七台河龙湖矿YCS矿用瞬变电磁仪实验报告.docx

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七台河龙湖矿YCS矿用瞬变电磁仪实验报告

YCS2000A矿用瞬变电磁仪

勘探报告

2014年11月4日

龙煤集团七台河子公司龙湖煤矿

瞬变电磁勘探报告

编制：

张军

参加人员：

高原荆怀亮燕锴

资料处理：

燕锴

施工单位：

中煤科工集团西安研究院有限公司

第一章概述

《煤矿防治水规定》第一章第三条规定：

防治水工作应坚持“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的原则，采取“防、堵、疏、排、截”的综合治理措施。

中“先探后掘”中的探即在巷道掘进过程中在迎头利用直接或间接的方法向前一定范围内进行探测（超前探测），查明前方及其采动影响范围内是否存在赋含水地质构造、导含水通道或采空积水区，为煤矿的防治水工作提供详细的地质资料。

目前用于超前探测的直接方法为钻探方法，钻探结果比较直观，但施工周期较长，对巷道的正常掘进生产影响较大。

用于探测的间接方法即采用地球物理勘探的方法进行探测，主要方法有：

矿井直流电法（三点三极超前探测方法）、矿井瞬变电磁法、瑞雷波法和矿井地质雷达探测法。

其中瑞雷波法主要解决地质构造界面的问题，对构造的赋水性或采空积水区的解释精度较低；矿井地质雷达现在主要处于研究试用阶段，主要是由于其探测深度相对较小。

现在常用于超前探测的物探方法为：

矿井直流电法（三点三极超前探测方法）和矿井瞬变电磁法。

1.1仪器简介

瞬变电磁法是重要的地球物理探测手段之一，常用来查明含水地质体，如岩溶洞穴导水通道、煤矿采空区、不规则水体等，具有自动消除主要噪声且地形影响较小、可实现同点组合观测、对异常响应强且曲线形态简单，分辨能力强等优点。

YCS2000A矿用瞬变电磁仪（以下简称瞬变仪）是为煤矿井下含有瓦斯、煤尘爆炸性危险环境中探测含水和导水地质小构造而设计制造的勘探仪器。

YCS2000A-Z矿用本安型瞬变电磁仪主机：

防爆标志"ExibIMb"；YCS2000A-T矿用本安型瞬变电磁仪接收天线：

防爆标志"ExibIMb"；

1.2产品使用环境条件

a）环境温度：

0℃～+40℃；

b）平均相对湿度：

不大于95％（+25℃）；

c）大气压力：

80kPa～106kPa；

d）煤矿井下有瓦斯，煤尘等爆炸危险的环境。

e）无强烈震动和冲击的地方。

f）无破坏金属和绝缘材料的腐蚀性气体的地方。

1.3使用方式

瞬变仪为便携式仪器，数据通讯、充电应在地面安全场所进行。

第二章矿井瞬变电磁原理

2.1矿井瞬变电磁法勘探简介

瞬变电磁法是近年来发展很快的电法勘探分支，在国际上有人称作是电法的“二次革命”。

由于它是一种无损高分辨率电磁探测技术，它利用电导率数据成图，可解释出地下埋藏的金属物体及相关信息。

西方在地面瞬变电法方面，进行了深入系统地研究。

瞬变电磁法（TransientElectromagneticMethods，简称TEM）是利用不接地回线或接地电极向地下发送脉冲式一次电磁场，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磁场，通过对该二次场的空间和时间的分布分析来认识有关地质问题。

瞬变电磁法测量装置由发射回线和接收回线两部分组成，工作过程分为发射、电磁感应和接收三部分。

在导电率为σ、导磁率为μ的均匀各向同性大地表面，敷设面积为S的矩形发射回线，在发射回线中通以阶跃电流

，电流断开之前，发射电流在回线周围的大地和空间中建立起一个稳定的磁场，如图1所示。

当发射电流突然由

下降到零，根据电磁感应理论，发射回线中电流突然变化必将在其周围产生磁场，该磁场称为一次磁场。

一次磁场在周围传播过程中，如遇到地下良导电的地质体，将在其内部激发产生感应电流，又称涡流或二次电流。

由于二次电流随时间变化，因而在其周围又产生新的磁场，称为二次磁场。

由于良导电地质体内感应电流的热损耗，二次磁场大致按指数规律随时间衰减，形成瞬变磁场，二次磁场主要来源于良导电地质体的感应电流，因此它包含着与地质体有关的地质信息，二次磁场通过接收回线观测，并对观测的数据进行分析和处理，对地下地质体的相关物理参数进行解释。

图1矩形框磁力线

图2瞬变电磁法发射和接收波形示意图

矿井瞬变电磁和地面瞬变电磁法的基本原理的一样的，理论上也完全可以使用地面电磁法的一切装置及采集参数，但受井下环境的影响，矿井瞬变电磁法与地面的TEM的数据采集与处理相比又有很大的区别。

由于矿井轨道、高压环境及小规模线框装置的影响，在井下的探测深度很受限制，一般可以有效解释200m左右。

另外地面瞬变法为半空间瞬变响应，这种瞬变响应来自与地表以下半空间层，而矿井瞬变电磁法为全空间瞬变响应，这种响应来自回线平面上下（或两侧）地层，这对确定异常体的位置带来很大的困难。

实际资料解释中，必须结合具体地质和水文地质情况综合分析。

具体来说矿井瞬变电磁法具有以下特点：

1．受矿井巷道的影响矿井瞬变电磁法只能采用边长1.5m的多匝回线装置，这与地面瞬变电磁法相比数据采集劳动强度小，测量设备轻便，工作效率高，成本低；

2．采用小规模回线装置系统，因此为了保证数据的质量、降低体积效应的影响、提高勘探分辨率，特别是横向分辨率；

3．井下测量装置距离异常体更近，大大的提高测量信号的信噪比，经验表明，井下测量的信号强度比地面同样装置及参数设置的信号强很多；

4．地面瞬变电磁法勘探一般只能将线框平置于地面测量，而井下瞬变电磁法可以将线圈放置于巷道底板测量，探测底板一定深度内含水性异常体垂向和横向发育规律，也可以将线圈直立于巷道内，当线框面平行巷道掘进前方，可进行测；当线圈平行于巷道侧面煤层，可探测工作面内和顶底板一定范围内含水低阻异常体的发育规律；

5．矿井瞬变电磁法对高阻层的穿透能力强，对低阻层有较高的分辨能力。

在高阻地区如果用直流电法勘探要达到较大的探测深度，须有较大的极距，故其体积效应就大，而在高阻地区用较小的回线可达到较大的探测深度，故在同样的条件下TEM较直流电法的体积效应小得多。

YCS2000A矿用瞬变电磁仪是为煤矿井下含有瓦斯、煤尘爆炸性危险环境中探测含水和导水地质小构造而设计制造的本质安全电磁法勘探仪器。

该仪器采用当前最新的电子技术，极大的提高了仪器的抗干扰能力和测量精度。

图3瞬变电磁法工作原理示意图

2.2矿井瞬变电磁法地球物理特征

在探测富水区的位置及其分布范围等方面，瞬变电磁法是目前最有效的方法之一，其物理基础是富水区相对于周围地层有明显的电性差异。

理论上讲，干燥岩石的电阻率值很大，但实际上地下岩石孔隙、裂隙总是含水的，并且随着岩石的湿度或者含水饱和度的增加，电阻率急剧下降，即赋水性的不均匀程度在瞬变电磁参数图件上反映为电阻率的高低变化；当岩层完整时其电阻率较高，受构造运动或地下水作用的影响，部分地段岩层破碎或裂隙发育，破碎程度及其含水的饱和度越大（砂岩、灰岩富水性增强），岩石的导电性会显著增强，地层电阻率会明显降低，断面图上会有明显的低阻异常反映。

正常情况下，各层位电性在横向上是相对均一的。

当存在局部低阻异常体（裂隙带、富水区等）时，在断面上就会出现局部低电阻率异常区。

从地表到底部煤层，正常地层的电阻率是依次继增的，当岩层富水时，其电阻率会降低，和围岩相比较形成低阻反映。

为以导电性差异、电性感应差异作前提的瞬变电磁法探测技术的运用提供了良好的地球物理前提。

2.3勘探方法

首先通过布置在巷道内的发射线框在巷道周围岩层中建立起脉冲式一次电磁场，用接受探头观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场，通过对该二次场的空间和时间的分布分析来认识有关地质问题。

在做井下瞬变电磁超前探测工作时，迎头面积很小，往往采用扇形探测技术，如图4所示。

图4井下超前探测扇形测点布置示意图

在实际工作过程中对于每个发射点，也可调整天线的法线与巷道底板的夹角大小，以探测巷道顶板、顺层和底板方向的围岩变化情况，其探测方向如图5所示。

图5井下超前探测方向示意图

2.4施工探测装置

施工探测装置示意图如图7A所示。

矿井瞬变电磁法的回线装置形式主要有重叠回线、中心回线、分离回线，如图7B所示，具体工作装置的选择应根据勘察目的、施工条件和各种装置的特点等因素综合考虑决定。

重叠回线装置中心回线装置

分离回线装置（左：

共面偶极装置，右：

共轴线偶极装置）

图7　瞬变仪施工装置示意图

2.5仪器工作原理

YCS2000A矿用瞬变电磁仪是井下电磁法勘探仪器，也可用于地面进行电法勘探工作。

探测系统由主机、发射线框、接收探头组成，主机完成发射与接收的控制、信号采集、操作界面数据的实时处理与显示；

瞬变仪主机由发射机与接收机两大部分组成，其中主要包括FPGA主控部分、A/D转换器、发射、控制、显示、电源等。

其中FPGA与工控机组成系统主控部分，实现对整个系统的时序控制、发射信号与采集信号的同步、初步的数据处理、数据存储以及实时显示；发射线框与发射板组成发射部分，提供瞬变电磁探测所需的双极性方波脉冲。

接收探头和A/D转换器及其配套电路组成瞬变电磁数据采集部分，主要完成对二次场信息的高精度采集以及数据的传输。

数据采集完成之后，仪器可对数据进行初步处理，显示当前测点的电压曲线，视电阻率以及多个测点的多测道图。

第三章仪器操作

3.1准备工作

在将YCS2000A矿用瞬变电磁仪带下矿井开展检测工作之前，需要做如下准备工作:

（1）仪器完整性检查:

主要检查仪器的外观是否完整，显示屏透明窗是否破损，仪器的防水密封部件是否失效，连接线是否破损。

（2）测量仪性能检查。

主要测试仪器能否正常工作。

测试方法为将整套系统各关联部件均准确连接到接口上，打开电源，进入正常检测状态，开始检测，查看仪器是否工作正常。

3.2面板及连接

YCS2000A-Z矿用瞬变电磁仪主机面板由显示器、鼠标、开关按键、电源电量显示按键等组成。

1）显示器：

8寸LCD屏；

2）鼠标：

工业级触摸板鼠标；

3）电池电压：

LED数码管，用来显示电池电压；

4）电量按键：

电池电量显示开关；

5）主机、发射按键：

切换显示电池电压功能；

6）开按键：

主机开启功能；

7）关按键：

主机关闭功能。

3.3操作过程

1）开机。

首先按下“开”键，打开仪器电源，仪器将自动进入瞬变电磁采集主界面。

2）新建工区。

在主界面的“文件”下拉菜单中选择“新建”或者点击工具栏中的“新建”快捷按钮，软件会自动弹出新建工区命名窗口，进行完命名（默认以时间）操作之后点击保存即可。

4）参数设置。

5）查看电流。

主界面右侧选择“查看电流”或者点击工具栏中的“查看电流”快捷按钮。

6）数据采集。

点击工具栏中“启动采样”按钮即可开始数据的采集，若采集过程中需要停止采集，则点击工具栏中“停止采样”按钮即可停止当前数据的采集。

7）关机。

数据采集完成后点击工具栏中“关机”按钮，待操作系统关闭后，点击仪器面板上得“关”按键，即可完成关机。

第四章工作量、技术措施及质量评述

4.1工作量

本次矿井瞬变电磁法勘探试验施工布置与工作量，迎头布置测线1条（顺层方向）通过移动发射接收线圈，形成实测扇形剖面。

图5线框摆放角度示意

4.2技术措施

矿井瞬变电磁法勘探装置类型采用重叠回线组合装置，边长2m的激发和接收正方形线圈，激发线圈匝数10匝，接收线圈等效面积450平方米。

供电电流档为4.5A，供电脉宽10ms，采样率16µS。

每个测点通常采用100道（20——2000道可选）叠加方式提高信噪比，确保了原始数据的可靠性。

4.3质量评述

本次矿井瞬变电磁法勘探试验数据采集，严格按《瞬变电磁法技术规程》《电阻率测深法技术规程》执行，并通过加大发射功率的方法增强二次场，提高信噪比等方法，保证了本次试验的数据采集，从而保证了施工质量。

第五章矿井瞬变电磁法勘探资料处理与解释

5.1资料处理

本次物探资料的解释工作是在条件试验基础上，采取由已知到未知，由点到线，由线到面，由简单到复杂的解释原则。

首先对探测数据进行地下半空间和地形较正，消除地形对采集数据的影响。

其次对地质不均匀体进行较正，消除不确定地质因素对所采集数据的影响。

通过数据处理，给出了每条测线探测的等视电阻率剖面图。

最后结合地质资料，把物探异常转化为地质异常。

仪器采集的原始数据为归一化电位值即电位对电流的比值。

将数据室内回放，原始数据打开后呈现如图7所示的两部分曲线，纵坐标表示某个测点的实测V/I值，从上到下依次为1～32道，可以选择更多道数。

图6多测道视电阻率剖面示意图

分别以对数方式显示，横跨六个数量级，单位为“微伏/安培”；横坐标表示该记录的若干个测点记录，即实际采集了多少个采样点；“x”表示第几个测点记录，“y”表示该测点某测道的实测V/I值。

从这个剖面图上可以简单的横向分析出测区的电性大致分布趋势，峰值越大表示该区域地下的导电性较好，视电阻率就越趋于小，相对显示低阻异常。

这是在后续的数据处理及异常区判断一个原始根据。

纵向可从多测道图的疏密程度来分析不同深度视电阻率的高低，曲线密集处表示该区域地下的导电性好，视电阻率小；曲线稀疏处表示该区域导电性差，视电阻率高。

经过相关计算可以得出每个测点的视电阻率值，然后用作图工具成图可以结合地质及水文地质情况直观地判断测区岩层的电性分布特点。

含水地质体上同点装置瞬变电磁二次感应电压异常表现为高～低～高的形态，电阻率数据处理会形成含水采空区上高阻异常的特征。

而且地质体的富水性并不完全与电阻率值成正相关，还与电阻率在空间上的变化率密切相关。

这样，瞬变电磁数据处理中还就顺含水层电阻率等值线要进行专门的含水性目标分析处理。

瞬变电磁基本处理可以用下面三个公式说明，视电阻率计算公式：

式中t为时窗时间，m为发射磁矩，q为接收线圈的有效面积，V（t）是感应电压。

视纵向电导Sτ和视深度hτ的计算表达式为：

式中V（t）/I是归一化感应电压，A为发射回线面积，d（V（t）/I）/dt是归一化感应电压对时间的导数。

上述视电阻率、视深度是处理应得到的基本参数，根据资料的实际情况应进行滤波、一维简单反演等处理。

5.2资料解释

1）八片区视电阻率剖面图资料解释

以下图中的横坐标为测线坐标，零点为探测起始位置，终点为探测终点位置。

纵坐标为探测深度。

蓝色显示区域为低阻异常区域。

图7轴前左八片58放水巷迎头超前探测成果图（采样频率6.25Hz，横坐标实际距离为2米，为图形显示效果，该图横坐标放大了10倍）

从该图中看出在迎头前方有一处低阻异常区，距离迎头大约75-85米处。

图8轴前左八片58放水巷迎头超前探测成果图（采样频率12.5Hz横坐标实际距离为2米，为图形显示效果，该图横坐标放大了10倍）

从该图中看出在迎头前方有一处低阻异常区，距离迎头大约75-85米处。

图9轴前左八片58放水巷迎头超前探测成果图

（采样频率6.25Hz，斜向上30方向，横坐标实际距离为2米，为图形显示效果，该图横坐标放大了10倍）

从该图中看出在迎头前方有两处低阻异常区，分别记为一号异常和二号异常，一号异常距离迎头大约40-50米范围，二号异常距离迎头大约90-105米范围。

图10轴前右九片58上采煤巷顶板探测成果图（采样频率6.25Hz）

从该图中看出在右上方有两处低阻异常区，分别记为一号异常和二号异常，一号异常距离顶板大约35-60米范围内，二号异常距离顶板大约35-60米范围，从图上可以看出两个异常距离基本一致，而且范围较大，因此需要重点关注，需矿方打钻验证。

第六章结论及建议

此次矿井瞬变电磁法勘探严格执行《煤矿防治水规定》，积极推行物探工作，切实按照“物探先行、钻探验证、化探跟进”的综合探测程序开展工作，并坚持“有掘必探，有采必探，先探后掘，先探后采”的探放水原则，提高防治水安全保障水平。

探测巷道超前探结果并结合实际地质情况，对该方向低阻异常区进行验证、分析，确保安全生产。