PAGEPAGE1////實(shí)業(yè)有限公司////煤礦////巷瞬變電磁法超前探實(shí)驗(yàn)報告////煤礦生產(chǎn)技術(shù)科2013年////煤礦瞬變電磁法超前探實(shí)驗(yàn)報告一、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)場巷道施工情況，需對////巷迎頭處采用礦井瞬變電磁探測技術(shù)進(jìn)行超前探測，探測頂板斜向上30°方向、順層方向及底板斜向下30°方向前方100m范圍內(nèi)含水構(gòu)造發(fā)育情況；為布置探放水鉆孔設(shè)計(jì)提供依據(jù)。結(jié)合我礦已有的水文地質(zhì)資料，對巷道1、探測////巷迎頭頂板、順層及底板方向的低阻體異常及分布范圍。2、對測區(qū)內(nèi)煤層開采或水害治理提供物理探測技術(shù)依據(jù)。3、為布置探放水鉆孔設(shè)計(jì)提供依據(jù)。二、礦井瞬變電磁（TEM）的原理及工作方法2.1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本原理的一樣的，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面的TEM的數(shù)據(jù)采集與處理相比又有很大的區(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，在井下的探測深度很受限制，一般可以有效解釋100瞬變電磁法或稱時間域電磁法(Timedomainelectromagneticmethods)，簡稱TEM，它是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖電磁場，在一次脈沖電磁場間歇期間，利用不接地線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法。其基本工作方法是：于地面或井下設(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，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)電流由于熱損耗而隨時間衰減。衰減過程一般分為早、中和晚期。早期的電磁場相當(dāng)于頻率域中的高頻成分，衰減快，趨膚深度小;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。通過測量斷電后各個時間段的二次場隨時間變化規(guī)律，可得到不同深度的地電特征。在導(dǎo)電率為σ、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)射回線，在回線中供以階躍脈沖電流，（1）圖1瞬變電磁法工作原理示意圖在電流斷開之前，發(fā)射電流在回線周圍的大地和空間中建立起一個穩(wěn)定的磁場（如圖2所示）。在t=0時刻，將電流突然斷開，由該電流產(chǎn)生的磁場也立即消失。一次磁場的這一劇烈變化通過空氣和地下導(dǎo)電介質(zhì)傳至回線周圍的大地中，并在大地中激發(fā)出感應(yīng)電流以維持發(fā)射電流斷開之前存在的磁場，使空間的磁場不會即刻消失。由于介質(zhì)的熱損耗，直到將磁場能量消耗完畢為止（見圖3）。圖2瞬變電磁法感應(yīng)電磁場轉(zhuǎn)換原理示意圖由于電磁場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)一次電流斷開時，一次磁場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)射回線一次磁場最強(qiáng)的地表處感應(yīng)電流最強(qiáng)。隨著時間的推移，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，任一時刻地下渦旋電流在地表產(chǎn)生的磁場可以等效為一個水平環(huán)狀線電流的磁場。在發(fā)射電流剛關(guān)斷時，該環(huán)狀線電流緊挨發(fā)射回線，與發(fā)射回線具有相同的形狀。隨著時間推移，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)射回線中“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）圖3瞬變電磁場的煙圈效應(yīng)式中a為發(fā)射線圈半徑。發(fā)射線圈半徑相對于“煙圈”半徑很小時，“煙圈”將沿傾斜錐面擴(kuò)散，其向下傳播的速度為：（4）從“煙圈效應(yīng)”的觀點(diǎn)看，早期瞬變電磁場是由近地表的感應(yīng)電流產(chǎn)生的，反映淺部電性分布；晚期瞬變電磁場隨時間的變化規(guī)律，可以探測大地電性的垂向變化。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)采集勞動強(qiáng)度小，測量設(shè)備輕便，工作效率高，成本低；2、采用小規(guī)?；鼐€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、井下測量裝置距離異常體更近，大大的提高測量信號的信噪比，經(jīng)驗(yàn)表明，井下測量的信號強(qiáng)度比地面同樣裝置及參數(shù)設(shè)置的信號強(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量，而井下瞬變電磁法可以將線圈放置于巷道底板測量，探測底板一定深度內(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)前方，可進(jìn)行超前探測；當(dāng)線圈平行于巷道側(cè)面煤層，可探測工作面內(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、礦井瞬變電磁法對高阻層的穿透能力強(qiáng)，對低阻層有較高的分辨能力。在高阻地區(qū)如果用直流電法勘探要達(dá)到較大的探測深度，須有較大的極距，故其體積效應(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。2.3、礦井瞬變電磁法地球物理特征在探測富水區(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，其物理基礎(chǔ)是富水區(qū)相對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)際上地下巖石孔隙、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)巖層完整時其電阻率較高，受構(gòu)造運(yùn)動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)電性會顯著增強(qiáng)，地層電阻率會明顯降低，斷面圖上會有明顯的低阻異常反映。正常情況下，各層位電性在橫向上是相對均一的。當(dāng)存在局部低阻異常體（裂隙帶、富水區(qū)等）時，在斷面上就會出現(xiàn)局部低電阻率異常區(qū)。正常地層的電阻率是依次繼增的，當(dāng)巖層富水時，其電阻率會降低，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工作儀器本次礦井瞬變電磁物探工作使用的儀器為中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）高科資源探測儀器研究所生產(chǎn)的TEMHZ75礦用本安型瞬變電磁儀。這套礦用瞬變電磁儀對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)，既可以用于煤礦掘進(jìn)頭前方，也可以用于巷道側(cè)幫、煤層頂、底板等探測，為煤礦企業(yè)在生產(chǎn)過程中水患和導(dǎo)水構(gòu)造的超前預(yù)測預(yù)報提供技術(shù)手段。這套瞬變電磁儀系統(tǒng)可以通過加大發(fā)射功率的方法增強(qiáng)二次場，提高信噪比，從而加深勘探深度；通過多次脈沖激發(fā)場的重復(fù)測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)報使用，有效勘探深度能達(dá)到200米。3.2儀器工作參數(shù)圖4TEMHZ75礦用本安型瞬變電磁儀性能參數(shù)3.3、工作布置與工作量、技術(shù)措施及質(zhì)量評述1．本次礦井瞬變電磁法勘探試驗(yàn)施工布置與工作量，沿探測地點(diǎn)布置測線3條（頂板斜向上30度、順層方向，底板斜向下30度方向），通過在掘進(jìn)頭移動發(fā)射接收線圈，形成3條超前探測的實(shí)測剖面。另外布置一條向上頂板方向測線和側(cè)幫測線。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4μS。每個測點(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)量評述本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》《電阻率測深法技術(shù)規(guī)程》執(zhí)行，并通過加大發(fā)射功率的方法增強(qiáng)二次場，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。礦井瞬變電磁法勘探資料處理與解釋////巷掘進(jìn)頭超前探資料解釋：巷道掘進(jìn)頭本次超前探測共獲得實(shí)測扇形剖面3幅，分別為掘進(jìn)頭前上方30o方向探測扇形剖面（頂板，如圖6）、掘進(jìn)頭順層前方探測扇形剖面（順層，如圖7）、掘進(jìn)頭前下方30o方向探測扇形剖面（頂板，如圖8）。圖中藍(lán)色區(qū)域?yàn)榈妥璁惓^(qū)。巷道掘進(jìn)頭視電阻率剖面圖解釋如下：1）巷道掘進(jìn)頭前方斜向上30o方向探測扇形剖面（頂板，如圖6）資料解釋：圖6巷道掘進(jìn)頭前上方30o仰角探測扇形剖面（頂板）（1）圖6的1#低阻異常區(qū)位于掘進(jìn)頭正前方偏左側(cè)幫，與硐軸線30—40°夾角之間，斜向上30°方向，距離掘進(jìn)頭左側(cè)幫約95～100m處。圖6的2#低阻異常區(qū)位于掘進(jìn)頭左側(cè)幫，與硐軸線60—90°夾角之間，斜向上30°方向，距離掘進(jìn)頭左側(cè)幫約50～100m處。2）巷道掘進(jìn)頭超前探前方探測扇形剖面（順層，如圖7）資料解釋：圖7巷道掘進(jìn)頭超前探測扇形剖面（順層）（1）圖7的1#低阻異常區(qū)位于掘進(jìn)頭右側(cè)幫，與硐軸線夾角約50—90°之間，中線方向，距離掘進(jìn)頭右?guī)图s40～100m處。圖7的2#低阻異常區(qū)位于掘進(jìn)頭前方偏左側(cè)幫，與硐軸線夾角約45—50°之間，中線方向，距離掘進(jìn)頭左前方約98～100m處。圖7的3#低阻異常區(qū)位于掘進(jìn)頭左側(cè)幫，與硐軸線夾角約85—90°之間，中線方向，距離掘進(jìn)頭左幫約70～100m處。3）巷道掘進(jìn)頭前方斜向下30o方向探測扇形剖面（底板，如圖8）資料解釋：圖8巷道掘進(jìn)頭前方斜向下30o方向探測扇形剖面（底板）（1）圖8的1#低阻異常區(qū)位于掘進(jìn)頭右側(cè)幫，與硐軸線夾角約50—90°之間，斜向下30°方向，距離掘進(jìn)頭右側(cè)幫約55～100m處。圖8的2#低阻異常區(qū)位于掘進(jìn)頭左側(cè)幫，與硐軸線夾角約50—90°之間，斜向下30°方向，距離