煤层隐蔽火区电法勘探的基础理论研究

Concealed coal mine fire detection provides practical significance for mine fire control, liberating stagnant coal reserve, and environmental protection, yet shortcomings in existing detection methods like borehole temperature measurement, gas analysis, magnetic measurement, and isotope radon make the problem still intractable. Considering insufficiency of theoretical study in application of electromagnetic method in detecting hidden coal mine fire, how the electromagnetic properties of rock are affected by its constituents, moisture content, pore structure, lithology, cleat, temperature and stress will be investigated. The transitional features of electromagnetic properties of rock and mechanism of electromagnetic abnormality at different stages of combustion will be studied as well. The spatial distribution of electromagnetic wave on irregular topography, the method of dividing irregular tomography and geological bodies into unstructured tetrahedron cell and adaptive “H” cell, algorithm of converting frequency domain to time domain, 3D simulation of complex geological bodies will be studied to build 3D Transient Electromagnetic (TEM) mathematical forward model for detecting hidden coal mine fire. Hybrid inversion algorithm, mechanism for joint inversion of multi-geophysical techniques, three-components computing and interpretation method will be explored to build 3D TEM mathematical inversion model and interpretation algorithm for detecting hidden coal mine fire. The project attempts to propose TEM 3D mathematical forward model and hybrid inversion algorithm based on database of electromagnetic properties of different rocks over temperature ramping and thereafter consolidate the theoretical foundation for application of TEM technique in locating hidden coal mine fire.

隐蔽火区探测对于治理煤层火灾、解放呆滞煤炭资源，保护生态环境均具有重大意义，而现有钻探测温法、气体分析法、磁探法、同位素测氡法存在着诸多不足。项目基于电法勘探在煤矿地测方面的已有成功应用，研究岩石电特性受成分、含水性、孔隙度和孔隙结构、岩性、层理、温度、压力等因素的影响规律，探索不同燃烧阶段岩石电性变化特征和电磁异常机理；研究复杂地形电磁场三维分布规律，非结构化四面体网格划分方法和Ｈ型网格自适应技术参数，频时域转换算法，复杂地质体三维仿真，建立煤层自燃瞬变电磁正演模型；研究适用性混合反演算法，多种物探技术联合反演机制，三分量联合处理与解释算法，构建煤层自燃瞬变电磁勘探反演解释技术体系。预期在建立不同岩性岩石温升过程中电特性数据库的基础上，构建煤层自燃瞬变电磁正演模型，提出适用性混合解释算法，为开发煤火瞬变电磁探测与解释系统奠定理论基础。

煤矿井下采空区、煤层露头线、废弃小窑、地质构造带容易形成煤自燃隐蔽高温区域。目前对于隐蔽火源探测主要采用温度测定法、气体分析法、磁探法、同位素测氡法等，从实际应用的效果来看，每种方法都只能在某些特定的条件和环境下使用，难以满足生产现场的实际工作需要。电磁探测法凭借其灵敏度高、分辨率强、探测深度大、灵活多变适应性强以及轻便、快捷、廉价等独特优势在探水、找矿领域获得了极大成功，但在地下高温区域探测和正反演模型算法上的研究较少。本课题基于实验测试的手段，研究不同燃烧阶段岩石电性和磁性变化特征；采用数值模拟的方法，研究煤层自燃瞬变电磁正演模型和反演解释技术体系。研究发现，岩石磁化率受温度影响较大，在温度从常温到高温再到常温的变化中，岩石磁化率变化曲线出现分离现象，同时受温度影响之后的岩石磁化率高于未受温度影响的岩石磁化率。岩石电阻率随温度的升高出现先增加后减小的变化规律，煤样的初始电阻率值相比于终点温度下的电阻率值较小，但106-1011Ω⋅m间的电阻率值仍然处于高绝缘体的范畴，而且随着煤温的升高其电阻率仍处于高绝缘状态。作为围岩的砂岩，其随温度变化的电阻率明显高于煤岩，因此可以将煤岩视为相对低阻体。地球物理勘探中的瞬变电磁勘探技术对于寻找高阻体中的相对低阻体具有很明显的方法学优势，因此这一对比可以侧面支持瞬变电磁探测地下隐蔽火源的有效性。针对于三维理论模型，进行了地下单一长方体的正演模拟，通过获得的异常数据进行反演，从而建立高温煤岩体的磁法反演算法。本项目的研究结果对提高煤层隐蔽火区的位置与范围圈定，提高防灭火工作的针对性具有十分重要的意义。