井下瞬变电磁报告

目录

1.探测任务 (1)

1.1探测任务及目的 (1)

2.探测方法原理 (1)

2.1 探测方法原理 (1)

2.2 矿井瞬变电磁的特点 (3)

3.工作方法及技术要求 (4)

3.1使用仪器及参数 (4)

3.2工作方法 (6)

3.3技术措施 (8)

3.4本次工作情况及质量措施 (8)

4.资料处理及解释 (8)

5.结论 (11)

6.存在问题及建议 (11)

山西煤业运销集团同富新煤业有限公司为安全生产，按照“有掘必探、有采必探”的原则，委托山西省地球物理化学勘查院（以下简称山西物化院）对该矿10101辅助运输顺槽开口向里21m处前方100米半圆范围地层赋水情况进行井下瞬变电磁探测工作，山西物化院于2013年10月14日进行了井下现场资料采集工作，经认真处理分析，提交本次井下瞬变电磁探测报告。

1.探测任务

1.1探测任务及目的

1）超前探基本测线4条，每条测线11个物理点，

2）探测10101辅助运输顺槽开口向里21m处顶板，顺层及底板的前方100米低阻体异常及分布范围。

3）为布置探防水钻孔设计提供依据。

2.探测方法原理

2.1 探测方法原理

瞬变电磁法属时间域电磁感应方法。其探测原理是：在发送回线上供一个电流脉冲方波，在方波后沿下降的瞬间，产生一个向发射回线法线方向传播的一次磁场，在一次磁场的激励下，地质体将产生涡流(见图2-1)，其大小取决于地质体的导电程度，在一次场消失后，该涡流不会立即消失，它将有一个过渡(衰减)过程(见图2-2)。该过渡过程又产生一个衰减的二次磁场向地质体内传播，由接收回线接收二次磁场，该二次磁场的变化将反映地质体的电性分布情况。如按不同的延迟时间测量二次感生电动势V(t)，就得到了二次磁场随时间衰减的特性曲线。如果没有良导体存在时，将观测到快速衰减的过渡过程(见图2-3)；当存在良导体时，由于电源切断的一瞬间，在导体内部将产生涡流以维持一次场的切断，所观测到的过渡过程衰变速度将变慢，从而发现导体的存在。

图2-1 TEM探测原理

图2-2 TEM衰减曲线（探测的根据）

图2-3 半空间中的等效电流环

瞬变电磁场在大地中主要以扩散形式传播，在这一过程中，电磁能量直接在导电介质由于传播而消耗，由于趋肤效应，高频部分主要集中在地表附近，且其分布范围是源下面的局部，较低频部分传播到深处，且分布范围逐渐扩大。

传播深度：

/4

σμπ

t d =

(1)

传播速度：

t

t d v z 02πσμ=??=

(2)

t 为传播时间，σ为介质电导率 0μ为真空中的磁导率。

瞬变电磁的探测度与发送磁矩覆盖层电阻率及最小可分辨电压有关。

由(2)式得：

ρπ/1022

7h t -?= (3) 时间与表层电阻率，发送磁矩之间的关系为：

5

1

3120400?????

?

???

??

???? ??=πρημM t (4)

M 为发送磁矩，1ρ为表层电阻率，η为最小可分辨电压，它的大小与目标层几何参数和物理参数，还有和观测时间段有关。联立(3)(4)式，可得：

5

1

155.0?

??

?

??=ηρM H (5)

上式为野外工程中常用来计算最大探测深度公式。瞬变电磁的探测度与发送磁矩，覆盖层电阻率及最小可分辨电压有关。

采用晚期公式计算视电阻率：

?

?

????

?

?=

dt )t (dB 5t M 2t 4)t (z 00μπμρτ (6) 式中

R S 10I I

V dt )

t (dB N 3

z ??= (7)

2.2 矿井瞬变电磁的特点

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100m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小于2m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，在布设测点时一定要控制点距，在考虑工作强度的情况尽可能的使测点密集。

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10-100倍。井下的干扰信号相对于有用信号近似等于零，而地面测量信号在衰减到一定时间段接被干扰信号覆盖，无法识别有用的异常信号。

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，可进行超前探测；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。

另外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。在高阻地区由于高阻屏蔽作用，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。

3.工作方法及技术要求

3.1使用仪器及参数

本次探测使用的仪器为武汉地大华睿地学技术有限公司生产的YCS200矿用瞬变电磁仪（图3-1）。

这套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、纵横向分辨率高，且施工快捷、效率高等优点，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，为煤矿企业在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。同时这套瞬变电磁仪系统可以通过加大发射功率的方法增强二次场，提高信噪比，从而加深勘探深度；通过多次脉冲激发场的重复测量叠加和空间域多次覆盖技术的应用提高信噪比，应用于工作复杂、噪声干扰大的煤矿井下水害超前预报使用，有效勘探深度能达到100米。

图3-1 YCS200矿井瞬变电磁仪实物图

YCS200矿用本安型瞬变电磁仪-技术指标参数

发送电流强度≤4A

电流脉冲宽度10 ms、20 ms、40 ms

电流发射频率200 Hz 、25 Hz、12.5 Hz、6.25 Hz、1.5625H

z、0.25 H z

发射线圈规格 1.5 m×1.5 m

发射电压9.6V

叠加次数1～9999（可选）

关断时间0.5~300μs（随供电电流大小以及发送线圈不同而各异）

发射波形双极性矩形波

主控机军用级工控机

A/D转换器16 bit

最小采样间隔4μS

动态范围140 dB

本底噪声≤600nV

内存256 MB

数据存储 4 GB电子硬盘（可扩展）

端口1个USB2.0（仅在地面使用）

显示屏7″TFT彩色液晶显示屏

操作界面Windows xp

电源内置电池

连续工作时间7小时以上

尺寸335㎜×281㎜×216㎜（长×宽×高）

重量4Kg

工作温度0℃～+40℃

图3-2 YCS200矿井瞬变电磁仪技术参数

3.2工作方法

根据矿方要求，本次施工是在10101辅助运输顺槽开口向里21m处进行探测。依次探测方向与水平夹角分别为45°、30°、0°、-30°共4个角度，每个角度

由左侧帮到右侧帮顺时针布设11个测点。(如图3-3、3-4所示）。本掘进头有效探测距离为100m，留设30m安全距离，本次探测的前方30m为本次探测盲区，掘进到距离本掘进头70m处进行下一次探测。

图3-3 井下瞬变电磁纵向施工示意图

图3-4 井下瞬变电磁横向施工示意图

3.3技术措施

本次勘探装置类型采用重叠回线组合装置，边长1.5m的激发和接收正方形线圈，激发线圈匝数为16匝，接收线圈匝数为40匝。供电电流档为2A，供电脉宽10ms。每个测点采用30次叠加方式提高信噪比，确保了原始数据的可靠性。

3.4本次工作情况及质量措施

3.4.1本次工作情况

本次主斜井井下物探共完成超前探基本测线4条，每条测线11个物理点。

探测环境简述：本次探测10101辅助运输顺槽开口向里21m处，顶板为铁锚杆支护，铁丝网护顶护壁，巷道内有大型综掘机一台，位于迎头后方1.5m处。以上干扰源对采集数据造成一定的干扰，影响解释精度。

3.4.2质量保证措施

井下数据采集采取以下质量保证措施：

1、数据采集前，仪器严格按说明书进行标定；对参与此项工程的人员加强质量意识的教育与管理；严格按照ISO：9001及2000质量管理体系的程序进行施工，加强自检与互检。对不符合质量要求的资料，查明原因，凡属主观因素造成的立即返工。

2、根据地质任务合理确定采样延时、叠加次数、发射电流等仪器的参数设置；施工过程中时刻检查仪器和导线的漏电情况，保证绝缘，避免观测曲线发生畸变，造成解释的错误。

3、在施工过程中，尽量减少测线方位与点距的偏差。受巷道条件等的影响，及时调整点线距和测网密度，并及时重测，以便最大限度地消除偶然误差而获得可靠、丰富的地质信息。

4.资料处理及解释

矿井瞬变电磁法资料的基本处理过程是：数据整理、数据预处理、数据转换与计算、视电阻率换算、时深转换、绘制成果图、异常确认、根据地质及水文资料进行综合解释。

资料解释结合已知的地质、钻探和水文等资料。在具体解释中还做到了：

1、人工解释与计算机解释相结合；

2、垂直断面与水平切面解释相结合；

3、电性解释与综合地质分析相结合。

图4-1 瞬变电磁数据处理及解释流程图

对现场施工的数据进行分组，可得到45°、30°、0°、-30°四个层次的探测成果。通过对数据的处理，得到以下瞬变探测视电阻率分布成果图。在下图中，坐标（0，0）点表示探测体端点位于10101辅助运输顺槽开口向里21m处的位置，图左表示探测体左侧及左前方，右侧表示探测体右侧及右前方。图中显示了探测体从北向开始，按照顺时针不同方位角和倾角的空间位置的视电阻率分布图。在每幅图中，依次用红、黄、绿、蓝代表不同的视电阻率值，颜色越接近红色，表示视电阻率越高表示岩层相对含水性越弱，反之，颜色越接近蓝色，表示视电阻率越低，该位置相对含水性越强。在图中红色虚线区域为低阻异常。

由于瞬变电磁法探测具有低阻屏蔽的特性，真实的低阻区域可能小于图中显示的低阻范围，所以由此得出的低阻范围只能是相对值。瞬变电磁法只能探测低阻区域的最近距离，而不能确定低阻区域的最远边界，所以实际工作中只能圈定低阻范围的最近距离。

从图4-2顶板45o超前探测视电阻率拟断面图中可以看出，在有效探测深度为100m范围之内，未发现明显的相对低阻异常。

斜向上45°方向（顶板）

图4-2 顶板45o超前探测视电阻率拟断面图

从图4-3顶板30°超前探测视电阻率拟断面图中可以看出，在有效探测深度为100m范围之内，未发现明显的相对低阻异常。

顺层0°方向

图4-3 顶板30°超前探测视电阻率拟断面图

从图4-4顺层0°超前探测视电阻率拟断面图中可以看出在有效探测深度为100m范围之内，未发现明显的相对低阻异常。

斜向下30°方向（底板）

图4-4 顺层0 o超前探测视电阻率拟断面

从图4-5底板30o超前探测视电阻率拟断面图中可以看出，在有效探测深度为100m范围之内，未发现明显的相对低阻异常。

斜向下45°方向（底板）

图4-2 顶板45o超前探测视电阻率拟断面图

5.结论

综合4个层次的探测成果图，本次探测在有效探测深度为100m范围之内，未发现明显的相对低阻异常。根据本次探测结果并结合地质资料及现场施工环境分析，推断在本次探测点前方100m范围内富水性一般。但也不排除为综掘机等铁器干扰屏蔽探测信号所致。

6.存在问题及建议

1、赋水区的划分是相对的，划分的主要依据是视电阻率值的高低，但引起电阻率变化的因素是多样的，因此划分的赋水区也仅是视电阻率相对低阻异常区。本次勘探成果图所示蓝色区域的相对低阻异常区，地质推断为赋水性区域，前方掘进时可能会出现淋水和裂隙渗水现象，结果有待矿方钻探验证。

2、综合考虑矿区地质条件复杂，安全隐患因素多，建议矿方对推断的相对低阻异常区域进行钻探工作，注意出水量的变换，以便制定合理的施工设计方案，避免造成意外透水事故。

3、由于物探方法受体积效应的影响，影响物探异常的因素较多，因此建议矿方须结合巷道实际掘进情况及矿区水文地质资料，在施工时严格按照煤矿安全生产中“有掘必探，物探先行，钻探跟进”的指导思想进行，在掘进之前进行相应的钻探工作，以弥补物探推断异常以外的水患验证工作，确保安全生产。

4、建议矿方在生产过程中及时将井下揭露地质水文情况和地质构造情况反馈我方，以便进行数据定量修正，更好地为矿方安全生产服务。

5、刮板机、综掘机等铁器要后退至迎头8m以外，确保施工空间；断电暂停施工，确保采集数据质量。