一种掘进中探测积水采空区位置的物理模拟实验方法与流程

本发明属于矿井物理探测领域，具体涉及一种掘进中探测积水采空区位置的物理模拟实验方法。

背景技术：

在煤矿巷道掘进期间突水事故最为危险，大量积水突然溃出不仅会危及工作人员的生命安全也对工作面的生产设备造成极大损害。而采空区积水因其难以探查，是造成掘进期间突水事故的主要诱因。采空区积水诱发的突水事故通常水量巨大、突发性强、具有极大的破坏性和腐蚀性，严重时甚至可能淹没整个矿井。据统计在各类煤矿事故中，水害事故造成的人员伤亡仅次于瓦斯事故，造成的直接经济损失居各类事故首位，而超过80%的水害事故均由采空区积水造成。因此有必要在掘进期间采用物探手段超前查明隐伏采空区积水位置，提前采取防治措施。

针对采空区积水后地层电性发生较大变化的特点，采用瞬变电磁法探查效果较为显著，在矿井实际施工中采用瞬变电磁法进行采空区积水的勘探，操作方便应用广泛。采空区积水相对于掘进工作面的位置不同，其瞬变电磁响应特征也不同，在现场仪器布置方式也存在相应变化，必须针对性地采取布置方案，否则难以收到较好的探测效果。但具体布测形式如果直接在现场进行调试，费工费时还难以收到较为精确的校正效果。因此有必要在实测前先在实验室内进行模拟实验，针对采空区积水与掘进工作面不同类型的相对位置，制作不同类型的模型进行实验，根据实验结果对探测方案进行校正优化。然后根据实验结果再实施对现场的实测，这样的探测顺序更为科学合理，并且这样的优化方式成本较低，效率高，可以为现场提供更加灵活的指导方式。因此积极地探索掘进中探测积水采空区位置的物理模拟实验方法是有重要意义的。

技术实现要素：

本发明针对目前巷道掘进中积水采空区位置的探测缺少必要的优化校正，对具体工况的方案适用性缺少探前的预判及精度校正，从设计模型实验预先模拟判定的角度出发，提供了一种掘进中探测积水采空区位置的物理模拟实验方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：一种掘进中探测积水采空区位置的物理模拟实验方法，包括如下步骤：

1）制作与巷道所处地层结构相似的实验模型，实验模型包括模型a、模型b、模型c和模型d，模型a、模型b、模型c和模型d的外形结构尺寸相同且均包括模拟地质层，模拟地质层从下至上依次为岩层c、煤层b、岩层b、煤层a和岩层a，模拟地质层内设置有积水采空区且积水采空区在模型a、模型b、模型c和模型d中的位置均不相同，积水采空区的顶部预埋有凸出模拟地质层表面的注水管，对应的四个模型中还预留有不同位置及方向的掘进巷道；

2）制作感应线圈，感应线圈包括用于瞬变电磁的发射线圈和接收线圈，发射线圈和接收线圈均为正方形结构且接收线圈位于发射线圈内部，发射线圈采用标称直径0.450mm规格的漆包线加工成60mm×60mm×40匝，接收线圈采用标称直径0.130mm规格的漆包线加工成58mm×58mm×80匝，感应线圈的探测方向垂直于感应线圈的平面本身；

3）将感应线圈与瞬变电磁仪连通后放入模型a的掘进巷道中，感应线圈的探测方向朝向掘进巷道的斜上方并与掘进巷道的底板呈45°夹角，进一步通过预埋的注水管向积水采空区内注水，当积水采空区注满水后立即接通瞬变电磁仪进行数据的采集；

4）模型a的数据采集完成后切断电源并将感应线圈取出，再放入模型b的掘进巷道中，感应线圈探测方向垂直于对掘进巷道的推进方向，进一步通过预埋的注水管向积水采空区内注水，当积水采空区注满水后立即接通瞬变电磁仪进行数据的采集；

5）模型b的数据采集完成后切断电源并将感应线圈取出，再放入模型c的掘进巷道中，感应线圈的探测方向朝向侧上方且与掘进巷道底板呈45°夹角，进一步通过预埋的注水管向积水采空区内注水，当积水采空区注满水后立即接通瞬变电磁仪进行数据的采集；

6）模型c的数据采集完成后切断电源并将感应线圈取出，再放入模型d的掘进巷道中，感应线圈的探测方向平行于对掘进巷道的推进方向，进一步通过预埋的注水管向积水采空区内注水，当积水采空区注满水后立即接通瞬变电磁仪进行数据的采集；

7）模型d的数据采集完成后，统计分析四个模型的探测成像结果，根据成像结果分别定位各模型的积水采空区位置，并与模型实际位置的数据进行比对，确定探测精度及校正系数，从而用于对现场积水采空区位置的实测提供指导。

模拟地质层的加工配料选用粒径为0.7～1.5mm的细砂为骨料以及石灰、石膏、水为胶结材料，其中岩层a、岩层b和岩层c所用材料的质量配比为砂子：石灰：石膏：水=7：0.6：0.4：1，煤层a和煤层b所用材料的质量配比为砂子：石灰：石膏：水=8：0.6：0.4：1，配好材料后搅拌均匀后逐层铺设进模具中并压，模拟地质层所含岩层c的厚度为300mm，煤层b的厚度为150mm，岩层b的厚度为100mm，煤层a的厚度为150mm，岩层a的厚度为300mm。

模型a、模型b、模型c和模型d为体积为1m³的正方体，掘进巷道设置在煤层b中且掘进巷道的截面为拱形与矩形面的组合结构，掘进巷道的拱高为30～50mm，矩形面的高度为60～100mm，掘进巷道的宽度为60～100mm，工作面的长度为200～400mm。

积水采空区为正四棱台结构，其中正四棱台上底为50×50mm²的正方形，下底为100×100mm²的正方形，高度为100～150mm，模型a的积水采空区位于掘进巷道正前100mm的上方位置，模型b的积水采空区位于掘进巷道正前100mm的位置，模型c的积水采空区位于掘进巷道侧向100mm上方，模型d的积水采空区位于掘进巷道正侧方100mm的位置。

模型a、模型b、模型c和模型d的制作采用上下均无底盖的正方体空心钢板围护结构作为模板，制作完成并达到设计需求强度后，将正方体空心钢板围护结构拆除方能进行积水采空区的探测试验。

本发明相比现有技术具有的特定技术特征及有益效果是：

本发明所述方法将巷道掘进过程中积水采空区位置的探测实验室化，较为方便地对积水采空区与掘进工作面不同相对位置情况下的布测方案进行校正优化，根据实验室内的模拟结果，可以为现场实测提供技术指导。本发明降低了实测方案的优化成本，一定程度上消除了物探施工过程中的盲目性，有效提升了掘进中探测积水采空区位置的科学性、合理性，对物探方案的优化具有重要借鉴意义。

附图说明

图1为本发明实验所建立的模型a；

图2为图1中针对模型a积水采空区的探查结构示意图；

图3为本发明实验所建立的模型b；

图4为图3中针对模型b积水采空区的探查结构示意图；

图5为本发明实验所建立的模型c；

图6为图5中针对模型c积水采空区的探查结构示意图；

图7为本发明实验所建立的模型d；

图8为图7中针对模型d积水采空区的探查结构示意图；

图9是探测线圈的结构示意图。

图中：1.1-模型a，1.2-模型b，1.3-模型c，1.4-模型d，2-掘进巷道，3-积水采空区，4-感应线圈，4.1-发射线圈，4.2-接收线圈，5-注水管，6-岩层a，7-煤层a，8-岩层b，9-煤层b，10-岩层c。

具体实施方式

参照图1～图9对发明进行进一步阐述，一种掘进中探测积水采空区位置的物理模拟实验方法，包括如下步骤：

1）制作与巷道所处地层结构相似的实验模型，实验模型包括模型a1.1、模型b1.2、模型c1.3和模型d1.4，模型a1.1、模型b1.2、模型c1.3和模型d1.4的外形结构尺寸相同且均包括模拟地质层，模拟地质层从下至上依次为岩层c10、煤层b9、岩层b8、煤层a7和岩层a6，模拟地质层内设置有积水采空区3且积水采空区3在模型a1.1、模型b1.2、模型c1.3和模型d1.4中的位置均不相同，积水采空区3的顶部预埋有凸出模拟地质层表面的注水管5，对应的四个模型中还预留有不同位置及方向的掘进巷道2；

2）制作感应线圈4，感应线圈4包括用于瞬变电磁的发射线圈4.1和接收线圈4.2，发射线圈4.1和接收线圈4.2均为正方形结构且接收线圈4.2位于发射线圈4.1内部，发射线圈4.1采用标称直径0.450mm规格的漆包线加工成60mm×60mm×40匝，接收线圈4.2采用标称直径0.130mm规格的漆包线加工成58mm×58mm×80匝，感应线圈4的探测方向垂直于感应线圈4的平面本身；

3）将感应线圈4与瞬变电磁仪连通后放入模型a1.1的掘进巷道2中，感应线圈4的探测方向朝向掘进巷道2的斜上方并与掘进巷道2的底板呈45°夹角，进一步通过预埋的注水管5向积水采空区3内注水，当积水采空区3注满水后立即接通瞬变电磁仪进行数据的采集；

4）模型a1.1的数据采集完成后切断电源并将感应线圈4取出，再放入模型b1.2的掘进巷道2中，感应线圈4探测方向垂直于对掘进巷道2的推进方向，进一步通过预埋的注水管5向积水采空区3内注水，当积水采空区3注满水后立即接通瞬变电磁仪进行数据的采集；

5）模型b1.2的数据采集完成后切断电源并将感应线圈4取出，再放入模型c1.3的掘进巷道2中，感应线圈4的探测方向朝向侧上方且与掘进巷道2底板呈45°夹角，进一步通过预埋的注水管5向积水采空区3内注水，当积水采空区3注满水后立即接通瞬变电磁仪进行数据的采集；

6）模型c1.3的数据采集完成后切断电源并将感应线圈4取出，再放入模型d1.4的掘进巷道2中，感应线圈4的探测方向平行于对掘进巷道2的推进方向，进一步通过预埋的注水管5向积水采空区3内注水，当积水采空区3注满水后立即接通瞬变电磁仪进行数据的采集；

7）模型d1.4的数据采集完成后，统计分析四个模型的探测成像结果，根据成像结果分别定位各模型的积水采空区位置，并与模型实际位置的数据进行比对，确定探测精度及校正系数，从而用于对现场积水采空区3位置的实测提供指导。

本发明中模拟地质层的加工配料选用粒径为0.7～1.5mm的细砂为骨料以及石灰、石膏、水为胶结材料，其中岩层a6、岩层b8和岩层c10所用材料的质量配比为砂子：石灰：石膏：水=7：0.6：0.4：1，煤层a7和煤层b9所用材料的质量配比为砂子：石灰：石膏：水=8：0.6：0.4：1，配好材料后搅拌均匀后逐层铺设进模具中并压，模拟地质层所含岩层c10的厚度为300mm，煤层b9的厚度为150mm，岩层b8的厚度为100mm，煤层a7的厚度为150mm，岩层a6的厚度为300mm。

模型a1.1、模型b1.2、模型c1.3和模型d1.4均为体积为1m³的正方体，掘进巷道2设置在煤层b9中且掘进巷道2的截面为拱形与矩形面的组合结构，掘进巷道2的拱高为30～50mm，矩形面的高度为60～100mm，掘进巷道2的宽度为60～100mm，工作面的长度为200～400mm。

积水采空区3为正四棱台结构，其中正四棱台上底为50×50mm²的正方形，下底为100×100mm²的正方形，高度为100～150mm，模型a1.1的积水采空区3位于掘进巷道2正前100mm的上方位置，模型b1.2的积水采空区3位于掘进巷道2正前100mm的位置，模型c1.3的积水采空区3位于掘进巷道2侧向100mm上方，模型d1.4的积水采空区3位于掘进巷道2正侧方100mm的位置。模型a1.1、模型b1.2、模型c1.3和模型d1.4的制作采用上下均无底盖的正方体空心钢板围护结构作为模板，制作完成并达到设计需求强度后，将正方体空心钢板围护结构拆除方能进行积水采空区3的探测试验。

本发明所述的一种掘进中探测积水采空区位置的物理模拟实验方法包括：参照常见突水类型，制作实验模型；根据模型尺寸选择探测线圈匝数及尺寸，并选取合适的瞬变电磁探测仪；利用瞬变电磁测深法对各模型进行探测，获得各类型情况下的瞬变电磁响应特征；根据模型内积水采空区实际位置与仪器测得位置间的偏差，分析计算获得测量精确度及校正系数。

具体实施中本发明所采用的瞬变电磁仪为terratem型瞬变仪，通过步骤4）、5）、6）、7）统计分析四个模型的探测视电阻率成像结果，不难发现视电阻率值主要集中在5～20ω·m，依据现场探测经验判断6ω·m等值线圈定的区域为低阻异常区域。

进一步的，据此得出模型a1.1低阻异常区域的范围是长55mm、宽56mm，模型b1.2的异常区域的范围是长57mm、宽55mm，模型c1.3异常区域的范围是长56mm、宽55mm，模型d1.4异常区域的范围是长57mm、宽55mm。

进一步的，将所得结果与模型内的实际积水采空区3正断面长50mm、宽50mm的区域范围相比较，可得经本发明所得的探测区域约为实际区域面积的1.2倍，最终确定探测校正系数为0.8。即在现有探测划定区域面积的基础上乘以校正系数0.8，用于校正探测过程中产生的误差，从而大大提高了对积水采空区3的精确定位。