新井礦瞬變電磁法超前探物探實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、甕安煤礦有限公司新井礦瞬變電磁法超前探物探實(shí)驗(yàn)報(bào)告中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）高科資源儀器探測(cè)研究所武漢地大華睿地學(xué)技術(shù)有限公司2013年5月22日翁安盛源煤礦有限公司新井礦井2126回風(fēng)巷瞬變電磁法超前探物探實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、物探勘探任務(wù)及目的為了避免巷道掘進(jìn)中直接揭露含水構(gòu)造，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巷道施工情況，2126回風(fēng)巷 巷道采用礦井瞬變電磁探測(cè)技術(shù)進(jìn)行超前探測(cè)，探測(cè)前方100m范圍內(nèi)、頂板斜 45°方向向上100m范圍內(nèi)、頂板斜30°方向斜向上100m范圍內(nèi)含水構(gòu)造發(fā)育 情況；為布置探防水鉆孔設(shè)計(jì)提供依據(jù)。結(jié)合礦方已有的水文地質(zhì)資料，對(duì)切眼 外側(cè)的富水性分布進(jìn)行分析。主要任務(wù)及目的如下：1

2、、探測(cè)2126巷頂板、順層方向方向的低阻體異常及分布范圍。2、對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)煤層開采或水害治理提供物理探測(cè)技術(shù)依據(jù)。3、為布置探防水鉆孔設(shè)計(jì)提供依據(jù)。二、礦井瞬變電磁（tem）的原理及工作方法21礦井瞬變電磁（tem）的原理礦井瞬變電磁和地面瞬變電磁法的基木原理的一樣的,理論上也完全可以使 用地面電磁法的一切裝置及采集參數(shù)，但受井下環(huán)境的影響，礦井瞬變電磁法與 地而的tem的數(shù)據(jù)采集與處理相比又冇很大的區(qū)別。由于礦井軌道、高壓環(huán)境及 小規(guī)模線框裝置的影響，在井卜的探測(cè)深度很受限制，一般可以有效解釋200m 左右。另外地面瞬變法為半空間瞬變響應(yīng)，這種瞬變響應(yīng)來自與地表以下半空間 層，而礦井瞬變電磁法為

3、全空間瞬變響應(yīng)，這種響應(yīng)來自冋線平面上下（或兩側(cè)） 地層，這對(duì)確定異常體的位置帶來很大的困難。實(shí)際資料解釋中，必須結(jié)合具體 地質(zhì)和水文地質(zhì)情況綜合分析。瞬變電磁法或稱時(shí)間域電磁法（time domain electromagnetic methods）, 簡(jiǎn)稱tem,它是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖屯磁場(chǎng)，在一次 脈沖電磁場(chǎng)間歇期間，利用不接地線圈或接地電極觀測(cè)二次渦流場(chǎng)的方法。其基 本工作方法是：于地面或井卜設(shè)置通以一定波形電流的發(fā)射線圈，從而在其周圍 空間產(chǎn)生一次磁場(chǎng)，并在地下導(dǎo)電巖礦體中產(chǎn)生感應(yīng)電流。斷電后，感應(yīng)電流曲 于熱損耗而隨吋間衰減。衰減過程一般分為早、屮和晚期。早

4、期的電磁場(chǎng)相當(dāng)于 頻率域中的高頻成分，衰減快，趨膚深度??；而晚期成分則相當(dāng)于頻率域中的低 頻成分，衰減慢，趨膚深度大。通過測(cè)量斷電后各個(gè)時(shí)間段的二次場(chǎng)隨時(shí)間變化 規(guī)律，可得到不同深度的地電特征。在導(dǎo)電率為0、導(dǎo)磁率為“）的均勻各向同性大地表面鋪設(shè)面積為s的矩形 發(fā)射冋線，在冋線中供以階躍脈沖電流/，1（" r<01°宀。 圖2瞬變電磁法工作原理示意圖在電流斷開z前，發(fā)射電流在回線周圍的大地和空間屮建立起一個(gè)穩(wěn)定的 磁場(chǎng)（如圖2所示）。在t二0時(shí)刻，將電流突然斷開，由該電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)也立 即消失。一次磁場(chǎng)的這一劇烈變化通過空氣和地下導(dǎo)電介質(zhì)傳至回線周圍的人地 i'

5、;,并在大地小激發(fā)出感應(yīng)電流以維持發(fā)射電流斷開之前存在的磁場(chǎng)，使空間的 磁場(chǎng)不會(huì)即刻消失。由于介質(zhì)的熱損耗，直到將磁場(chǎng)能量消耗完畢為止（見圖3）o圖3瞬變電磁法感應(yīng)電磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換原理示意圖由于電磁場(chǎng)在空氣中傳播的速度比在導(dǎo)電介質(zhì)中傳播的速度大得多，當(dāng)一次 屯流斷開時(shí)，一次磁場(chǎng)的劇烈變化首先傳播到發(fā)射回線周圍地表各點(diǎn)，因此，最 初激發(fā)的感應(yīng)電流局限于地表。地表各處感應(yīng)電流的分布也是不均勻的，在緊靠 發(fā)射冋線一次磁場(chǎng)最強(qiáng)的地表處感應(yīng)電流最強(qiáng)。隨著時(shí)間的推移，地下的感應(yīng)電 流便逐漸向下、向外擴(kuò)散，其強(qiáng)度逐漸減弱，分布趨于均勻。研究結(jié)果表明，任 一時(shí)刻地卜渦旋電流在地表產(chǎn)生的磁場(chǎng)可以等效為一個(gè)水平環(huán)狀線電

6、流的磁場(chǎng)。 在發(fā)射電流剛關(guān)斷時(shí)，該環(huán)狀線電流緊挨發(fā)射回線，與發(fā)射回線具冇相同的形狀。 隨著吋間推移，該電流環(huán)向下、向外擴(kuò)散，并逐漸變形為圓電流環(huán)。等效電流環(huán) 象從發(fā)射冋線中“吹”出來的一系列“煙圈”，因此，人們將地下渦旋電流向下、 向外擴(kuò)散的過程形象地稱為“煙圈效應(yīng)”（如圖4所示）?！盁熑Α钡陌霃絩、深度d的表達(dá)式分別為：(2)(3)廠=儂？ 血° +/）d = 4 龍?jiān)校ǎ?-z圖4瞬變電磁場(chǎng)的煙圈效應(yīng)式屮a為發(fā)射線圈半徑。發(fā)射線圈半徑相對(duì)于“煙圈”半徑很小時(shí)，“煙圈” 將沿傾斜錐面擴(kuò)散，其向下傳播的速度為：dd 2v =dt ww（4）從“煙圈效應(yīng)”的觀點(diǎn)看，早期瞬變電磁場(chǎng)是由近

7、地表的感應(yīng)電流產(chǎn)生的, 反映淺部電性分布；晚期瞬變電磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化規(guī)律，可以探測(cè)大地電性的垂 向變化。2.2、礦井瞬變電磁（tem）的特點(diǎn)1、受礦井巷道的影響礦井瞬變電磁法只能采用邊長(zhǎng)1. 5m的多匝回線裝置, 這與地面瞬變電磁法相比數(shù)據(jù)采集勞動(dòng)強(qiáng)度小，測(cè)量設(shè)備輕便，工作效率高，成 本低；2、采用小規(guī)模回線裝置系統(tǒng)，因此為了保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量、降低體積效應(yīng)的 影響、提高勘探分辨率，特別是橫向分辨率；3、井下測(cè)量裝置距離異常體更近，大大的提高測(cè)量信號(hào)的信噪比，經(jīng)驗(yàn)表 明，井下測(cè)量的信號(hào)強(qiáng)度比地面同樣裝置及參數(shù)設(shè)置的信號(hào)強(qiáng)很多；4、地面瞬變電磁法勘探一般只能將線框平置于地面測(cè)量，而井下瞬變電磁 法可

8、以將線圈放置于巷道底板測(cè)量，探測(cè)底板一定深度內(nèi)含水性異常體垂向和橫 向發(fā)育規(guī)律，也可以將線圈直立于巷道內(nèi)，當(dāng)線框面平行巷道掘進(jìn)而方，可進(jìn)行 超詢探測(cè)；當(dāng)線圈平行于巷道側(cè)面煤層，可探測(cè)工作面內(nèi)和頂?shù)装逡欢ǚ秶鷥?nèi)含 水低阻異常體的發(fā)育規(guī)律；5、礦井瞬變電磁法對(duì)高阻層的穿透能力強(qiáng)，對(duì)低阻層有較高的分辨能力。 在高阻地區(qū)如果用盲流電法勘探要達(dá)到較大的探測(cè)深度，須冇較大的極距，故英 體積效應(yīng)就大，而在高阻地區(qū)用較小的回線可達(dá)到較大的探測(cè)深度，故在同樣的 條件下tem較直流電法的體積效應(yīng)小得多。23、礦井瞬變電磁法地球物理特征在探測(cè)富水區(qū)的位置及其分布范圍等方面，瞬變電磁法是目前最有效的方法 之一，其物理

9、基礎(chǔ)是富水區(qū)相對(duì)于周圍地層有明顯的電性差異。理論上講，干燥 巖石的電阻率值很大，但實(shí)際上地卜巖石孔隙、裂隙總是含水的，并且隨著巖石 的濕度或者含水飽和度的增加，電阻率急劇下降，即賦水性的不均勻程度在瞬變 電磁參數(shù)圖件上反映為電阻率的高低變化；當(dāng)巖層完整吋其電阻率較高，受構(gòu)造 運(yùn)動(dòng)或地下水作用的影響，部分地段巖層破碎或裂隙發(fā)育，破碎程度及其含水的 飽和度越大（砂巖、灰?guī)r富水性增強(qiáng)），巖石的導(dǎo)電性會(huì)顯著增強(qiáng)，地層電阻率 會(huì)明顯降低，斷面圖上會(huì)有明顯的低阻異常反映。正常情況下，各層位屯性在橫 向上是相對(duì)均一的。當(dāng)存在局部低阻異常體（裂隙帶、富水區(qū)等）時(shí)，在斷面上 就會(huì)出現(xiàn)局部低電阻率異常區(qū)。正常地層

10、的電阻率是依次繼增的，當(dāng)巖層富水時(shí), 其電阻率會(huì)降低，和圍巖相比較形成低阻反映。為以導(dǎo)電性差異、電性感應(yīng)差異 作前提的瞬變電磁法探測(cè)技術(shù)的運(yùn)用提供了良好的地球物理前提。三、礦井瞬變電磁工作儀器及工作布置3.1工作儀器木次礦井i舜變電磁物探工作使用的儀器為中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）高科資源探 測(cè)儀器研究所生產(chǎn)的temhz75礦用本安型瞬變電磁儀和te町f50礦用隔爆兼本安 型瞬變電磁儀組合實(shí)現(xiàn)（如圖4）。這套礦用瞬變電磁儀對(duì)低阻充水破碎帶反映 特別靈敏、體積效應(yīng)小、縱橫向分辨率高，且施工快捷、效率高等優(yōu)點(diǎn)，既可以 用丁煤礦掘進(jìn)頭前方，也可以用于巷道側(cè)幫、煤層頂、底板等探測(cè)，為煤礦企 業(yè)在生產(chǎn)過程中水患

11、和導(dǎo)水構(gòu)造的超前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供技術(shù)手段。這套憐變電磁儀 系統(tǒng)口j以通過加大發(fā)射功率的方法壇強(qiáng)二次場(chǎng)，提高信噪比，從而加深勘探深度; 通過多次脈沖激發(fā)場(chǎng)的重復(fù)測(cè)量疊加和空間域多次覆蓋技術(shù)的應(yīng)用提高信噪比, 從而應(yīng)用于工作復(fù)雜、噪聲干擾大的煤礦井下水害超前預(yù)報(bào)使用，有效勘探深度 能達(dá)到200米。圖5礦井瞬變電磁儀實(shí)物圖temjf50礦用隔爆兼本安型瞬變電磁儀對(duì)低阻充水破碎帶反映特別靈敏、體積效應(yīng)小、縱橫向分辨率高，且施工方便、快捷、效率高等優(yōu)點(diǎn)，既可以用于煤 礦掘進(jìn)頭前方，也口j以用于巷道側(cè)幫、煤層頂、底板等探測(cè)，為煤礦企業(yè)在生產(chǎn) 過程屮水患和導(dǎo)水構(gòu)造的超前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供技術(shù)手段。3. 2儀器工作參數(shù)

12、主要性能參數(shù)temhz75礦用本安型瞬變電磁儀（發(fā)射/接收一體機(jī)）技術(shù)指標(biāo)項(xiàng)目參數(shù)主控機(jī)'乍用級(jí)丁控機(jī)aqm換器16 bit采林率1 從5、4 從s、 16 pis】念范1h140 db1 pv內(nèi)6512mb咬盤1gb電產(chǎn)盤（j擴(kuò)展usb、ji 1 k /bl、網(wǎng) 1、.、器8 4 j tft 心發(fā)電血強(qiáng)匸<a<2.5a電4沖譏皿（ms10. 20. 40電門發(fā)射頻率（hz75. 25. 12.5. 6.25發(fā)射線圈規(guī)格1 m 1 m 3 m 3 m文斷時(shí)間 （ns）0 5300發(fā)射波形q極fl；矩形波防爆證號(hào)：2104158 ma證編號(hào)：mak100038駐；iel-1w

13、 .r主要性能參數(shù)temjf50礦用隔爆兼本安型發(fā)射機(jī)（大功率）技術(shù)指標(biāo)參數(shù)三50a防爆證號(hào)：21020612 ma 證編號(hào)：mak100039匸作電流（v） 發(fā)射線圈觀格 輸汨電ii、 （v 關(guān)斷吋間（“）發(fā)射波形電him；ji 文（ins） 電沉發(fā)射力率（hz）項(xiàng)目發(fā)送電流強(qiáng)度（a>圖6 temiiz75礦用本安型瞬變電磁儀性能參數(shù)10. 20. 4075. 25. 12.5、 土 121 m x 1 m 10 m x 10 m12 24一0.5 300収極料知片波 電纜同步圖7 temjf50礦用隔爆兼木安型發(fā)射機(jī)（大功率）性能參數(shù)3.3、temjf50礦用隔爆兼本安型發(fā)射機(jī)（大功

14、率）系統(tǒng)特點(diǎn)1、輕便瞬變電磁儀發(fā)射系統(tǒng)；2、采用大電流（50a）小線圈（1.5米）工作方式；3、視窗時(shí)間達(dá)到150毫秒，使得最大探測(cè)距離可達(dá)到200m ；4、大功率發(fā)射電流，從而有效地壓制干擾；5、保愚性與安全性好；多重的抗干擾技術(shù)；6、工控機(jī)作主控機(jī)和windows操作平臺(tái)；采樣率高；7、先進(jìn)的解釋軟件系統(tǒng)。3.4、工作布置與工作量、技術(shù)措施及質(zhì)量評(píng)述1. 木次礦井憐變電磁法勘探試驗(yàn)施工布置與工作量，沿探測(cè)地點(diǎn)布置測(cè)線 3條（頂板斜向上40度、順層方向，底板斜向下40度方向），通過在掘進(jìn)頭移動(dòng)發(fā)射接收線圈，形成3條超前探測(cè)的實(shí)測(cè)剖面。另外布置一條向上頂板方向測(cè)線和側(cè)幫測(cè)線。圖8井下施工線框擺

15、放角度示意2. 施工技術(shù)措施，礦井瞬變電磁法勘探裝置類型采用重疊回線組合裝置， 邊長(zhǎng)1.5m的激發(fā)和接收正方形線圈，激發(fā)線圈匝數(shù)4匝，接收線圈匝數(shù)40匝。 供電電流檔為50a,供電脈寬10ms,采樣率4ps。每個(gè)測(cè)點(diǎn)至少采用30次疊加方式提高信噪比，確保了原始數(shù)據(jù)的可靠性。3.質(zhì)量評(píng)述木次礦井瞬變電磁法勘探試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，嚴(yán)格按瞬變電磁法技術(shù)規(guī)程 電阻率測(cè)深法技術(shù)規(guī)程執(zhí)行，并通過加人發(fā)射功率的方法增強(qiáng)二次場(chǎng)，提高信 噪比等方法，保證了本次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集，從而保證了施工質(zhì)量。!1!礦井瞬變電磁法勘探資料處理與解釋2126s頻層方向4.1 2126回風(fēng)巷超前探資料處理本次超前探測(cè)共獲得實(shí)測(cè)扇形剖面3

16、幅，分別為頂板斜向上45°方向、頂 板斜向上30°方向、順層方向。27025020015010090504035302520 仃16151211109750圖9順層方向如上圖，在2126巷順層向前方偏左50°方向50-100米范圍內(nèi)，低阻異常 區(qū)較為明顯，可能為頂板方向構(gòu)造含水所致；順層止前方及偏左45度方向60100m方向有明顯低阻異常，可能為局部構(gòu)造所致。結(jié)合地質(zhì)推斷，建議根 據(jù)地質(zhì)資料做出合理措施！10090-8070-60504030-2010iiiiiiji-70-60-50-40-30-20-100iiiiii102030405060100-9080-

17、7060-50-40-30-20-1027025020015010090504035302725222015121097502126回風(fēng)巷（向上30°方向）圖10頂板向上30°方向如上圖，在2126巷前方偏左65100米范圍內(nèi)，低阻異常區(qū)較為明顯，該處低阻異常區(qū)，也可能為前方有斷層構(gòu)造含水或空巷積水所致。建議根據(jù)地質(zhì)資料做出詳細(xì)分析及措施。27025020015010090504035302520 仃1512109750-70-60-50-40-30-20-100102030405060702126回風(fēng)巷（向上45°方向圖11頂板斜向下45度方向如上圖，在2126巷頂板45度前方偏左45度異常區(qū)一 3090米范圍內(nèi)，正前方50100米，偏右45度方向4590米方向低阻異常區(qū)較為明顯，可能為底 板方向構(gòu)造含水所致；建議采取相應(yīng)措施。五、結(jié)語及建議1、富水區(qū)的劃分是相對(duì)的，劃分的主要依據(jù)是視電阻率值的高低，但引起 電阻率變化的因素是多樣的，因此劃分的賦水區(qū)也僅是視電阻率低