矿井水文物探技术 2.docx

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矿井水文物探技术2

贵州鲁能矿业有限公司煤矿

10503回风巷里程310米处掘进迎头

电磁法超前探测报告

贵州鲁能矿业有限公司煤矿

二零一二年五月

矿井水文物探技术

一、矿井物探方法选择及依据

瞬变电磁法（TransientEiectromagneticMehod,简称TFM）是利用不接地回线或电极向地下发送脉冲式一次磁场，用线圈或接地电极观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电矿场的空间和时间分布，来解决有关地质问题的时间域电磁法。

不同岩性地层电阻率大小关系大致为：

泥岩<泥质粉砂岩<细砂岩<粗砂岩<煤层<灰岩。

煤系地层的富水性对其导电性影响最为关键。

当岩石裂隙发育且不含水时，电阻率将明显增大，而岩石裂隙发育且含水时，电阻率将明显减小，可达十倍。

综上所述，该煤矿工作面具备采用矿井瞬变电磁法勘探煤层富水异常区的条件。

二、瞬变电磁法基本原理

瞬为电磁法的激励场源主要有两种，一种是回线形式（或载流线圈）的磁源，另一种是接地电极形式的电流源。

下面以均匀的瞬变电磁响应为例，来讨论回线式磁偶源激发的瞬变电磁场，从而阐述瞬变电磁法测深的基本理论。

在导电率为σ、导磁率为u的均匀各向同性大地表面敷设面积为s的矩形发射回线，在回线中供以阶跃脉冲电流

I（t）={1t<00t≥0

在电流断开之前（t<0时），发射电流在回线周围与大地空间中建立起一个稳定的磁场。

在t＝0时刻，将电流突然断开，由该电流产生的磁场也立即消失。

一次磁场的这一剧烈变化通过空气和地下导电介质传至回周围的大地中，并在大地中激发出感应电流以维持发射电流断开之前存在的磁场，使空间的磁场不会即刻消失。

由于介质的欧姆损耗，这一感应电流将迅速衰减，由它产生的磁场也随之迅速衰减，这种迅速衰减的磁场又在周围的地下介质中感应出新的强度更弱的涡流。

这一过程继续下去，直至大地的欧姆耗将磁场能量消耗完毕为止。

这便是大地中的瞬变电磁过程，伴随这一过程存在的电磁场便是大地的瞬变电磁场。

应该指出，由于磁场在空气中传播的速度比在导电介质中传播的速度大得多。

当一次电流断开时，一次磁场的剧烈变化首先传播到发射回线周围地表各点，因此，最初激发的感应电流局限于地表。

地表各处感应电流的分布是不均匀的，在紧靠发射回线一次磁场最强的地表处感应电流最强。

随着时间的推移，地下的感应电流便逐渐向下、向外扩散，其强度逐渐减弱，分布趋于均匀、美国地球物理学家M、Nabghan对发射电流关断后不同时刻地下感应电流场的分布进行了研究，研究结果表明，感应电流呈环带分布，涡流场极大值首先位于紧挨发射回线的地表下，随着时间推移，该极大值沿着与地表成30°倾角的锥形斜面向下、向外移动、强度逐渐减弱。

图2－1示出了不同时刻穿过发射回中心的横断面上下感应电流密度等值线。

任一时刻地下涡旋电流在地表产生的磁场可以等效为一个水平环状线电流的磁场。

在发射电流刚关断时，该环状线电流紧接发射回线，与发射回线有相同的形状。

随着时间推移，该电流环向下、向外扩散，并逐渐变形为圆电流环。

从“烟圈效应”的观点看，早期瞬变电磁场是由近地表的感应电流产生的，反映浅部电性分布；晚期瞬变电磁场主要是由深部的感应电流产生的，反映深部的电性分布。

因此，观测和研究大地瞬变电磁场随时间的变化规律，可以探测大地电位的垂向变化。

三、矿井瞬变电磁法的特点

矿井瞬变电磁基本原理与地面瞬变电磁法基本原理相同。

所不同的是，矿井瞬变电磁法是在井下巷道内进行，瞬变电磁场呈全空间分布，全空间效应为矿井瞬变电磁法固有的问题，煤层一般情况下为高阻介质，电磁易于通过，所以煤层对TEM来说就没有像对直流电场那样的屏蔽性，故接收线圈接收到的信号是来自发射线圈周围全空间岩石电性的综合反映。

因而在判定异常体空间位置时，需根据线圈平面的法线方向并结合地质资料加以综合分析确定。

由于特殊的井下施工环境，矿井瞬变电磁法与地面瞬变电磁法以及其它的矿井物探方法有很大的不同，主要有以下几方面的特点：

（1）受井下巷道施工空间所限，无法采用地表测量时的大线圈（边长大于50m）装置，只能采用边长小于3m的多匝小线框，因此与地面瞬变电磁法相比具有测量设备轻便，工作效率高，成本低等优点，可用于其他矿井物探方法无法施工的巷道（巷道长度有限或巷道掘进迎头超前探测等）。

（2）由于采用小线圈测量，点距更密（一般为2～20m），体积效应降低，横向分辩率提高，再者测量装置靠近目标体，异常体感应信号较强，具有较高的探测灵敏度。

（3）利用小线框发射电磁波的方向性，可以探测采煤工作面顶、底板含水异常体的空间分布，探测巷道迎头掘进前方隐伏的导（含）水构造。

（4）受发射电流关断时间的影响，早期测量信号畸变，无法探测到浅层的地质异常体，一般存在20m左右的浅部探测盲区。

（5）井下施工时，测量数据容易受到金属物（采煤机械、变压器、金属支架、排水管道等）的干扰，需要在资料处理解释中进行校正或剔除。

目前，矿井瞬变电磁法主要用于解决煤层顶板（或底板）岩层内部的富水异常区探测、巷道掘进迎头前方的突水构造预测、含水陷落柱勘查等水文地质问题。

四、矿井瞬变电磁法工作方法技术

目前，矿井瞬变电磁法经常使用的工作装置形式主要有重叠回线和偶极一偶极两种。

重叠回线装置形式地质异常响应强、施工方便，但线圈间存在较强的互感，一次场影响严重：

偶极一偶极装置收发线圈互感影响小，消除了一次场影响，但二次场信号弱，不易于地质异常体识别。

（1）　装置参数的设计

目前，矿井瞬变电磁法经常使用的工作装置形式主要有重叠回线和偶极一偶极两种。

重叠回线装置形式地质异常响应强、施工方便，但线圈间存在较强的互感，一次场影响严重；偶极装置收发线圈互感影响小，消除了一次场影响，但二次场信号弱，不易于地质民常体识别。

矿井瞬变磁法在井下巷道中采用式匝数小回线装置测量，参数选择是否合理直接影响测量结果。

矿井瞬变电磁法测量参数主要有：

回线边长大小、回线匝数、时间序列、叠加次数、终端窗口的增益等。

根据不同的地质任务，选择回线边长与匝数是不同的。

回线在一定的范围内线框越小，其体积效应也越小，其横向直、纵向分辩率也愈高。

信号的强弱可通过选择中心探头的档位和调整发送电流的大小进行控制。

由于井下的工作环境所限制，矿井巷道宽度只有几米，因此回线边长不能太大，否则不便于施工，也降低工作效率。

地面上的瞬变电磁勘探边长可长达200m不等，能勘探较深部位的地质体。

但井下的工作任务不同，施工环境所限，只能选择较小的边长，通过具体的实验，一般在2～3m。

要提高发射功率，可通过增加回线匝数、加大发射电流来增大发射磁矩，以此提高信噪比，增大有效探测深度。

其它参数在井下实际测量中，正式工作前通过试验即可确定。

回线大小一定，一般回线匝数愈多，发射磁矩愈大，发射功率也愈大，接受回线感应信号也愈强。

有效面积增大，发射磁矩愈大，发射功率也愈大，探测深度增大，接受回线感应信号也愈强，但会增加装置移动的难度。

实际测量中，由于井下巷道空间的限制，为了增大回线的有效面积，有时可采用矩形回线组合进行测量，以满足实际探测工作的需要。

总之，矿井瞬变电磁法在实际测量中应根据探测任务的要求和井下初建人文设施情况，选择合理的回线边长大小和回线匝数，不仅能有效完成探测任务，同时可提高实际探测的工作效率和减小测量中的劳动强度。

（2）　测点布置及施工方法

矿井瞬变民磁法在煤矿井下巷道内进行，测点间距2～20m之间。

根据多匝小线框发射电磁场的方向性，可认为线框平面法线方向即为瞬变探测方向。

因此，将发射接收线框平面分别对准煤层顶板、底板或平行煤层方向进行探测，就可反映煤层顶、底板岩层或平行煤层内部的地质异常。

发射、接收线框所在平面与顶（底）板平面夹角应根据探测目标与测点的相对位置及煤层倾角大小来确定。

（3）　井下干扰问题

矿井瞬变电磁法测量环境位于井下巷道内，离地面深度一般大于500m，因此地面瞬变电磁法测量中的各种干扰对井下瞬变电磁法测量响很小可不予考虑。

但矿井瞬变电磁法除了其电磁响应为全空间场外，还具有回线组合的尺寸比地面小得多（一般为2m左右），加上井下铁轨、工字钢支护、锚网支护和运输皮带支架等人文设施的影响，使得矿井瞬变电磁超前探测比地面复杂很多。

通过井下实际测量分析，影响井下瞬变电磁法超前探测中主要人文设施有：

（1）巷道底板上的铁轨；

（2）工安钢支护；（3）锚杆支护；（4）运输皮带支架等各种金属设施。

这些金属设施在井下瞬变电磁法探测中能产生很强的瞬变磁响应，如在巷道底板下采用重叠回线组合测量时，有铁轨地段比无铁地段瞬变电磁响应，如在巷道底板下采用重叠回线组合测量时，有铁轨地段比无铁轨地段瞬变电磁响应应强几倍。

因此，系统研究井下瞬变电磁超前探测中各种噪声的瞬变电磁响应特征，对矿井瞬变电磁法数据采集、资料处理和解释工作有着重要的实际意义。

巷道内铁轨、锚网支护、运输皮带及各种电缆在瞬变电磁中是一种低阻响应，使得实测视电阻率减小几个数量级，但此类影响在测线方向往往是均一的，可作为一种背景异常进行校正。

对于巷道内的其它孤立的金属机电设备（如变压器、电机、密集钢梁支护等）在实测时应偏移测点位置尽量避开，同时做好记录，以便在资料解释时排除此类影响。

五、矿井瞬变电磁法的资料解释方法

瞬变电关法的资料解释步骤是首先对采集到的数据进行噪处理，根据晚期场或全期场公式计算视电阻率曲线，然后进行时深转换处理，得到各测线视电阻率断面图。

最后，根据测区的地球物理特征、TEM响应的时间特性和空间分布特征交结合矿井地质资料进行综合解释，划分地层富水区分布范围。

根据矿井瞬变磁法基本原理和大量应用实例，可以得出如下对矿井瞬变电磁法应用条件和应用效果的一些认识：

（1）矿井瞬变电磁法是时间域电磁感应法的重要补充和完善。

由于发射圈布置在井下巷道中，全空间效应和巷道影响是巷道围岩介质中瞬变电磁场的两个基本特征，因此巷道影响下的全空间瞬变电磁场分布变化规律是矿井瞬变电磁法理论基础。

（2）在巷道有限断面内，发射和接收线圈的尺寸受到限制，为提高瞬变电磁的强度，一般采用增加线圈匝数以扩大发射和接面积的方法，实践表明这种做法在提高探测信号信噪比方面确实有效，但随之带来因线圈自感和互感增大致使视电阻率计算值偏低的问题（在10－2～10－4数量级）与实际情况相差很大，需要进行校正。

（3）巷道金属支护材料，铁轨电缆和采掘机电设备等对观测结果产生较大影响，合理选择测点位置，采用多次叠加技术是保证井下观测质量的重要措施。

（4）根据探测目标体的空间方位，合理地选择发射和接收线圈的位置，对于提高地质应用效果至重要。

（5）应用实例表明矿井瞬变电磁法对充水岩溶等反映灵敏，加之巷道施工空间的选择余地较直流电法大。

建立巷道影响下全空间瞬变电磁场的正演理论，系统研究采蒌工作面不同方位地质目标体的地电异常特征，将大大扩大矿井瞬变电磁法的应用领域，在深部开采精细构造探测、工作面顶板岩层变形观测、高渗透应力条件下水与瓦斯突出的预测预报中具有良好的应用前景。

3井下现场数据采集

（1）　矿井瞬变电磁法装置形式及其参数选择

本次探测使用仪器为国内最新研制的新型瞬变电磁测深仪，具有国家安监部门颁发的煤安证和防爆证，专业用于井下小范围内的矿井水的探测。

矿用瞬变电磁仪对低阻充水破碎带反映特别灵敏、体积效应小、纵横向分辩率高，且施工方便、快捷、效率高，且施工方便、快捷、效率高优点，既可以用于煤矿掘进头前方，也可以用于巷道侧帮、煤层顶、底板等探测，为生产过程中水患和导水构造的超前预测预报提供技术手段。

矿井瞬变电磁法勘探采用重叠回线装置，采用多匝1.5m×1.5m矩形回线，发射线框60匝，接收到70匝。

采样时窗为：

1～34，叠加次数：

128，时间采用标准时间序列。

（2）　工作进度

10503回风联络巷：

于2012年5月2日完成井下数据采集工作，5月3日对瞬高精尖电磁资料进行初步的处理解释，并于5月3日提交了井下探测的解释成果。

矿井TEM视电阻率等值线断面图横坐标为测点坐标，纵坐标为沿探测方向上深度坐标，结合地质和水文地质资料，确定探测区域内横向、水平深度和垂向深度上岩层电性变化情况。

2、10503回风巷掘进头探测成果

鲁能煤矿10503回风巷迎头处超前探测：

工作面迎头断面揭露煤质一般，中等硬度。

共采集两组数据，第一组10503回风巷迎头超前探测，每4m一个点，线框平面与迎头断面煤壁平行。

第二组数据为10503回风巷顶板超前探测，线框平面与迎头断面煤壁呈45°夹角斜向上方探测，每4m一个点。

迎头处煤壁严重潮湿，迎头断面为5＃煤，充满，煤体较为破碎，迎头挂有风管，水管，锚网，锚杆，电缆线等物品，以及部分钻孔，煤层倾角为25°，迎头处风筒声音很大。

5＃煤为贫煤，普氏系数>1。

回风上山的角度也为25°这些都将影响所采集的数据，对数据的采集起到了干扰的作用，将影响数据的可靠性，经软件处理本次探测数据较好。

10503回风巷掘进头顺层和顶板方向视电阻率值线断面图。

分别反映了掘进迎头前方沿探测方向上岩层的电性变化规律。

10503回风巷迎头视电阻率断面图

纵观两个方向的视电阻率等值线断面图，在10503回风巷顶板45度方向出现两处低阻异常区，并由顶板延伸下来的。

建议在施工时，对上述异常区进行打钻验证，要做好相应的施工安全工作，特别注意巷道前方的水文观测，根据水文条件的变化，从而保证巷道的安全掘进。

10503回风巷掘进头探测成果

10503回风巷沿煤层倾角方和和水平方向视电阻率等值线断面图。

分别反映了掘进迎头前方沿探测方向上岩层的电性变化规律。

纵观两个方向的视电阻率等值线断面图，10502回风联络巷沿煤层倾角方向有效探测范围内，要作重点关注。

10503回风巷线圈垂直迎头的水平前方有效探测范围内，经过两个方向电阻率图对比，，需要格外注意。

建议在施工时，对上述异常区域进行打钻验证，要做好相应的施工安全工作，特别注意巷道前方的水文观测，根据水文条件的变化，从而保证巷道的安全掘进。

如果有可能的话建议这个巷道做一次完整的物探。

5结论与建议

综合分析10503回风巷掘进头瞬变电磁的超前探测结果，得出如下结论：

1、10503回风巷掘进迎头前方95m至105m范围，瞬变电磁超前探测没有发现明显的低阻异常区。

2、附物探成果图；