一种煤矿综放采煤工艺条件下的采空区充填空间探测方法与流程

[0001]
本发明涉及采煤充填技术，具体为一种煤矿综放采煤工艺条件下的采空区充填空间探测方法。


背景技术：

[0002]
我国煤矿充填开采已成为煤矿绿色高效开采的主要趋势，其中采煤充填技术又可分为综采工艺充填技术和综放工艺充填技术。综采工艺条件下的充填技术相对成熟，充填仅局限在采煤工作面推进的后方采空区，对可充填空间探查几乎没有需求；综放工艺条件下的充填技术尚处于起步阶段，充填空间包括采空区及上方冒落带，对可充填空间的探查需求较大。
[0003]
对于采用综放采煤工艺的煤矿，原矸颗粒级充填技术可以有效地解决煤矿矸石的绿色充填问题。原矸颗粒级充填首要解决的就是如何弄清楚充填空间的问题，这有别于一般采空区探查方法，不仅要解决采空区内部可容纳空间，同时还要兼顾冒落带上方裂隙带发育所产生的可容纳空间。预测煤矿综放工作面采空区冒落带及上部裂隙带空间的分布与大小，已成为原矸颗粒级充填技术的关键问题之一。
[0004]
目前国内煤矿采空区空间主要探查方法有地震勘探、瞬变电磁法勘探、大地电磁法勘探等地球物理方法。地震勘探方法采用人工地震的方式，通过地震波传播来探明地下情况；瞬变电磁法勘探采用地面装置激发电磁场，当激发的电磁场发生变化时，穿透地层的电磁场会引起地下导体产生电流进而产生二次磁场，通过测量二次磁场的量探明地下情况；大地电磁法勘探是利用天然交变电磁场研究地球电性结构，可分为天然场源和人工场源，地面电磁场的观测值由于电磁感应的作用，不同周期的电磁场信号具有不同穿透深度，进而反演出地下不同深度地层电阻率分布的信息，以此来探明地下情况。总体而言，采空区探查方法基本都属于地球物理方法，均具有独立性和适用性。上述每种探查方法均具有各自的局限性，无法得到高的探查精度。


技术实现要素：

[0005]
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种煤矿综放采煤工艺条件下的采空区充填空间探测方法，提高了垂向上的探查精度。
[0006]
本发明是通过以下技术方案来实现：
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一种煤矿综放采煤工艺条件下的采空区充填空间探测方法，采用高密度电法探测20～100m范围内地层，采用瞬变电磁法探测100～300m范围内地层，然后采用联合视电阻率反演方法得到垂向分级探测结果。
[0008]
优选的，包括：
[0009]
步骤1，采用高密度电法采集数据，得到20～100m范围内地层的数据；采用瞬变电磁法采集数据，并截取100～300m范围内地层的数据；
[0010]
步骤2，在沉积地层层序垂向相控模型约束下，对高密度电法得到的20～100m范围
内地层的数据以及瞬变电磁法得到的100～300m范围内地层的数据进行联合视电阻率反演，得到垂向分级探测成果；
[0011]
步骤3，对联合视电阻率反演得到的探测成果进行解释并进行采空区充填空间的计算。
[0012]
进一步的，步骤2具体包括：
[0013]
(1)相控模型的构建：利用测井曲线电阻率曲线，按照沉积层序地层学的原理建立符合实际地质情况的沉积地层层序垂向相控模型；
[0014]
(2)正演模拟：根据构建的沉积地层层序垂向相控模型，由交变电磁场的麦克斯韦方程组，推导出水平层状大地表面回线源在阶跃电流激励下的电磁响应；再通过傅里叶逆变换或g-s逆拉普拉斯变换得到时间域感应电压响应；为反演计算优选相关参数提供参考依据；
[0015]
(3)反演计算：在沉积地层层序垂向相控模型的约束下，高密度电法的数据使用平滑约束的高斯-牛顿最小二乘反演技术，瞬变电磁法的数据使用粒子群算法反演技术，进行视电阻率的反演。
[0016]
进一步的，步骤3包括：
[0017]
根据区域地质、钻井资料、采空区冒落塌陷地质理论对得到的探测成果进行地层沉弯曲带、裂隙带、冒落带的垂向、横向空间分布解释和体积预测；
[0018]
根据上述解释和预测的空间体积大小，按照地层沉弯曲带、裂隙带、冒落带的垂向不同的孔隙度采空区范围可容纳空间体积大小。
[0019]
优选的，探测采用的观测系统中测线包括多条主测线和多条联络线；主测线顺采煤工作面走向布置，联络线垂直于主测线布置。
[0020]
进一步的，探测时，按照先主测线、后联络线的方式依次完成全部测线的数据采集工作。
[0021]
优选的，探测时，高密度电法和瞬变电磁法均采用1～2米的测量点间距进行数据采集。
[0022]
优选的，高密度电法与瞬变电磁法采用相同的观测系统和测量点进行测量。
[0023]
优选的，高密度电法采用远极供电，测量电极采用智能组合轮换变化的方式获取测量数据；瞬变电磁法采用逐点测量的方法获取数据。
[0024]
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0025]
本发明结合高密度电法与瞬变电磁法在垂向探测深度上的差异性，高密度电法探测深度最大至100m左右，对100m以上深度地层的探测精度很低；而瞬变电磁法在100m内的信号非常弱，探测精度低；因此，本发明采用高密度电法探测20～100m范围内地层，采用瞬变电磁法探测100～300m范围内地层，从而兼顾了高密度电法和瞬变电磁法的方法优势，有效将两种方法相结合，提高了垂向上的探查精度。
[0026]
进一步的，采用沉积层序地层学相控模型的约束反演，使反演的视电阻率结果更加符合实际地质情况。
附图说明
[0027]
图1为观测系统示意图。
具体实施方式
[0028]
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
[0029]
本发明探测方法基本原理为地球物理电法磁勘探方法，结合高密度电法与瞬变电磁法在垂向探测深度上的差异性，采用联合视电阻率反演方法对煤矿综放艺条件下充填空间进行垂向分级探测，揭示采空区冒落带及裂隙带的空洞、裂隙等可用于煤矸石颗粒级充填的空间大小及分布情况，以解决煤矿综放工艺条件下采空区充填空间难以定量估算的问题，提高探测精度。本发明探测方法兼顾了煤矿采空区冒落带和裂隙带的可容纳空间的探测精度，为新型矿山绿色充填开采提供了基础性空间估算的新方法。
[0030]
本发明与常规地球物理探测方法有两方面的明显改进：(1)采用高密度电法与瞬变电磁法组合，解决了采空区冒落带及裂隙带垂向分级探查的目的；(2)采用沉积层序地层学相控模型的约束反演，使反演的视电阻率结果更加符合实际地质情况。
[0031]
本发明方法主要包括：
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数据分级采集方法：高密度电法采用1～2米的电极间距采集数据，探测20～100m范围内地层；瞬变电磁法采用1～2m间距，小线圈发射与接收，探测100～300m范围内地层。
[0033]
联合视电阻率反演方法：采用沉积地层层序垂向相控约束实现高密度电法与瞬变电磁法垂向分级数据的联合视电阻率反演。
[0034]
一体化解释：通过联合反演得到了成果剖面可以兼顾采空区及上方冒落带的空洞、裂隙等可充填空间的分布解释。
[0035]
具体的，本发明垂向分级探测方法包括：
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1.观测系统设计
[0037]
观测系统中测线包括多条主测线和多条联络线。主测线设计为顺采煤工作面(或主要构造)走向布置，联络线设计为垂直于主测线布置，形成网格性测线观测系统。高密度电法、瞬变电磁法均采用1～2米的间距进行数据采集，即在主测线和联络线上间隔1～2米采集一个数据，或者说同一测线上相邻两测量点的间距为1～2米。观测系统示意图见图1。
[0038]
2.数据采集
[0039]
采集时按照观测系统设计布置测线，先主测线、后联络线的方式依次完成全部测线的数据采集工作。
[0040]
(1)高密度电法：利用供电电极(a、b)向地下供直流(或超低频流)电流，同时在测量电极(m、n)间测量电势差(δumn)，测量电极m和测量电极n之间电极间距为1～2米。可以设置一组测量电极m和测量电极n，测量时，在一个测量点测量完成后，将测量电极m和测量电极n分别沿测线(主测线或联络线)既定方向按规定的电极间距(例如1～2米)移动至下一个测量点测量电势差(δumn)。还可以采用电极按照单测线一次布置，采用智能控制算法轮换选择两个测量电极的方式，高效完成数据采集。
[0041]
(2)瞬变电磁法：在一个测量点利用不接地回线向地下发送脉冲式一次电磁场，用线圈测量由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，然后移动至下一个测量点再进行测量。
[0042]
3.数据处理
[0043]
对高密度电法和瞬变电磁法采集的两种数据分别按照预处理、滤波、剔除畸变值、
噪音压制的流程优化处理。高密度电法得到的是20～100m范围内地层的数据，从瞬变电磁法采集的数据中进行截取100～300m范围内地层的数据进行后续步骤。
[0044]
4.视电阻率反演
[0045]
(1)相控模型的构建：利用测井曲线电阻率曲线，按照沉积层序地层学的原理建立符合实际地质情况的沉积地层层序垂向相控模型；
[0046]
(2)正演模拟：根据构建的沉积地层层序垂向相控模型，由交变电磁场的麦克斯韦方程组，推导出水平层状大地表面回线源在阶跃电流激励下的电磁响应；再通过傅里叶逆变换或g-s逆拉普拉斯变换可以得到时间域感应电压响应；为反演计算优选相关参数提供参考依据；
[0047]
(3)反演计算：在沉积地层层序垂向相控模型的约束下，高密度电法使用平滑约束的高斯-牛顿最小二乘反演技术，瞬变电磁法使用粒子群算法反演技术，进行视电阻率的反演，得到垂向分级探测成果。
[0048]
5.地质综合解释
[0049]
根据区域地质、钻井资料、采空区冒落塌陷地质理论对上述得到的垂向分级探测成果进行地层沉弯曲带、裂隙带、冒落带的垂向、横向空间分布解释和体积预测。
[0050]
6.采空区可充填空间体积计算
[0051]
根据上述解释和预测的空间体积大小，按照地层沉弯曲带、裂隙带、冒落带的垂向不同的孔隙度(空间系数)计算误差可接受的采空区范围可容纳空间体积大小，为原矸石颗粒级充填提供依据。
[0052]
本发明的有益效果在于：1)解决了采煤工作面上方冒落带、裂隙带、下沉弯曲带的垂向分级探查；2)本方法兼顾了高密度电法和瞬变电磁法的方法优势，有效将两种方法相结合兼顾提高了垂向上的探查精度；3)本发明方法可以有效计算煤矿综放采煤工艺条件下的采空区冒落带、裂隙带的可用于矸石颗粒级充填的空间大小；4)能够为充填钻孔提供钻孔位置、钻孔深度、钻孔工艺等设计参数，提高矸石颗粒级充填效率及可充填量。