动态监测煤层顶板两带发育高度与范围的方法

本发明属于瞬变电磁监测方法，具体涉及动态监测煤层顶板两带发育高度与范围的方法。

背景技术：

1、煤炭是我国主要的基础能源，煤层顶板各种水体(包括地表水、松散层水、岩溶-裂隙含水层水、采(老)空区水等)通过不同导水通道以突发、缓发或滞发等形式涌入地下采矿空间形成煤层顶板水害事故，造成巷道或工作面涌水量增加甚至淹井，给人民生命和煤炭企业财产、安全造成了极大损失，影响了煤炭工业的健康发展。

2、煤层回采后，采用垮落法顶板管理方式，煤层覆岩会形成垮落带、导水裂缝带和弯曲带。当煤层顶板垮落带和裂隙带发育至顶板含水层时，易对工作面造成严重经济损失和人员伤亡，而覆岩变形破坏“两带”发育高度的准确探测与监测，有助于保障工作面的安全回采。

3、目前我国煤矿水文地质地球物理探测技术主要分地面与井下：地面主要有直流电阻率法、瞬变电磁法、可控源音频大地电磁测深等；井下主要有矿井直流电法、矿井瞬变电磁法、音频电透视等。

4、与地面物探相比，井下物探具有半空间-过度空间-全空间问题，施工环境、观测系统和仪器装备具有特殊要求,使得矿井地球物理场观测的技术瓶颈大、干扰因素多，数据采集、物性反演、地质解释难度大。矿井直流电法与地面直流电法差别较大，主要体现在以下方面：①地下深部探测环境中，施工空间狭小，金属等干扰多，装备适用性差。②井下探测对仪器设备功率、电流及响应时间等都有约束，同时涉及防爆、安全等问题。

5、地面水文物探技术包括直流电阻率法、瞬变电磁法、可控源音频大地电磁测深等。但也存在一定不足。对于直流电阻率法而言，提供了直观的电阻率剖面图，可以反映地下导水结构和含水层的分布，仪器设备简单、操作相对简便。但需要较长的测量时间，容易受地形地貌影响，分辨率不高。

6、可控源音频大地电磁测深可以提供浅层和中深层地下结构、岩土层界面、含水层等信息，探测深度大，工作效率高，受地形影响小，但易受噪声影响，仪器校准要求较高，在低阻区域探测深度受到限制。

7、瞬变电磁法是利用不接地回线或接地电偶源向地下发送一次场,在一次场的间歇期间利用回线或电偶极观测二次涡流场的方法。具有施工快捷、探测深度较大、抗干扰能力强、对低阻体反映灵敏和不受高阻层屏蔽等优点，但其对外界干扰和噪声比较敏感，数据处理和解释相对复杂。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供动态监测煤层顶板两带发育高度与范围的方法，能够高效精细的对煤层顶板“两带”发育高度和隔水层连续性进行监测，并准确的掌握采动裂隙发育形态，为制定采区防治水方案提供重要依据，保障煤矿的安全生产。

2、本发明采取的技术方案具体如下：

3、动态监测煤层顶板两带发育高度与范围的方法，包括数据采集和数据处理；

4、所述数据采集通过数据采集系统进行，所述数据采集系统由中央控制台、信号传输系统、地面发射回线、三分量磁传感器、数据采集站、传输线组成；

5、所述数据采集采用分段算术密集采样，采样间隔视监测区域地层电性特征而定；

6、所述数据处理包括前期准备、初步处理、约束反演、变化率计算、成图显示、数据解释。

7、所述数据采集系统中各单元的布设方式如下：

8、s1：地面发射回线的布设：采煤工作面发生初次来压后，在工作面推进方向距初次来压时切眼所在位置200m处布置长矩形发射回线，回线长边垂直于工作面走向，短边平行于工作面走向，回线沿短边方向的中轴线与工作面走向中轴方向一致，长边的长度视采煤工作面倾向长度设置，端点到工作面的距离大于150m，工作面倾向长300m，长边≥600m，短边≥300m；

9、s2：测线与测点的布设：测线长边方向布置在发射回线内部，测线中心与发射回线的几何中心重合，测点点距为10m，测线长度大于采煤工作面倾向长度，测线端点到工作面两侧边界的距离各大于30m，即工作面两侧外至少各布设3个测点，测线总长为360m；

10、s3：数据采集站与三分量磁传感器布设：采用具有24道功能的数据采集站，每个数据采集站连接8个三分量磁传感器；

11、s4：控制系统布设：中央控制台布置在煤矿指挥调度控制中心，用于发射监测指令。

12、所述数据采集中，，需进行多次测量，测量时间如下：初次来压后即开展第一次测量，各单元布设完毕后，准备开始测量，工作面沿走向不断掘进过程中，整个采集系统在测量过程中固定不动，起始时系统位于未开采煤层上，首次采集的数据视为原位地层数据，工作面每掘进50m，进行一次测量，直至工作面掘进逾测线350m。

13、所述数据处理包括以下步骤：

14、s21：前期准备：通过查询获得采区地质、水文、测井资料，并对电阻率测井数据进行八次傅里叶拟合，根据岩石电阻率参数差异构建采区多层状地电模型，用于分析地层电性特征分布；

15、查询方式选用查阅文献、数据库检索、向地质勘探单位查询中的任意一种或多种；

16、s22：数据的初步处理：对数据格式进行转换，剔除干扰畸变点，并将数据储存；

17、储存顺序采用按测量日期从先到后或测量时测线与工作面的距离从大到小中的任意一种；

18、s23：瞬变电磁约束反演：使用occam反演方法进行约束反演，将模型范数作为模型光滑约束条件，通过迭代搜索最小拟合差，获得反演结果；

19、s24：计算电阻率相对变化率计算公式：用于获得百分比数值；

20、s25：成图显示：根据相对变化率计算与约束反演的结果分别绘制不同回采程度下电阻率剖面图和不同回采程度下电阻率变化率剖面图；

21、s26：数据解释：根据电阻率变化率剖面图分析低电阻率层和顶板岩层电性变化，确定裂隙发育影响区域；根据不同日期探测结果，确定工作面煤层开采顶板垮落带和导水裂隙带发育高度与范围。

22、数据采集和数据处理过程，其具体实现步骤为：

23、1、在采煤工作面未回采位置上方地面铺设大的发射回线向地下发射电磁信号，于发射回线中心一定范围沿工作面倾向布设测线、三分量接收磁传感器，在工作面回采过程中，采集系统在预先布设位置固定不动，工作面与测线相对位置不断变化，工作面每回采一定距离，系统测量一次数据并通过地面数据采集站及数据传输系统将数据传至总控制台；

24、2、数据处理，通过前期准备、初步处理、约束反演、变化率计算、成图显示、数据解释，利用测井数据拟合，建立岩层地电模型；利用occam反演方法进行多层约束反演，绘制电阻率剖面图；将原位地层所得到的数据作为背景值，其他日期数据作为当前数据，计算出电阻率相对变化率，绘制相对变化率剖面图；

25、3、通过图件分析低阻层的连续性和顶板电阻率变化范围，划分低电阻率层，圈定裂隙发育区域，最终圈定“两带”发育高度和范围，并对工作面回采过程实现动态监测并进行预警预报。

26、本发明取得的技术效果为：

27、本发明的动态监测煤层顶板两带发育高度与范围的方法通过地面信号发射回线的布设和地面信号三分量磁传感器的布设能采集多方位的电磁信号特征，然后通过数据处理过程，得出分析结果，有利于准确掌握采动裂隙发育形态、客观分析矿井充水规律、合理评价煤层开采对覆岩含水层的影响，是制定矿井防治水方案的重要依据。

28、本发明的动态监测煤层顶板两带发育高度与范围的方法地面信号三分量磁传感器的间距为10米，系统采样率视监测区域地层电性特征不同而改变，获得大量数据进行约束反演，大大提高了对煤层顶板“两带”的分辨能力，实现了精细探查。

29、本发明的动态监测煤层顶板两带发育高度与范围的方法安装于采煤工作面未回采位置上方地面的采集系统，一经布置完成，在后续测量中不用移动，在固定位置不同时间采集不同回采程度的采煤工作面地层电性信息，节约了时间、人力成本。

30、本发明的动态监测煤层顶板两带发育高度与范围的方法通过计算电阻率变化率绘制相对变化率剖面图，更加直观、清晰的展示了顶板电阻率变化规律。