不同层位解析图件，圈定重点顶板含水区4并探放处理。
39.本实施例提供的近距离煤层上部含水区采前瞬变电磁探测施工及解释方法，与现有技术相比，本实施例提供的近距离煤层上部含水区采前瞬变电磁探测施工及解释方法，适用于近距离煤层11上部含水层的精准探测，上述近距离煤层11上部含水层指的是直接顶为含水层或含水层距离煤层11小于20m的工况；在瞬变电磁垂向探测的基础上，结合斜向角度的探测，排除探测盲区5的影响，实现了上部近距离顶板含水区4的有效探测，提高了探测的精准性，避免了突水事故发生，保证了煤矿安全生产。
40.在根据水文地质资料进行含水层与煤层11之间间距判断的同时，还需预判顶板含水区4的范围，便于根据顶板含水区4的范围有针对性的在巷道1内进行探测点的布设。水平
探测角度的布设采用常规方式，在此基础上，通过垂向探测角度和斜向探测角度的结合可实现对顶板含水区4的精准探测。
41.在进行瞬变电磁斜向探测的过程中，需要选择斜向探测角度，该斜向探测角度的选择应最大限度的保证顶板含水区4的底部位置处于探测盲区5范围外，也就是使斜向探测角度与水平面之间的夹角减小到使探测盲区5的上边缘线低于顶板含水区4的底部位置，使顶板含水区4整体避开探测盲区5，以处于可探测区6内。
42.在减小斜向探测角度与水平面之间夹角的基础上，还需要考虑斜向探测的可探测区6在水平面上的覆盖范围，应使该覆盖范围最大限度的对顶板含水区4进行覆盖，保证能够充分地探测到顶板含水区4，提高顶板含水区4的探测精准度。
43.需要说明的是，为了便于说明，图2至图6中，粗虚线区域为探测盲区5所包含的区域范围。
44.参见图2，在步骤s100中，水文地质资料包括含水区的位置、形态以及水流方向，垂向探测角度和水平探测角度以覆盖顶板含水区4范围为准。根据预判顶板含水区4的位置，在巷道1内布设瞬变电磁探测点7，使其能够在竖直方向以及水平方向对含水层进行充分覆盖，避免探测位置偏差造成局部顶板含水区4的遗漏。经过上述垂向探测后，可得到部分顶板含水区4的瞬变电磁数据，对于顶板含水区4位于探测盲区5范围内的部分，还需要结合斜向探测操作方可获取对应参数。
45.具体的，垂向探测为垂向向上探测，斜向探测为沿煤层11的走向的斜向向上探测。瞬变电磁探测点7布设在巷道1内，巷道1沿煤层11的走向延伸，瞬变电磁探测点7沿巷道1的走向间隔排布有若干个，其布设的长度与布设的密度决定着是否能够有效覆盖顶板含水区4的范围。
46.参见图3，步骤s200中，在斜向探测过程中，采用斜向探测的方式，瞬变电磁的探测方向自垂向向前倾斜(此处的前指的是沿巷道1向煤层11内行进的方向)，直至探测方向与水平面之间形成所需夹角后，进行斜向探测的对应操作。
47.瞬变电磁探测过程中，垂向探测的探测方向为垂直向上设置，自巷道1内向上对煤层11上方的顶板含水区4进行垂直探测探测。斜向探测指的是的探测方向为倾斜向上探测的方式，倾斜方向朝向巷道1的前方或后方，倾斜探测的探测方向与巷道1的底面成锐角夹角设置，实现对煤层11上方的顶板含水区4的斜向探测，使顶板含水区4处于探测盲区5范围的上方，也就是使顶板含水区4处于可探测区6内。
48.确定瞬变电磁探测的具体倾斜角度(也就是瞬变电磁的探测方向为垂直向上设置，能够自巷道1内向上对煤层11上方的顶板含水区4进行垂直探测探测。斜向探测的可探测路径长度为l,选取l为20-50m，并调节斜向探测的探测角度以使顶板含水区4的边界均处于可探测路径长度范围l内，以避开探测盲区5范围，使顶板含水区4处于可探测区6内。
49.瞬变电磁探测过程中，探测盲区5一般从10米到20米不等，在瞬变电磁探测路径上，需要充分避开与瞬变电磁探测点7相距20米以内的区域，为了保证探测的精准度，还需要控制可探测区6处于50米范围内，上述选择在20-50m范围内既可以避开探测盲区5，又可以提高探测的精准度，保证斜向探测获取的探测参数的有效性。
50.在采用上述探测方法的基础上，请参阅图1，巷道1的走向沿煤层11的走向设置，若干个瞬变电磁探测点7沿巷道1的走向间隔排布，相邻两个瞬变电磁探测点7之间的间距小
于20m。布设瞬变电磁探测点7时，不仅要考虑顶板含水区4的位置、形态等信息，还需要进行瞬变电磁探测点7的合理布设。瞬变电磁探测点7在巷道1的走向上间隔排布，具有一定的排布密度，便于对顶板含水区4进行有效覆盖。相邻两个瞬变电磁探测点7之间间距的选择需要考虑布设成本以及探测效果，鉴于瞬变电磁探测点7自身可探测区6的考虑，应将相邻瞬变电磁探测点7之间的间距值设置在小于20米的范围，避免造成探测过程中顶板含水区4的遗漏。
51.巷道1在煤层11中的布设一般为矩形框形式，也就是巷道1在水平面上的投影围设为矩形框，巷道1的长边沿煤层11的走向设置，巷道1的短边沿煤层11的倾向方向设置，瞬变电磁探测点7设置于矩形框的长边上。为了实现对煤层11上方的顶板含水区4的充分覆盖，将瞬变电磁探测点7布设在沿煤层11走向布设的长度较大的两条巷道1上，也就是矩形框的两个长边上。该布设方式可以增大瞬变电磁探测点7覆盖的范围，实现对煤层11上方区域的有效覆盖，达到全面有效的探测效果，便于为后续提供更全面充分的探测数据，提高探测数据的有效性。
52.进一步的，瞬变电磁探测点7在矩形框的两相对侧边上对称布设，由于巷道1是沿煤层11走向延伸的，形成矩形框两个长边的巷道1分别靠近煤层11的两个侧边设置，将瞬变电磁探测点7对称布设在上述两个巷道1上便于对整个煤层11的上部区域进行全面覆盖，提高探测的全面性，保证数据的有效性。
53.斜向探测的探测方向与所述巷道1的走向在同一纵向平面内，且斜向探测的探测方向与巷道1的走向呈锐角夹角设置。电磁探测点在布设时，应使其探测方向处于巷道1延伸方向的同一纵向截面内，便于使电磁可探测区6想巷道1的两侧对称扩散，有助于增大水平面上能够探测到的范围，保证探测的全面性和精准性。
54.在一些实施例中，参见图3和图4，斜向探测为朝向巷道1前侧上方倾斜的前斜向探测、朝向巷道1后侧上方倾斜的后斜向探测、或前斜向探测与后斜向探测的结合。
55.实际探测过程中，根据顶板含水区4的具体情况，选择单独一种斜向探测方式或两种斜向探测方式的结合。可以选择向巷道1前侧上方斜向倾斜的前斜向探测的方式，能够对巷道1前部的范围进行覆盖，省略巷道1后端的极少部分范围；也可以选择向巷道1后侧上方斜向倾斜的后斜向探测的方式，能够对巷道1后部的范围进行覆盖，省略巷道1前端的极少部分范围。除了上述前斜向探测或后斜向探测的方式，在顶板含水区4在巷道1的前后两侧均有分布时，需要采用前斜向探测和后斜向探测相结合的形式，便于对巷道1前后两端进行全面探测，同时还能提高巷道1中部的探测精准度，提高探测数据的精准度。
56.在通过水平探测、垂向探测和斜向探测获取瞬变电磁探测参数后，采用克里格法使不同层位的瞬变电磁数据插值成图。克里格法(kriging)是地统计学的主要内容之一，从插值角度讲是对空间分布的数据求线性最优、无偏内插估计一种方法。克里格法的适用条件是区域化变量存在空间相关性。
57.以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。