煤矿物探探测报告

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赋水性探测报告

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福州勘达源电子科技有限公司2011年12月1日下午4点

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1、瞬变电磁基本原理概述

1.1瞬变电磁法概述

瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Methods)，又称时间域电磁法(Time Domain Electromagnetic Methods)，简称TEM或TDEM，它是利用不接地回线或接地线源（电极）向地下发送一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场的间歇期间，利用线圈或接地线源（电极）观测二次涡流场的方法。该方法是近年来国内外发展得较快、地质效果较好的一种电法勘探分支方法。它与其它测深方法相比，具有探测深度大、信息丰富、工作效率高等优点。自上世纪五十年代以来，该方法得到迅速发展，特别是对探测高阻覆盖层下的良导电地质体取得了显著的地质效果。它主要应用于金属矿勘查、构造填图、油气田、煤田、地下水、地热以及冻土带和海洋地质等方面的研究，在国内外已取得了令人瞩目的效果。

综结起来，影响矿井回采及巷道掘进安全的地质因素主要是构造破碎带、裂隙发育区、岩溶、陷落柱等富水区(体)对巷道的安全掘进与生产构成严重威胁，也是煤矿发生重大突水事故的主要原因。如何做到提前预报和及时防治，关键在于有效的超前预测。多年来这一问题一直困扰着煤矿的基层技术人员和施工人员。随着当今计算机水平与科学技术不断提高和发展，对这一问题的解决也陆续涌出了不少科学手段，主要包括三种手段：地质分析法、水平钻探法、物探测试方法三大类：

1）地质分析法

地质类方法包括利用地质工作的全部资料以及巷道掘进过程中的地质测绘、地质素描资料的分析，掌握巷道穿过段岩体的地质格局，概略地预测地质界线、大型断层、主要涌水段、破碎岩体、围岩类别等。主要方法有地质投射法、地层层序法、巷道地质编录法、断层参数预报法、TV成像技术、不良地质作用综合分析法、地下水观测法等。

2）水平钻探法

水平钻探法是超前地质预报最直接的一种方法，通过钻探对掌子面前方获取的地层岩性进行鉴别，来确定其埋藏距离与厚度(或宽度)，溶洞及充填的性质，能查明钻探深度内的地下水的赋存条件，可进行水量、水压的测定，当为煤系与地层时，可确定煤层厚度和进行瓦斯含量测定，对超前地质预报成果进行验证，

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3 图1-1 TEM探测原理

同时利用所取岩芯可进行室内试验，测试岩石的物理力学性质。因此在地质构造复杂地段，经地质、物探综合手段超前地质预报确认的重点的地段，应施以水平钻探法确认。

3）物探测试方法

物探类方法近几年来发展很是迅速，与地下水有关的探测主要包括矿井直流电法勘探技术、无线电波透视技术、音频电透视技术、矿井瞬变电磁技术、红外探水等，其种类繁多。而在这些方法中，时间域瞬变电磁法以其本身固有的优点异军突出，在国内外备受青睐并得到很快的发展，特别是在对煤矿生产至关重要的煤田水文地质勘查方面，时间域瞬变电磁法已经成为了首选的物探手段。

应用电磁场的偏振性质，有利于确定缺陷的方向性，且对与水有关的缺陷比较敏感，同时记录的是时间系列，一般情况下，时间域电磁法（TDEM，简称TEM）和频率域电磁法（FDEM）相比，在相同的频率范围情况下（主要指音频），TDEM的分辨率比FDEM要高，这符合掌子面前方地质缺陷及含水性精细超前预测的要求。

1.2瞬变电磁法探测原理

地面瞬变电磁的基本工作方法是：于地面设置通以一定波形电流的发射线圈，从而在其周围空间产生一次磁场，并

在地下导电岩矿体中产生感应电流，断电

后，感应电流由于热损耗而随时间衰减，

衰减过程一般分为早、中和晚期（见图

1-1）。

早期的电磁场相当于频率域中的高频

成分，衰减快，趋肤深度小；而晚期成分

则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，

趋肤深度大。通过测量断电后不同时间的

二次场随时间变化规律，可得到不同深度

的地电特征。如图1-2所示，在线圈中通以阶跃电流，在电流断开之前，发射电流在回线周围的大地和空间建立起一稳定的磁场，在t=0时刻，将电流突然断

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图1-3超前探测耦合示意图 开，由该电流产生的磁场也立即消失。一次场的这一剧烈变化通过空气和地下导电介质传至回线周围的大地中，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，使空间磁场不会立即消失。

由于介质的欧姆损耗，这一感应电流将会迅速衰减，这种迅速衰减的磁场又在其周围的地下介质中感应出新的强度更弱的涡流，这一过渡场继续下去，直至大地的欧姆损耗将能量消耗完为止。这便是大地中的瞬变电磁过渡场，伴随这一过渡场存在的电磁场就是大地的瞬变电磁场。

应该指出，由于电磁场在空气中传播的速度比导电介质中传播的速度大得多，当一次电流断开时，一次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也是不均匀的，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，感应电流呈环带分布。

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。当发射回线中通以阶跃电流I ，发射电流突然由 I 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。

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图a 通电线圈产生的电场 图b 通电线圈产生的磁力

图1-2线源电磁场

矿井瞬变电磁采用同地面瞬变电磁法相同的工作原理，但是又区别与地面瞬变电磁法勘探，由于赋煤岩系成层分布，各岩层电阻率不同，当前采用的装置形

式在井下巷道空间中进行超前探测时，线圈与岩层的耦合方式发生改变，由原来的平行层理变成垂直层理（图2-3），进而一次场的激发方式由原来的垂直层理变成平行层理，一次场激发方式的改变带来瞬变场分布与扩散方式的改变。因此，建立于垂直层理激发方式的瞬变电磁场传播的基本理论不再适用于瞬变电磁超前探测技术，在数据的采集与处理时应采取平行层理条件下的相关理论，将发射线框置于掌子面，其发射源激励下的涡流场在不同岩层中传播，形成的二次场又会被置于掌子面的接收装置以感应电位的形式所接收，通过观测感应电位的变化，从而推测掌子面前方电性的变化。现场勘探见图2-4。

1.3 矿井瞬变电磁的特点及优点

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1ρ2ρ3ρ4ρ图1-4掌子面的现场勘探原理图

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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3m 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

图1-5 几种不同的野外工作装置

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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。

工作中根据实际情况采取不同的回线装置，图2-5为几种中心装置类型图，一类为重叠中心装置，一类为分离中心装置，在本次探测过程中根据不同的探测地质体共选取了“8”字形线框（使接收线框垂直于发射线框，使发射电流在发射线框中形成“8”字形回路，故称为“8”线框。这种装置在铁道部上常用，主要是屏除铁轨对瞬变响应的影响）及重叠回线装置。

2、技术工作方法

2.1 仪器设备

本次探测使用仪器为福州勘达

源电子有限公司研制的YCS40矿用

瞬变电磁测深仪，YCS40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，且施工方便、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。

在软件设计上，集成了经典的和专家的时间域瞬变电磁法勘探理论、技术与方法，其一次场波形发射和二次磁场接收技术和方法，可以进行复杂的地质构造勘探。

1） 现场探测： 集成了多样式一次磁场发射，高精度、高分辨率的二次磁场接收技术与方法。

2） 文件管理：文件管理工具，可创建文件和删除文件，创建和删除当前二次磁场记录文件。

3） 数据显示：一次磁场波形发射显示工具，接收二次磁场显示。

4）

检测处理：一次磁场发射时相对应电流检测，对模数转换器校零，及对

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二次涡流场增益检测。

5）便于操作：自动管理测点号和测线号及波形文件管理工具。

2.2 探测布置

2.2.1 装置参数设计

回线边长响应的关系比较复杂，一般依据被测对象的规模、埋深及电性来选定。选择的原则是长与异：回线边长与探测对象的埋深大致相同，因为回线边长的增大对于局部导体的分辨能力变差，且受旁侧地质体的干扰增大。由于井下测量环境与地表不同，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，本次探测采用的是边长2m的多匝方形重叠回线装置。而探测的深度和装置的发射磁距有直接的关系，要提高探测深度必然要使装置的磁距达到相应的数值，而磁距又正比于线圈的匝数、发射电流、边长（或有效面积）因此要提高发射功率，增加探测的有效深度，可通过增加线圈的匝数、加大发射电流以提高信噪比，达到提高探测深度的目的。由于采用的是小线框，点距更密，本次测量一般控制在2m左右，现场观测淋水点或区时点距可再适当缩小。

2.2.2 本次试验仪器参数

数据采集采用YCS40矿用瞬变电磁仪，重叠的工作装置。仪器及装置相关采集参数如下：

仪器参数设置：装置参数设置：

发射电压：7.2V 发射线框的边长：2m

发射频率10Hz 匝数：10

叠加次数：64 电阻要求：<=10

抑制系数：1 接收回线边长：2m

测道数：40 匝数:20

记录时窗：35ms

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在右帮共布置测点14个，图中不同的的视电阻值，并呈从冷色调到暖色调升高的规律分布。因此填充了不同颜色的该断面图可以更直观的判断探测区域侧帮电阻率的分布情况。

一般情况下，在同一条件下岩石的电阻率不会发生变化。但如果岩石出现裂隙或者充水，那么岩石的电阻率就会发生大的变化。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。受构造运动或地下水作用的影响，岩层破碎或裂隙越发育，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

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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。

从探测结果分析图综合来分析，红色圈定为低阻异常区域，视电阻率（色标

范围）为2.5至3的地方用棕色着色标明，其为低阻分界线，根据其它地区经验

视电阻率（色标范围）0至1为赋水性较强，（色标范围）2至3为具有一定赋水性，从整个图形来看，因为在侧帮测试，其帮上锚网存在，其衰减曲线会受到铁

器影响，造成衰减变慢，造成整体视电阻率偏低，所以放低到2.5以下为低阻异常，结合现场情况，其流出老空水，所以推断上述红色圈定为采空区积水，其水

平方向为拉点点距，其代表右帮走向距离，垂直方向为侧帮向外测深。水平方向

0m至20m，其垂直测深20m至80m。水平方向26m至65m, 其垂直测深40m

外是低阻异常区。

3.2.40101轨道巷工作面法线90度顺层

-3-11357911131517192123本次探测在迎头处布置测线，在迎头共布置测点9个。视电阻率拟断面图与

对应的色标，图中不同的颜色表示不同的视电阻值，并呈从冷色调到暖色调升高

的规律分布。因此填充了不同颜色的该断面图可以更直观的判断探测区域侧帮电

阻率的分布情况。

一般情况下，在同一条件下岩石的电阻率不会发生变化。但如果岩石出现裂

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隙或者充水，那么岩石的电阻率就会发生大的变化。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。受构造运动或地下水作用的影响，岩层破碎或裂隙越发育，

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。

从探测结果分析图综合来分析，没有显示明显的低阻异常区，因为瞬变电磁

存在15m左右范围盲区，从整个结果推断其迎头正中间20m至100m无低阻异常，因为首次探测，其在80m重新用物探探测，其解释下一次盲区探测距离问题。

3.3. 40101首采面回风工作面法线90度顺层

-4-202468101214161820222426283032本次探测在迎头处布置测线，在迎头共布置测点9个。视电阻率拟断面图与

对应的色标，图中不同的颜色表示不同的视电阻值，并呈从冷色调到暖色调升高

的规律分布。因此填充了不同颜色的该断面图可以更直观的判断探测区域侧帮电

阻率的分布情况。

一般情况下，在同一条件下岩石的电阻率不会发生变化。但如果岩石出现裂

隙或者充水，那么岩石的电阻率就会发生大的变化。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。受构造运动或地下水作用的影响，岩层破碎或裂隙越发育，

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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。

从探测结果分析图综合来分析，没有显示明显的低阻异常区，因为瞬变电磁存在15m左右范围盲区，从整个结果推断其迎头正中间20m至100m无低阻异常，因为首次探测，其在80m重新用物探探测，其解释下一次盲区探测距离问题。

4、总结及建议

(1) 40101首采面回风巷右帮------从探测结果分析图综合来分析，红色圈定为低阻异常区域，视电阻率（色标范围）为2.5至3的地方用棕色着色标明，其为低阻分界线，根据其它地区经验视电阻率（色标范围）0至1为赋水性较强，（色标范围）2至3为具有一定赋水性，从整个图形来看，因为在侧帮测试，其帮上锚网存在，其衰减曲线会受到铁器影响，造成衰减变慢，造成整体视电阻率偏低，所以放低到2.5以下为低阻异常，结合现场情况，其流出老空水，所以推断上述红色圈定为采空区积水，其水平方向为拉点点距，其代表右帮走向距离，垂直方向为侧帮向外测深。水平方向0m至20m，其垂直测深20m至80m。水平方向26m至65m, 其垂直测深40m外是低阻异常区。

(2) 40101轨道巷工作面--------从探测结果分析图综合来分析，没有显示明显的低阻异常区，因为瞬变电磁存在15m左右范围盲区，从整个结果推断其迎头正中间20m至100m无低阻异常，因为首次探测，其在80m重新用物探探测，其解释下一次盲区探测距离问题

(3)40101首采面回风工作面--------从探测结果分析图综合来分析，没有显示明显的低阻异常区，因为瞬变电磁存在15m左右范围盲区，从整个结果推断其迎头正中间20m至100m无低阻异常，因为首次探测，其在80m重新用物探探测，其解释下一次盲区探测距离问题。

（4）由于是第一次在该矿进行探测，所采用的参数是综合经验值，探测结果可能存在一定的偏差，在巷道掘进过程中应根据实际揭露情况及时的修正相关数据，为下一次的探测提供更精确的技术参数，保障巷道的安全掘进。

（5）富水区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，因此划分的富水区仅是电阻率变化反映的异常区，异常区的实际赋水性还需结合钻探验证结果综合分析。

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(6)从暂时其它地区探测经验上说，色标0至1具有较强赋水性，色标2至3具有一定赋水性，但是测帮探测时，由于存在锚网及运煤铁器的存在，会导致存在低阻污染，其整体视电阻率(色标)偏低，这个时候只能各个测点对比分析，结合探水钻及地质分析法对比分析。

（7）建议在掘进或回采过程中，应打钻验证，防止意外事故发生；在掘进异常区时，应加强观察水文地质情况，确保煤矿的安全生产。

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