瞬变电磁法在深部巷道底板超前探水中的应用
瞬变电磁探水技术在巷道掘进施工中的应用
瞬变电磁探水技术在巷道掘进施工中的应用发布时间：2021-04-19T07:45:08.052Z 来源：《新型城镇化》2020年23期作者：王启钟[导读] 含水构造是造成矿井水害的主要原因，它表现为巷道掘进施工过程中出现突水问题。
为此需要确定巷道掘进过程中迎头前方或顶底板是否存在含水构造，这也是有效治理水害、保证巷道安全掘进施工的重要关键。
龙岩陆家地煤矿有限公司福建龙岩 364000摘要：瞬变电磁探水技术在当前的巷道掘进施工中应用广泛，在钻探验证过程中发挥了巨大作用。
为了保证瞬变电磁探水结果与钻探结果相匹配，提高瞬变电磁探水应用技术可靠性，巷道施工正常，本文专门探讨了该技术的工作应用原理，并结合某案例应用实践进行深入探索分析。
关键词：瞬变电磁探水技术；巷道掘进施工；超前探水；工作原理；施工方法一、矿井水害的基本概述含水构造是造成矿井水害的主要原因，它表现为巷道掘进施工过程中出现突水问题。
为此需要确定巷道掘进过程中迎头前方或顶底板是否存在含水构造，这也是有效治理水害、保证巷道安全掘进施工的重要关键。
就过往看来，巷道掘进探水一般采用钻探方式，不过钻探施工整体时间长、劳动强度大、工作负荷非常之重且钻探孔数量相对较少，这严重影响了勘探作业的整体准确性，且不同程度的影响了巷道掘进的施工速度，如此非常不利于巷道快速高效施工。
现如今，在地球物理勘探技术高速发展大背景下，瞬变电磁法已经被逐渐运用于矿井探水工作之中，尽管说该技术方法目前在煤矿井下探水施工依然处于初期阶段，鉴于其定向性较好，对于低阻含水体敏感度相对较高，且具有较广的勘探范围与较高的横向分辨率。
在井下巷道掘进过程中，针对掘进隐伏含水构造的超前探测方法已经取得了不错成效。
二、磁变电磁法的超前探水的工作原理瞬变电磁法是基于时间域电磁所展开的电磁感应勘探方法，它利用不接地回线在勘探区域内布置脉冲电流发射线圈，如此可保证在勘探区域周边形成一股稳定且持久的脉冲一次磁场，而脉冲磁场在空气中就能实现快速传播。
浅谈瞬变电磁法技术在矿井探放水中的应用
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２ 矿 井水文 地质， 地 伏不大， 虽地面蓄水不多， 但小煤窑 乱采 乱挖 ， 有 的越界开采破坏严重。 矿 区含 水地 层 有 三 层 ， 第 一 层 为 下 三 叠 系 大 冶 灰 岩 为 裂 隙 间 水 ， 含 水 性甚小 ， 第二层 为上二叠耒 耙 口矿 质页岩 ， 为风化 裂隙水 ， 含水 性微 弱， 第三层为下 叠系 ， 栖霞灰岩 ， 卡斯特现象发育溶洞 多， 但上距 可采煤 层 垂距大 ， 对 开采无影 响。 矿井水主要是老窿水、 老采空区积水 、 大气降水及地面渗透水 。 矿井 周边 老隆多， 采 空区面积大 ， 大气降水沿老隆从老采区裂隙渗透到井下 ， 所以矿井水 量逐年增大 ， 涌水量与降雨量密切相关 。２ ０ １ ０年正常涌水量 为５ ９ ０ ｍ３ ／ ｈ ， 最小涌水量为 ３ ５ ０ ｍ３ ／ ｈ ， 最大涌水量为 ３ ３ ０ ０ ｍ３ ／ ｈ 。近 年 来 由于 小煤窑的开采影 响矿井涌水量逐年递 增。
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３ 瞬 变 电磁 法基 本原 理
我们使用 的是 Ｔ Ｅ ＭＨＺ ７ ５矿用本安型瞬变 电磁仪 ，其勘探原理是利 用人工操作在 发射线圈加 以脉冲电流， 产生一个瞬 变的电磁场 ， 该磁场 垂直发射线 圈向两个方 向传 播， 通常是在地面布 设发射线 圈， 依据半空 间的传播原理， 把地面 以上 的忽略 。当磁场沿地表 向深部传播， 当遇到不 同介质时， 产生涡流场或遵照量子力学原理使活泼的碱金属产生能级跃 迁或使含有大量氢 原子 的液体 的氢原子核沿磁场方 向产生定 向排列 。当 外加的瞬变磁场撤销后 ， 这些涡流场的释放或者活泼 的碱金属要恢复原 有的能级 ， 释放跃迁产生能量 。以及含有大量氢原子的液体的氢原子核 恢复原有的排列时， 均 以磁场的形式释放所获 的能量 。利用接 收线 圈测 量接收到的感应 电动势 。该 电动势包含 了地下介质 电性特征 ， 通过种种 解释手段 （ 一维反演 ， 视 电阻率等） 得 出地下岩层的结构 。 瞬变 电磁法对在高阻区域 中寻找低阻异常体十分有效 ， 结合 当地 的 地质条件 分析测区 内煤层顶 板上方含水体 的性 质、 富水性 的大小、 空 间 形态以及分布范围， 为防治水 工作提供准确可靠的依据 。
论述瞬变电磁法在巷道超前探测的应用
论述瞬变电磁法在巷道超前探测的应用1.引言在井下煤矿开采和巷道掘进过程中，不可避免的会遇到一些威胁到井下安全的地质情况，如断层破裂带、裂隙发育区、岩溶等。
这些地质构造一方面提高了煤层的开采难度，增大了开采工作量，更重要的是容易引发井下突水、冒顶等事故，尤其是井下突水事故，一旦发生就会造成灾难性的影响，对巷道、煤炭资源、电气设备甚至井下工作人员的生命安全都造成了严重的威胁。
因此，必须采取有效手段，在巷道掘进过程中，超前预测前方地质构造，保障巷道安全。
瞬变电磁法最早由加拿大地球物理学家提出一种矿井物探技术，经过几十年的发展，目前该技术已经逐渐成熟，并形成了一套行之有效的应用方案。
该方法可较好的勘探出巷道周围空间不同形态的含水构造，且具有方向性强、分辨率高、对低阻区敏感等优点。
利用该方法，可以迅速、高效且准确的超前探测巷道迎头前方赋水状态，大大减少了勘探所需的时间和工作量，节约了生产成本。
2.瞬变电磁法原理分析瞬变电磁法利用不接地回线或接地线源在井下空降内发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。
通过研究二次涡旋电磁场的时空分布特征来完成探测地质构造及含水特征等任务。
瞬变电磁法具有方向性，因此在探测时令线圈法线方向对准预定的被探方向发射阶跃电流，然后利用接收线圈测量感应二次场。
通过接收到的二次场的感应电动势随时间的变化特征，随后经数据的解释处理确定相关的地质特征，同时准确的圈定异常区域的距离、范围等情况。
在矿井中使用该技术时，在信号探测范围内，介质岩层按电性特征的不同，各自反馈回信号响应，接收回线线圈接收到反馈后，按以下视电阻率演化公式进行计算：该公式是在地面电磁数据处理方式的基础上，加上了全空间响应系数C的影响，从而使其适用于井下探测的数据处理；S为接收回线线圈面积；N为线圈匝数；t为二次场衰减时间；V/I为接收的归一化二次场电位场值。
3.影响因素分析井下巷道结构多变，环境复杂，且具有较多的管道与设备，这些人工设施对测量工作带来了一定的影响，必须在数据处理阶段加以调节，抵消干扰影响，否则探测结果可能较大幅度的偏离真实值，给巷道的安全掘进埋下隐患。
瞬变电磁法在工程勘查找水中的应用
瞬变电磁法在工程勘查找水中的应用摘要：在以往的工程勘查找水工作中，较为常用的物探方法包括电阻率法、高密度电法以及甚低频电法等，但这些方法都必须以较好的接地条件为前提，而且探测深度也相对较浅；瞬变电磁法是以电磁波理论为基础，电磁波能够穿透较深的地层，且该方法采用不接地回线发射、接收信号，避免了场地条件的约束，能够在许多工程勘查找水中发挥很大的作用。
本文对瞬变电磁法在工程勘察找水中的应用进行了分析探讨。
关键词：瞬变电磁法；工程勘察找水；应用一、瞬变电磁法的基本原理在二十世纪三十年代，瞬变电磁法主要在地质构造上被大量使用，简单的来说这种方法也可以称为一种时间域电磁感应法。
虽然这种方法具有很多优点，但是在当时并没有引起人们的重视。
在二十世纪五十年代的时候，这种方法才在矿体中被应用。
直到二十世纪七十年代，这种方法才被使用在煤炭资源勘察中，慢慢地人们已经认识到这种方法对于煤炭勘察的有利作用，在几十年间也得到了快速的发展。
这种方法主要就是使用不接地回线向要观测的物体发出的脉冲，并能够记录下来被观测的物体电磁感应的变化。
随着时间的增长，这种变化以及强度的大小，就能够准确的判断出检测对象规模的大小等相关内容。
这种方法所勘测的结果和回线线圈的匝数有很大关系，也就是说线圈的匝数越多，能够探测的深度就越大。
根据这种方法的工作原理，相比其他的勘察方法，这种方法的勘察深度以及勘察结果的准确度都比较高，受周围物体的干扰也比较小。
这也是该方法能够在煤矿勘察中被广泛应用的主要原因。
二、矿井概况某一矿位于河南平顶山西部，在省政府主导的煤矿整合中通过地方小窑升级改造而成，目前，该矿产能为80万t/a，为一井一面式现代化省级五优矿井。
该矿井采用两翼开采方式，井田北部为西山断层，其影响到整个井田北部区域的采掘活动，西部以大范围褶皱和区域性断层为主，东翼采区为矿井主采区。
两翼采区均采用单水平上下山开采，随着东翼采区资源不断减少，矿井已经开始着手于西翼采区的开拓掘进，考虑到矿井水害是该矿安全生产的主要危险源，且西翼地质构造复杂，巷道掘进始终处于低工效进行。
平煤二矿瞬变电磁法超前探测水害技术应用
1概述平煤股份二矿庚20-23130风巷掘进工作面位置在二水平庚三采区东翼中部，西部与庚三皮带下山相连，东部到井田边界，巷道施工层位沿庚20煤层，标高-301m 至-345m ，设计长度1650m 。
梯形断面，巷道净宽4.6m ，净高2.6m ，锚网梁支护。
该风巷开口处在庚三采区强径流带中，若巷道掘进过程中遇到构造破坏底板隔水层的完整性，则极易与底板灰岩含水层导通形成突水事故，为保证庚20-23130风巷施工安全，使用YCS40(A)矿用本安瞬变电磁仪对掘进工作面实行循环超前探测。
2水文地质概况庚20煤层平均厚度1.8m ，倾向19°，倾角5°~12°。
直接顶为L6石灰岩（厚4.9m ），底板岩层依次为泥岩（厚1.8m ），砂质泥岩（厚2.4m ）、中粒砂岩（厚3.6m ）、L7石灰岩（厚5.2m ），底界以铝土质泥岩与下伏地层呈平行不整合接触。
该风巷掘进工作面断层优势走向为北东向，次为北西向，断层倾角一般在70o 左右，且裂隙较为发育，L7灰岩为直接充水含水层，下伏的寒武系灰岩为间接充水含水层，距庚20煤层18~27m ，均为灰岩岩溶裂隙承压水含水层，巷道施工前水位标高-278m 。
构造带影响区域及矿压破坏区域庚20煤层的底板与灰岩含水层之间易形成导水裂隙带，巷道施工至此区域时极可能出现突水事故。
附近在庚组煤层中施工的巷道曾发生过煤层底板突水事故，最大突水量达3000m 3/h 。
3掘进工作面超前探测方法由于掘进工作面迎掌空间相对狭小，因此，我们采用了1.5×1.5m 的重叠回线装置。
如图1所示，发射线圈（Tx ）和接受线圈（Rx ）重叠在一起，探测时尽量将线圈贴近掌子面，线圈法线方向为探测方向。
图1掘进工作面TEME 超前探测装置方式对掘进工作面迎掌探测时，测点在巷道迎掌的空间位置如图2，首先使线圈的法线与巷道左侧面分别成60°，45°和30°的夹角进行探测（图2中1，2和3号测点）；当线圈的法线方向与掌子面垂直时，在迎掌布置3-4个测点（图2中的4，5，6和7号测点）；到巷道迎掌右侧时在旋转线圈，使法线方向与巷道右侧分别成30°，45°和60°的夹角进行探测（图2中的8，9和10号测点）即在多个角度采集数据，获得前方岩体和煤体中比较完整的视电阻率信息。
浅析瞬变电磁法在掘进超前探测中的应用
浅析瞬变电磁法在掘进超前探测中的应用【摘要】瞬变电磁法是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间利用线圈或接地电极观测地下介质中引起的二次感应涡流场，从而探测介质电阻率的一种方法。
利用瞬变电磁法可高效、准确地探测掘进巷道工作面前方赋水状态，为矿井的安全生产提供参考依据。
文章对瞬变电磁技术的原理和应用进行了介绍。
【关键词】瞬变电磁法；巷道掘进；超前探测；应用1 瞬变电磁技术的原理瞬变电磁法是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间利用线圈或接地电极观测地下介质中引起的二次感应涡流场，从而探测介质电阻率的一种方法。
如图1所示，当发射线圈中电流突然断开后，地下介质中就要激励起二次感应涡流场以维持在断开电流以前存在的磁场。
二次涡流场呈多个层壳的“环带”形，其极大值沿着与发射线圈平面成30°倾角的锥形斜面随着时间的延长向下及向外传播，不同时间到达不同深度和范围。
二次涡流场的表现与地下介质的电性有关。
同类岩层相比，岩层较为完整时电阻率一般相对较高，引起的涡流场较弱；而岩层破碎尤其是富水时电阻率较低，引起的涡流场较强，所以通过观测二次涡流场就可以了解地下介质的电阻率分布情况，进而判断地层岩性和构造特征。
井下瞬变电磁勘探时，接收线圈需位于发射线圈外一定距离（如：10 m）以避开一次场干扰。
井下瞬变电磁勘探时，接收线圈需位于发射线圈外一定距离（如：10 m）以避开一次场干扰。
2 超前探测装置的特点井下瞬变电磁受施工场地的限制，一般利用多匝小线圈进行发射和接收。
掘进工作面超前探测装置兼具瞬变电磁剖面装置方式中同点装置和标准偶极装置的特点。
工作时，发射线圈（Tx）和接收线圈（Rx）框面分别位于前后平行的2个平面内，二者相距一定距离（一般要求大于10 m），接收线圈贴近掌子面放置，探测时轴线相互保持平行并指向目标体。
超前探测装置施工时，往往使发射线圈和接收线圈轴线即探测方向分别对准巷道正前方、正前偏左不同角度、正前偏右不同角度、正前偏上不同角度、正前偏下不同角度等多个方向采集数据，以获得尽可能完整的前方空间信息。
井下瞬变电磁掘进头超前探水技术
１０８科技资讯 ＳＣＩＥＮＣＥ ＆ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ２０１０ ＮＯ．１０ＳＣＩＥＮＣＥ ＆ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ工 业 技 术我国煤矿井下巷道超前探测主要包括瑞雷波、地质雷达、直流电法等物探技术。
瑞雷波、地质雷达技术可用于巷道前方、侧方探测，但测距近、适应性差，一般情况下探测距离仅１０余ｍ，且对异常含水与否无法作出判别；电法超前探测技术，主要用于掘进头正前方隐伏构造探测，简便、实用、测距大、对水敏感、异常探出率高，但缺点是控制范围小、只能预测巷道掘进头整前方有无含水构造，而且探测工作量大，对高产高效矿井掘进效率影响较大。
借助瞬变电磁定向性好、对水敏感的技术优势，我们经过大量井下探测试验研究，探索出瞬变电磁超前探水的新方法，不仅大大提高了探测效率，而且取得较好地质效果。
１ 探测原理及方法１．１瞬变电磁基本原理瞬变电磁法（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＭｅｔｈｏｄ，简称ＴＥＭ）是地球物理探测中最有效的电磁方法之一。
分为地面ＴＥＭ探测和地下全空间瞬变电磁探测两种情况。
地下全空间瞬变电磁法利用发射框中的电流中断以后在空间导电介质中引发的二次涡流场来获得周围地层结构的信息。
该方法利用井下有限空间（如巷道等）对目标体进行近距离观测，探测的可信度和分辨率较高。
特别是在煤矿水害预测方面的应用获得了极大的成功。
瞬变电磁法是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲电磁场，在一次脉冲电磁场间歇期间，利用不接地线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。
其基本工作方法是：于地面或井下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。
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。
瞬变电磁法在探测井下顶板富水性中的应用
瞬变电磁法在探测井下顶板富水性中的应用瞬变电磁法具有对低阻敏感的特点，在地面物探中应用比较广泛。
矿井水害作为煤矿五大灾害之一，严重危害着煤矿安全。
文章利用瞬变电磁法在煤矿中的应用实例，简述了瞬变电磁法探测顶板富水性的过程，结果表明瞬变电磁法在井下探测中具有比较好的效果。
标签：瞬变电磁法；顶板；富水性前言在煤层开采过程中，地应力会重新分布造成隔水带破坏，引起顶板突水事故。
因此。
必须采取合理的物探手段提前探测顶板岩层的富水性，做好预防预报工作，是保证煤矿安全生产的前提。
瞬变电磁法具有对低电阻敏感的特点，这是其他物探手段所不能比拟的。
我们选择合适的装置将瞬变电磁法应用于矿井下。
1 瞬变电磁法原理瞬变电磁法是一种时间域的电磁探测方法。
[1]时间域电磁法中的瞬变场，是指那些在阶跃变化电流作用下，地中产生的过渡过程的感应电磁场。
瞬变电磁场状态的基本参数是时间。
这一时间依赖于岩石的导电性和收-发距。
由此可见，研究瞬变电磁场随时间的变化规律，可探测具有不同导电性的地层分布，也可发现地下赋存的较大良导矿体。
矿井瞬变电磁法的基本原理与地面瞬变电磁法原理基本一致，不同的是矿井瞬变电磁法是在地下几百米深度的岩层或煤层巷道内进行，为全空间瞬变响应，这种瞬变响应是来自于回线平面上下（或两侧）地层，视电阻率为全空间岩层电性特征的综合响应。
[2]2 井下瞬变电磁工作方法本次测量使用PROTEM47型瞬变电磁仪，其是加拿大Geonics公司研制生产的时间域电磁仪。
为了使探测范围能够全部或基本全部覆盖3306综放工作面顶板岩层，满足探测地质任务的要求，根据3306综放工作面实际采掘条件，在上下顺槽完成2个探测方向，即垂直方向和近45度方向，共完成4条测线、255个物理点。
确定本次施工参数如下：多匝数小回线发射装置回线边长：2m×2m；回线匝数：64；接收线框的面积：31.4m2；同步模式：同步电缆；重复频率：选择30门，可以在5个不同重复频率下工作，采样最小频率为25Hz；增益：本次增益选择6档；噪音：仪器自动检测井下噪音，进行滤波；发射电流：2.0A左右；关断时间：200μs；测量装置类型：偶极测量装置，发射线框与接收线框的距离为10m。