煤矿突水构造矿井瞬变电磁探测技术研究

1、煤矿突水构造矿井瞬变电磁探测技术研究重点推广项目编号：AQT-3-66主要完成单位：中国矿业大学、山东枣庄矿业集团公司高庄煤矿项目内容：本项目研究内容属应用地球物理学科领域，为矿井地球物理探测技术在煤矿防治水中的应用。项目研究采用井下试验、理论分析、物理模型实验和数值模拟相结合的方法，对不同地质条件下采煤工作面顶、底板突水构造的全空间瞬变电磁响应特征进行了深入研究，为矿井瞬变电磁数据处理和解释工作奠定了基础，同时为煤矿防治水工作提供了有效技术手段。主要研究内容包括：1、矿井瞬变电磁法基本原理瞬变电磁法（Transient Electromagnetic Method，简称TEM）是利用不接地回

2、线或电极向地下发送脉冲式一次电磁场，用线圈或接地电极观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场的空间和时间分布，来解决有关地质问题的时间域电磁法。2、矿井瞬变电磁法视电阻率定义目前地面瞬变电磁法视电阻率定义有多种方法，其中测量装置以重叠回线或单回线组合（包括双回线组合）为例，且为近区（晚期）测量，其视电阻率定义利用垂直磁偶极源耦合晚期测量的场与电阻率为1的半空间测量场之比进行的。重叠回线组合晚期场视电阻率表达式为：式中和分别为不均匀介质和电阻率为均匀介质半空间晚期测量的垂直磁偶源磁场垂直分量对时间偏导数。矿井瞬变电磁法基本原理与地面瞬变电磁法基本一样，其视电阻率的定义与地面定义基本相同。

3、由于矿井瞬变电磁法感应场为全空间瞬变响应，视电阻率表达式与地面视电阻率表达式应有所区别，将矿井瞬变电磁法视电阻率表达式定义为：式中，同上式，C为常数。 式中M=S×N×I为发射回线磁偶距，S为发射回线的面积，N为杂数，I为供电电流强度。所以有：当接受回线面积为s，杂数为n，介质中感应的涡流场在接受回线中产生的感应电位为：由于矿井瞬变电磁法测量接收回线中的感应电位为全空间响应，可得到矿井瞬变电磁法视电阻率计算公式： 矿井瞬变电磁法视电阻率定义没有考虑巷道空间的影响，这是因为矿井瞬变电磁法实际测量中，由于一次场关断效应的影响，一般距离回线20m左右范围内的地层电性分布情况很难确

4、定，而巷道尺寸一般小于5m，且巷道空间充满空气（高阻），因此，对测量结果不如矿井直流电法勘探影响大，实际勘探中一般忽略其影响。1）矿井瞬变电磁法时间深度换算技术由电磁场“烟圈效应”理论可知，电磁场在地下介质中传播速度V与地下电性介质的分布和时间有关，因此，可定义电磁场传播深度为时间的函数：式中为地下介质电阻率，t为时间，如果用视电阻率代替上式中的，则深度定义为：由上式可知，如果已知电磁场的传播速度，即可计算不同时刻对应的深度。对于地下半空间为不均匀分布的导电介质或任意导电介质分布情况下，电磁波在地下传播规律和均匀介质一样，必须满足麦克斯韦方程组，其发现回线中心电磁场垂直扩散速度与均匀介质情况扩

5、散速度满足一定比例关系，即任意导电介质分布情况下电磁场垂直扩散速度和深度D为： 式中 ，为时刻对应视电阻率值，为换算系数，通过理论模型和实际资料验证，系数值在0.40.6范围内。发射回线的尺寸a对电磁场的扩散速度（深度）也产生影响，为了研究这种影响规律，指导实际测量选择合理的回线尺寸。对电阻率为1的导电半空间中，发射回线为正方形回线，边长b分别为2m（相当于偶极源）、50m、100m、200m的各种回线边长的变化，四条曲线的电磁场扩散速度并不相同，说明回线边长不同，影响电磁场的扩算速度，即影响时间深度换算结果。随着发射回线边长的逐渐增大，曲线之间重合部分减少，分离愈明显。在较晚时间段，四条曲线

6、趋于重合，说明大回线中心电磁场扩散速度比同样速度的小回线时间来得晚，这是因为电磁场由回线边传播到回线中心，小回线所需时间比大回线少。因此，实际进行时间深度换算时，回线大小不能忽略。2、矿井瞬变电磁法观测系统研究由于矿井瞬变电磁法测量环境与地面差别很大，回线组合观测系统不能按地面条件选择。一是井下目的物距离测点较近（100m左右），二是井下地质环境完全不同于地面，不能采用地面大的各种回线组合观测系统（一般边长100m左右）在井下测量，只能采用边长在2m左右的回线组合观测系统测量。为了保证有足够的发射功率和能感应到足够强的有用的信息，采用多杂数的小回线组合观测系统测量。矿井瞬变电磁法应用于井下主要

7、为了探测巷道不同位置和不同形态的含水构造，而矿井突水构造主要为导水断层（一般倾角较大）、含水岩溶、富水陷落柱和老窑水等，这些突水构造分别可以用近直立的薄脉、圆柱体和球体等低阻模型模拟。通过理论分析、物理模型实验和井下试验，提出矿井瞬变电磁法在井下探测主要采用重叠回线组合和双回线组合两种观测系统。3、矿井瞬变电磁井下干扰瞬变响应特征研究井下瞬变电磁测量巷道中，周围金属物主要有铁轨、工字钢、锚杆、巷道侧帮排水管道和运输皮带支架等，井下实际测量结果说明，这些金属设施会产生很强的瞬变电磁响应，是矿井瞬变电磁法勘探主要噪声；系统噪声无论是地面还是井下瞬变电磁法测量均受到影响，通过选择合理的回线组合、回线

8、大小和观测参数，可使系统噪声减弱。此外，由于澳大利亚产SIROTEM-3型瞬变电磁仪器对50Hz和60Hz的交流电磁场干扰有自动压制功能，因此，无论是地面或井下对工业用电电压不太高的交流电磁场的影响可忽略。创新点：1、首次将瞬变电磁法应用于煤矿井下探测突水构造，建立了矿井瞬变电磁法的技术体系；2、从地面瞬变电磁场理论出发，得出了全空间瞬变电磁场特点和典型地电模型的全空间瞬变响应特征；3、从理论上分析重叠回线和双圈回线瞬变电磁场分布特征，通过物理模拟和井下试验研究，提出了矿井瞬变电磁井下观测系统，建立了矿井瞬变电磁法的井下施工技术；4、首次研究了巷道内各种金属设施瞬变电磁响应特征，提出了这些干扰

9、剔除的数学模拟和方法技术；5、导出了矿井瞬变电磁法视电阻率计算和时间深度换算公式；6、总结了矿井瞬变电磁探查井下不同方位、不同形态突水构造的视电阻率异常特征，建立了资料解释方法。应用情况：1998年起，中国矿业大学利用SIROTEM-3型瞬变电磁仪从事矿井瞬变电磁法的试验、应用工作。近几年来，在徐州矿务集团、大屯煤电公司、兖州矿务集团有限公司、淮北矿业集团公司、皖北煤电有限公司、平顶山天安煤业股份有限公司、潞安环保能源开发股份有限公司、河南龙宇能源股份有限公司、山东东山矿业有限责任公司等矿务局的四十多对矿井应用于圈定底板导（含）水断层、裂隙发育带等垂直导水通道，确定底板含、隔水层厚度，探查灰岩岩溶发育程度和连通情况、煤层顶板赋水性及掘进巷道超前探测等，均取得较好的应用效果，获得了较好的经济效益和社会效益。2005年采用矿井瞬变电磁法先后对皖北煤电有限公司任楼煤矿、祁东煤矿、安徽恒源煤电股份有限公司、山东枣庄矿业集团公司等煤矿煤层顶、底板富水构造进行探测，和以往没采用该方法相比大大减少钻孔数量，降低成本，为煤矿防治水工作提供可靠地质资料，避免工作面煤层底板突水事故发生。完成探测测线长度约56000m，工作面在未做矿井瞬变电磁探测工作前一般在巷道内每隔50m布置一个钻孔对顶、底板进行