基于井地电位观测的废弃矿井采动边界及范围成像方法

1.本发明属于煤田地质勘探技术领域，具体涉及一种基于井地电位观测的废弃矿井采动边界及范围成像方法。


背景技术：

2.开展废弃矿井采空塌陷区的精准探测是实现废弃矿井资源开发和利用的重要前提和保障。目前，针对废弃矿井地下空间目标的探测方法主要分为地面物探方法和井中物探方法，而在方法原理上大致可以归结为地震法和电磁法两种。其中，地震方法虽然对断层、采空区、地层等有较好的探测效果，但其施工成本较高，出成果的周期长，并且在一些管路密集的工区开展爆破作业也不适宜。电磁探测方法具有对低阻体敏感、分辨能力强的特点，但该方法也存在着探测深度浅和纵向分辨率低的问题。井中物探法虽然对矿井下异常体的探测具有较高的精度，但是该方法容易受到井下环境和仪器条件的限制，数据采集较困难。
3.井地电位技术是一种在井中激发供电，利用地表监测的电位异常进行地下地质体探测的电法勘探技术。与传统的地面电法和井下电法勘探技术相比，该技术具有施工方便快捷、横向分辨率高和探测深度大的优势，已经在油田注水开发和剩余油监测等方面取得了较好的应用效果，但是在煤田地质勘探中的应用相对较少。目前，在矿井中利用该技术进行井下异常体探测时，主要是通过电极在井中供电，然后对地表观测的电位异常数据进行反演来得到目的层的电阻率分布情况，从而对井下异常体进行圈定和判断。
4.该方法存在的缺点如下：通过点电流源井中供电，在地表观测的电位异常是地下采煤工作面和其顶部地层电性信息的综合反映，且采煤工作面埋藏越深，其顶部地层对地表观测数据的影响就越大，利用该观测数据直接反演的电阻率精度不高，影响了对采煤工作面异常体，尤其是边界位置的圈定和解释。
5.因此，如何提高对废弃采煤工作面采动区域及其边界的解释精度，是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提供了一种基于井地电位观测的废弃矿井采动边界及范围成像方法，旨在解决针对现有的利用井地电位技术探测井下采煤工作面异常体位置时，由于观测数据受到煤层顶部地层电性信息的干扰，导致反演的采煤工作面异常体探测精度较低的问题。
7.本发明采用的技术方案为：
8.一种基于井地电位观测的废弃矿井采动边界及范围成像方法，利用点电流源井中供电，分别在采煤工作面的顶板和底板进行激发，同时在地表进行电位观测和数据采集，然后将两次观测的地表电位异常数据做差，最后再利用做差后的电位异常数据进行反演。
9.进一步地，所述成像方法的准备工作包括：确定所述采煤工作面(1)埋深，以及所
述顶板(2)和所述底板(3)的位置，确定激发电源在所述顶板(2)和所述底板(3)的定位，并在地表布置观测电极(4)。
10.进一步地，包括两次激发与地表电位数据测量：
11.第一次激发与地表电位数据测量包括将所述点电流源定位于所述采煤工作面(1)的所述底板(3)位置，实施激发，同时在地表测量电位信息，存储为d1；
12.第二次激发与地表电位数据测量：将点电流源定位于所述采煤工作面(1)的所述顶板(2)位置，实施激发，同时在地表测量电位信息，存储为d2。
13.进一步地，将在所述底板(3)和所述顶板(2)激发并在地表测量的电位异常数据做差处理，即δd＝d
1-d2，作为用于反演的观测数据。
14.进一步地，利用广义反演法一般形式得到所述采煤工作面(1)的电阻率信息。
15.进一步地，所述广义反演法一般形式为m＝g-1
δd，其中，m是反演的电阻率；g是雅可比矩阵。
16.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
17.以往基于井地电位技术进行采煤工作面异常体探测的方法主要是在井下进行一次激发，利用地表监测的电位数据进行电阻率反演。这样反演得到的电阻率容易受到煤层顶部地层的影响，尤其是对于采煤工作面含水层区域的圈定效果较差。为了更加精确突出采煤工作面的电阻率信息，在观测数据中有效剔除掉煤层顶部地层电性信息的干扰是十分必要的。
18.本发明的方法通过在井中目标煤层底板和顶板分别实施激发和观测，然后将两次地表观测的电位异常数据相减，消除观测数据中煤层顶部电性信息的干扰，做差后的电位异常数据更能反映采煤工作面的电性信息，最后利用广义反演法对做差后的电位异常数据进行电阻率反演，从而提高对废弃采煤工作面采动区域及其边界的解释精度。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
20.图1为本发明的成像方法流程图；
21.图2为本发明提供的观测示意图；
22.图3附图为本发明提供的实施例中的地层模型示意图；
23.图4附图为本发明提供的利用电流源在井中煤层顶板附近激发时地表观测的电位数据反演得到的采煤工作面电阻率；
24.图5附图为本发明提供的利用电流源在井中煤层底板附近激发时地表观测的电位数据反演得到的采煤工作面电阻率；
25.图6附图为本发明提供的利用两次激发地表观测的电位差数据进行反演的采煤工作面电阻率。
26.其中：1-采煤工作面；2-顶板；3-底板；4-观测电极。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.如图1-2所示，本发明的基于井地电位观测的废弃矿井采动边界及范围成像方法，利用点电流源井中供电，分别在采煤工作面1的顶板2和底板3进行激发，同时在地表进行电位观测和数据采集，然后将两次观测的地表电位异常数据做差，最后再利用做差后的电位异常数据进行反演。
29.本发明利用地表两次观测的电位异常数据做差后再进行电阻率反演，能够有效剔除煤层上部地层电性信息对反演结果的影响，提高对采煤工作面1的异常体的探测精度。具体操作步骤如下：
30.s1、观测前的准备工作：确定所述采煤工作面1埋深，以及所述顶板2和所述底板3的位置，确定激发电源在所述顶板2和所述底板3的定位，并在地表布置观测电极4。
31.s2、进行两次激发的第一次：第一次激发与地表电位数据测量包括将点电流源定位于所述采煤工作面1的所述底板3位置，实施激发，同时在地表测量电位信息，存储为d1。
32.s3、进行两次激发的第二次：第二次激发与地表电位数据测量包括将点电流源定位于所述采煤工作面1的所述顶板2位置，实施激发，同时在地表测量电位信息，存储为d2。
33.s4、准备用于反演的观测数据：将在所述底板3和所述顶板2激发测量的电位异常数据做差处理，即δd＝d
1-d2，作为用于反演的观测数据。
34.s5、采煤工作面1的电阻率反演：利用广义反演法一般形式得到所述采煤工作面1的电阻率信息。所述广义反演法的一般形式为m＝g-1
δd，其中，m是反演的电阻率；g是雅可比矩阵。
35.本发明的基本原理为：
36.在地球物理研究中，由已知地电模型和场源的信息求观测电位响应的过程称为正演。井地电位技术的正演问题满足直流电法的基本微分方程，即泊松方程：
[0037][0038]
式中，σ为岩石的电导率，为观测的电位，δ为狄拉克函数，i为电流强度，(x0,y0,z0)为源的位置，(x,y,z)为观测点坐标。
[0039]
对(1)式两端进行体积分有：
[0040][0041]
式中，v代表包围体积元的体积，为电位响应，v为电流源与观测点之间包围的体积元。
[0042]
从式(2)可以看出，电位响应与源的位置和地下介质的电性特征有关。当位于地表时，包围体积元的体积会随着电流源位置的加深而变大，则地表电位响应是该体积元内，即从电流源到地表之间所有地层体积元电性信息的综合响应。
[0043]
地球物理反演可以看作是正演的逆过程，井地电位电阻率反演可以表示为以下一般形式：
[0044]
m＝g-1
d (3)
[0045]
式中：d为观测数据；m是反演的电阻率；g是雅可比矩阵，与网格剖分尺寸和电流源的位置有关。从式(3)能够看出，反演的电阻率数值受到观测数据的影响，当观测数据越能反映目的层的电性信息，反演的目的层电阻率将会越准确。
[0046]
下面通过本发明的具体实施例通过对理论地层模型的反演试算结果来具体说明本发明提供的成像方法在提高煤层采空塌陷区边界解释精度方面的效果。
[0047]
设一废弃采煤工作面1埋深800m，一口钻遇煤层的钻孔位于采空区前方300m处，钻孔深1000m，煤层厚度50m。为探明该废弃矿井采空塌陷区的边界及其具体范围，设计采空区的规格为400m
×
300m
×
50m，煤层电阻率为1000ω
·
m，采空塌陷区电阻率为10ω
·
m，顶板2及上部地层和底板3及下部地层的电阻率均为100ω
·
m。具体的地层模型如附图3所示。
[0048]
利用电流源在井中煤层顶板附近激发时地表观测的电位数据反演得到的采煤工作面1的电阻率如附图4所示；利用电流源在井中煤层底板附近激发时地表观测的电位数据反演得到的采煤工作面1的电阻率如附图5所示；利用两次激发地表观测的电位差数据进行反演的采煤工作面1的电阻率如图6所示。对比可以看出，通过本发明提供的方法反演得到的采煤工作面电阻率图像比利用单次激发和观测的地表电位数据反演的结果对煤层采空塌陷区的边界识别效果更加清晰，能够为废弃矿井井下资源和空间的利用提供有效的解释依据。
[0049]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。