煤田瞬变电磁法超前探水项目介绍

1、煤矿瞬变电磁法超前探水项目介绍北京捷奥斯地质勘查有限公司2010 年目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 我国煤田水害现状2 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 时代背景4 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 瞬变电磁探测方法5 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 3.1瞬变电磁法基本原理5 HYPERLINK l bookmark29 o Current Document

2、 3.2矿井瞬变电磁探测原理及特点6 HYPERLINK l bookmark37 o Current Document 国内外研究现状7 HYPERLINK l bookmark41 o Current Document 4.1矿井瞬变电磁法研究现状7 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 4.2矿井瞬变电磁法超前探水技术研究现状8 HYPERLINK l bookmark47 o Current Document 矿井瞬变电磁探测设备要求9矿井瞬变电磁法超前探水技术优势10 HYPERLINK l bookmark55 o Current Do

3、cument 6.1二维反演10 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 6.2探测精度11 HYPERLINK l bookmark61 o Current Document 6.3深度校正12 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 应用工程实例15 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 7.1山西某煤矿井下瞬变电磁超前探水项目15 HYPERLINK l bookmark71 o Current Document 7.2山东某金矿井下瞬变电磁超前探水项目1

4、6我国煤田水害现状我国煤矿水文地质条件比较复杂，是煤矿水害多发的国家，透水造成的直接 经济损失一直排在各类煤矿灾害之首，煤矿水害给国家和人民带来的经济损失和 人身伤亡极为惨重。所谓透水是指在矿井建设和生产过程中，地面水或地下水通 过裂隙、断层等各种裂隙通道涌入矿内，当矿井涌水量超过正常排水量时，就造 成矿井水灾事故。煤田水害主要分为四类：一，含水层突水水害，主要是指在煤 层采动过程中，影响到顶板或者底板中的含水层，从而引发的水灾害，主要发生 在灰岩地层；二，松散层孔隙水透水，指煤层采动中，顶底板砂岩或松散层孔隙 水、裂隙水涌入巷道发生透水事故；三，采空区积水造成的水害，当掘进时接近 采空区积水

5、时，在采动影响下，致使的大量积水通过孔裂隙通道涌入掘进面或回 采面而引发透水事故；四，地表水造成的水害，指由于地下采动影响，使矿井与 地表或矿区临近的河流、水库等地表水直接沟通，导致地表水通过裂隙进入井下 巷道或工作面。随着我国煤矿生产开采深度的增加和开采范围的增大，水害威胁将越来越严 重。水害在煤矿五大灾害中仅次于瓦斯事故，位居第二。据统计2007年国内发 生的一次死亡3人及以上的煤矿事故149起，死亡1162人。在这些事故中，透 水事故共发生25起，死亡213人，占了事故总数的17%1,见图1。历年来所 发生的矿山透水事故都证明了透水事故危害的严重性，国家给予了高度重视。800数人亡死瓦斯

6、600400200123456数人亡死瓦斯60040020012345676872138767492336坍塌其它.跑车.事故类别图1 2007年煤矿事故与死亡人数柱状图表1是我国2001-2009年矿山所发生透水事故的事故起数与死亡人数的统计。在此期间，共发生透水事故511起，死亡3245人。图2为事故等级柱状图， 在511起透水事故中，一般事故120起，死亡176人；较大事故307起，死亡1 539人；重大事故68起，死亡1 054人；特别重大事故9起，死亡476人；还有 7起未造成人员伤亡，但是却造成了重大经济损失。平均每年发生透水事故57 起，死亡361人；平均每月发生透水事故5起，死

7、亡30人。在511起透水事故 中，仅有1.37%的事故未造成人员伤亡，也反应了透水事故的严重性。说明透水 事故一旦发生，通常即为较大或特大事故，在煤矿生产过程中，必须给予足够的 重视。表1 2001-2009年煤矿透水事故统计表时间（年）200120022003200420052006200720082009合计事故数429394637547442924511死亡人数4324384772875863442792361753245图2事故等级柱状图表2为我国2001-2009年间透水事故地域性排名。矿山透水事故多发生在 贵州、湖南、山西、江西、河南5个省市，事故起数比例比重占全国总数的65. 5

8、6%， 死亡人数比重占59. 29%2。表2 2001-2009年地域性矿山透水事故表省份事故数死亡人数事故比重死亡人数比重贵州8448016.4414.79湖南7029413.79. 06山西503889.7811.96江西392007.636.16河南333046.469.37鉴于矿山透水事故的严重性，开采和掘进前的探水防水工作就显得尤为重 要。矿床中的地下水一般情况下是静态的，只有当人为的破坏了这种静态关系时， 才会从静态向动态转变，产生流量大、流速快、瞬间向破坏处流动的现象，造成 灾难性的事故。所以在采矿、掘进时，应尽量规避这种破坏，以免造成灾难性的 事故。很多透水事故是可以避免的，但

9、是部分矿山安全投入过少，忽略探水工作， 并未对水患给予足够的重视，酝酿了悲剧的发生。矿井水文地质工作是防治水害 工作的基础，也是一项技术基础工作。但是，由于其专业性较强，特别是超前探 水方面，必须由专业的人员和设备完成。事实上，水害防治是有规律可循的，通 过探水治水研究，水灾事故也是可以避免的。时代背景近年来，由于资源枯竭、开采经济技术条件和国家宏观政策调整等原因，我 国煤矿关闭进入高峰期，每年都有上百个小煤矿停产关闭，关闭的矿井留下大量o o o o O5 4 3 2 1身.折馨脚的采空积水区，造成邻近生产矿 井水文地质条件的巨大变化，威 胁相邻矿井的安全生产。在避免 资源过度浪费，提高采煤

10、效率的 背景下，也在安全问题上面临巨 大的挑战。同时许多国有大矿井 组煤开采，这些矿井上方或侧方有大量的采空积水区，存在巨大的潜在隐患。采 空区和老窑积水已经成为我国煤矿重特大事故的危险源。这种威胁主要表现在： 废弃矿井或采空区本身大量积水，形成矿井新的透水水源；废弃矿井和采空 区积水会软化周边煤岩体，从而降低留设的煤岩体的抗水压能力；废弃矿井和 采空区积水会改变区域水文地质条件，造成相关含水层水位抬升，威胁矿井安全。 统计资料表明，近年来，采空区及废弃的充水小煤窑水每年占煤矿总突水事故的 80%o o o o O5 4 3 2 1身.折馨脚因上组煤资源枯竭，逐渐转入下图因上组煤资源枯竭，逐渐

11、转入下图3 2005-2007年煤矿重大水害事故水源分析目前一般矿井主要采用传统的钻探方法进行探水，此法具有一定的局限性， 且速度慢、成本高，难以圈定富水区范围。随着科学技术的进步，传统的地质工 作方法已不能满足现代化矿井安全生产的需要。为了有效的防治水害，必须应用 先进的技术方法和设备，才能更加准确地探明矿井的水文地质条件。直流电法等 物探技术虽效率高、成本低，但因体积效应大、施工技术等原因造成准确性和探 测距离难以满足新时代生产需求。矿井瞬变电磁法是近年来发展起来的在煤矿井 下巷道内探查其周围空间不同位置、不同形态含水构造的矿井物探方法之一，凭 借其近距离观测、体积效应小、方向性强、分辨率

12、高、对低阻区敏感、探测的有 效距离大、施工快速等一些优点，已成为煤矿水害探测的最佳选择方法。瞬变电磁探测方法3.1瞬变电磁法基本原理瞬变电磁法或称时间域电磁法(Time domain Electromagnetic Methods)，简称 TEM，它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二次涡流场的方法时6。通过观测二次 场的时间以及空间分布，可得到不同深度的地电特征，从而判断地质以及水文地 质异常。3.2矿井瞬变电磁探测原理及特点瞬变电磁法作为一种探水新技术，探测信噪比比地面瞬变电磁法和矿井直流 电法勘探高的多，是一种具有广泛前景的

13、探水新方法。Tx/-t=t X1 t=t.2- Tx/-t=t X1 t=t.2- t=t.3具体来说矿井瞬变电磁法具有以下特点:图4瞬变电磁全空间相应示意具体来说矿井瞬变电磁法具有以下特点:图（1）、受矿井巷道的空间影响，矿井瞬变电磁法只能采用边长小于3m的多 匝回线装置，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，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；（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，国内 外经验表明，井下测量的信号强度比地面采用同装置、同参数获取的信号强度更

14、好；（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，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；、矿井瞬变电磁法对高阻层的穿透能力强，对低阻层有很强的分辨能力。 在高阻地区如果用直流电法勘探，要想达到较大的探测深度，须有较大的极距， 故其体积效应就大，而在高阻地区若采用瞬变电磁法，较小的回线可达到较大的 探测深度，故在同样的条件下瞬变电磁法的体积效应小得多，探测精度更高。国内外研究

15、现状4.1矿井瞬变电磁法研究现状瞬变电磁法最早起源于美国科学家L.W.Blan于1933提出的“Eltran”法。 并由最初的针对地表半空间均匀层状介质的瞬变电磁场，逐步实现了瞬变电磁 法一维正、反演、“烟圈”理论、以及后来提出的有限元、有限差分、积分方程 等二维正反演方法和三维正反演算法，从而地面瞬变电磁法的基本理论已较为完 善。国内瞬变电磁法的研究早在上世纪70年代就已经开始了，针对瞬变电磁法 的方法理论研究，先后有朴化荣、牛之琏、徐世浙、谭捍东、罗延钟等众多学者 取得了一批有价值的研究成果。国外的瞬变电磁技术发展较早，在煤矿探水领域进行过一些理论研究。但 目前国外关于矿井(地下)瞬变电磁

16、法理论、技术与应用的文献很少。文献资料 显示，国外对地下全空间瞬变电磁场分布规律的研究始于上世纪80年代，2002 年StefiKrivochieva等利用数字滤波法计算了层状介质内部水平线圈的瞬变电磁 场响应，较为详细地研究了导电层瞬变电磁响应特征与磁偶极子方位间的关系， 其整体研究目前仍限于一维层状介质。由于煤矿防治水害的需求，国内有中国矿业大学、煤炭科学院、中科院等单 位开展了矿井瞬变电磁法地研究与实验。1999年，于景邨在矿井瞬变电磁法 理论与技术研究中对层状介质瞬变电磁法时间一深度换算进行了研究，通过物 理模拟与井下试验，研究了井下巷道中铁轨、工字钢、锚杆的响应特征，探讨了 矿井瞬变

17、电磁法的应用技术US。岳建华针对矿井瞬变电磁法应用中出现的多匝 小回线间自互感、视电阻率换算、全空间效应等问题进行了系统分析与总结，指出了矿井瞬变电磁法的研究方向与重点11。煤科总院西安分院闫述等采用FDTD 法模拟计算了薄层和细导线的瞬变电磁响应，对于解决巷道锚网等金属支护物、 巷道内铁轨和管道等电磁性物体对矿井瞬变电磁观测结果的影响特征识别与校 正问题有较好的效果I。中国科学院地质与地球物理研究所白登海研究员领导 的课题组，对矿井瞬变电磁法探测突水构造的方法技术问题也进行了研究13。综合分析国内外有关文献可以看出，目前瞬变电磁法的理论研究与技术应用 工作主要集中于地面、航空半空间问题，一维

18、正反演问题已得到妥善解决，在二、 三维正演方面出现了许多算法，其地面应用技术较为成熟。国内自开展矿井瞬变 电磁法以来，大部分工作集中于现场技术的应用研究，而对全空间瞬变电磁场的 理论研究甚少。只有掌握全空间瞬变电磁场扩散规律，深入研究全空间中具有二 维或三维地电属性、处于不同方位的岩溶、断层、裂隙发育带等含（导）水构造 （体）瞬变电磁响应特征，才能合理地利用井下施工空间，优化井下观测技术方 案，对矿井瞬变电磁数据给出合理地解释，正确判断地质体空间方位。因此，研 究总结全空间瞬变电磁场分布规律和典型含导水构造瞬变电磁响应特征，以及如 何确定含水构造的边界，精确深度校正，甚至含水量的估略性计算，是

19、超前探测 研究的关键问题。4.2矿井瞬变电磁法超前探水技术研究现状实践表明，同基于岩石弹性性质的弹性波法相比，以岩石电性差异为基础的 瞬变电磁超前探测技术，对低阻体反映敏感，在富水性探测方面更具优势；同探 地雷达相比而言，瞬变电磁超前探测距离大；同直流电法探测相比，瞬变电磁超 前探测不受巷道空间限制，超前探测距离大，不存在电极接地困难，探测方向指图5迎头扇形扫描应示意图图5迎头扇形扫描应示意图在我国，瞬变电磁技术研究已取得阶段 性进展，国内一些科研单位很早就开始陆续 的尝试，并在多个煤矿进行了超前探水和含 水采空区的探测。但多数为地表探测，鉴于 各种技术方面的限制，井下超前探水开展的相对较少。

20、2007年，中国矿业大学 就在徐州权台煤矿进行了矿井瞬变电磁法的超前探水试验，并进一步在山西某矿 进行了废弃老巷道探水试验。虽然仍存在很多问题，但是取得了宝贵的经验，论 证了瞬变电磁在煤矿防治水方面的可行性【14】。针对矿井瞬变电磁超前探水，中国矿业大学经过实验逐渐发展成重叠小回线 装置形式的扇面扫描（环形测深）数据采集方式的瞬变电磁超前探测技术，即按 图5所示在巷道掘进工作面左帮、迎头、右帮分别布置测点，形成对掘进工作面 前方半圆形扫描，将其应用于采空区积水、钻孔、富水断层的超前探测中，取得 了较为理想的应用效果15。中科院地质与地球物理所采用同轴偶极装置进行超 前探测，并掘进过程中进行了连

21、续跟踪超前探测试验16。西安煤科院利用瞬变 电磁法在煤矿井下独头巷道开展了超前探测含水构造的试验研究，验证了瞬变电 磁法具有定向性（方位性）好、探测距离大等突出优点，是矿井超前探测含水构 造的有效方法。矿井瞬变电磁探测设备要求由于安全生产要求及井下空间等条件限制，矿井瞬变电磁勘探的设备相比于 地面瞬变电磁法有着一系列特殊的要求。首先，由于在煤矿井下空气中含有一定量的瓦斯、煤尘，当其含量超过一定 比例时，可能发生爆炸，造成严重的安全事故。因此，矿井下瞬变电磁设备必须 满足煤矿安全生产要求，设备本身必须防爆。普通瞬变电磁设备，明线外露，电 子原件也直接暴露在空气中，在井下使用时存在较大的安全隐患。

22、其次，由于井下空间有限，在井下布设接收及发射线圈有别于地面探测，只 能使用多匝小线圈完成探测。由于装置的磁矩决定探测的深度，在线圈面积不能 增大的情况下，只有增大线圈匝数或者增大电流，才能加大探测深度。但线圈匝 数的增加，会导致线圈互感增强，降低数据采集的信噪比，因此线圈匝数不可无 限增大。采用大电流供电，适量匝数线圈可以较好的解决这个问题，这也给设备防爆性提出了更高的要求。我公司采用中国地质大学研发的煤矿专用瞬变电磁设备，该设备已通过国家 安监局认证，具有防爆证书。在确保安全的基础上，采用小发射回线大电流供电， 最高精度的为生产矿山提供超前探水服务。煤矿超前探水方面的技术优势经过长期的工程实

23、践和理论完善，我们在煤矿超前探水领域逐渐总结了一套 行之有效的现场采集和数据分析处理方法，并在实际应用中取得了良好的效果。6.1二维反演瞬变电磁仪器在井下测得的参数是时间（单位：微秒）和感应电动势的值（单 位：微伏），需要后期二维反演得时间-视电阻率剖面。在进行二维反演，计算视电阻率值时，一般采用晚期道计算公式，与晚期道 数据的拟合程度较好，但是早期数据偏离较大，严重失真，导致浅部地质信息可 靠性降低，甚至数据缺失。正常视电阻率的计算都采用同点回线装置的视电阻率计算公式：PT = 6.32 X10 -3 L83 （t） I -23 厂 53（ 1）式中L为回线边长，以m为单位；t为测道的时间，

24、以ms为单位；e（t）为 观测值，W.；A为单位。由于煤矿巷道工作面窄小，线框采用小线框多匝回线的方式，大电流大功率 采样，虽然增加了勘探的深度，提高了信噪比，可是电流过大会加剧互感现象， 数据进入晚期道的时间延后，早期道噪声加大、信噪比降低，给后期处理带来很 大麻烦，增加了早期信号的畸变，降低了瞬变电磁超前探水的实际意义。如整体采用公式（1）计算视电阻率必然引起早期数据误差偏大，在数据处 理时要尽量消除这一不利因素。因此我们以时间t = 2r 为界分为早晚期分别计算。时间t = 2r，P兀 X107i p兀 X107是采用大电流进行勘探时，根据早期道的定义推导得出的。当t tt的数据仍然 按

25、公式（1）计算视电阻率；t t.为早期道的数据，需要用早期道计算公式（2） 单独计算：EEz3M 中（2）式中r为收发距，磁矩M = IL2，EZ为垂直磁偶源方向的电场。将公式（1）与公式（2）计算得出的视电阻率值合并，得到全区视电阻率， 这样计算就尽可能的消除了大电流的互感现象对早期信号的影响。6.2探测精度探测的精度与所布置的线圈大小、电流强度、发射功率的大小有直接关系， 以往在地表做含水采空区、金属矿体探测时，习惯布置200m*200m的大线圈， 中心探头，这种布线方式适合找大的地质构造体，大范围探测数据，然后经过归 一化整合，但5米左右的小构造会被归一化，无法展现，而煤矿井下采用 1.

26、5m*1.5m的小线框，可以解决此类问题，达到很高的探测精度，对微小的构造 也具有很强的识别能力。部分导水通道本身规模较小，但是若掘进巷道与隐伏导 水构造不期而遇，就会形成矿井突水灾害。因此，不可忽视小型甚至微型隐伏导 水构造。此类构造是指无明显的地表出露和地质显现特征，发育于岩层内部的较 小规模的地质构造，主要包括隐伏断层、局部构造破碎带、岩溶陷落柱及岩溶塌 落洞等，它们是沟通矿区充水水源与矿井采掘工程之间的主要导水通路，在矿井采掘过程中必须超前探知。但是，在井下进行超前探水，也有一些很难避免的干扰。在巷道中进行瞬变 电磁超前探水工作，无法避免大型金属物（挖掘机、支护网、锚杆）产生的影响，

27、大型的掘进机械在巷道中移动不方便，处于实际生产的情况考虑，挖掘机只能向 后移动很短的距离，锚杆和支护网也无法撤除。在超前探测时，瞬变电磁场是全 空间分布，在巷道中的挖掘机等金属物就充当了一个大的低阻异常体，会在一定 程度上影响仪器对于数据的采集，可能会造成假的异常推断，降低可靠性。但是， 在后期的数据处理中，通过有经验的技术人员分析，找到金属体造成的异常响应 特征，就可以削弱甚至消除这种噪声。6.3深度校正通过视电阻率计算公式得到的是时间-视电阻率数据，必须通过时深转换公 式，才能转换为深度-视电阻率数据。这样才能更好的识别异常深度，为生产服 务。C C 、 1)YC (C 2 + 2)122

28、1V =以疽”C +(C; + 2)弓 + (1 +i其中：C (Y)=工1 -r-lL坐划(I)k44 k2 k0 +1)! 2C 2(Y)普L曾中kk=0Y=a 1 24,。1为匕时刻对应的视电阻率值，a为换算系数，通过理论模 型和实际资料验证，系数a值根据地面应用地质情况，分别取不同的值。时深转换后的深度值D :D = V x t经过时深转换之后的深度值，是一个单纯的计算值，还需要对模型进行改进， 根据当地的地质情况，围岩的分层信息，煤层及围岩的电阻率值，加入几个变量 参数，进一步校正，才能使校正之后的深度信息符合当地特殊的地质情况。前人最初采用单一系数法，即根据整个工区大致的地质情况，

29、确定一个压缩 （拉伸）系数a,对整个工区的深度值都乘以系数a；后期经过改进，采用线性 系数法，即对探测工区的最浅部和最深部设置两个系数b和c，然后对数等间距 线性插值，再乘以深度值，这样的校正方法已经有了很大的改进，效果较好，但 两种方法都存在一个不可避免的问题：没有考虑到电阻率值的高低，对深度的影 响程度。通过多次试验证明，高阻体和低阻体对瞬变电磁信号的吸收作用是不一样 的，瞬变电磁信号在高阻体和低阻体中的传播速度也有差别，如图6,其中低阻 体对信号的吸收作用强，信号的传播速度慢，而高阻体恰恰相反。图6高低阻对信号的吸收作用所以，结果进一步分析，我方采用用一种全新的深度校正方法，在非线性数

30、学的基础上，建立一个非线性、反病态模型，加入电阻率参数，对于不同的电阻 率值区间选取不同的系数校正，实现分段校正，确保结果的可靠性。表3三种系数选取方法的比较方法选取方法效果特点单一系数法单一选取系数a效果较差过于简单，深度上误差大线性系数法对系数a,b进行对数等间距线 性插值效果一般适用于简单的地质情况非线性区间法对不同的电阻率区间选取不 同的系数,bt c效果较好由于系数的选取考虑到了电 阻率的变化，所以适用于各 类地质情况深度校正研究实例：在江西某矿井进行井下超前探测，对地层的分层情况和可能的含水溶洞进行 探测，图7为三种系数深度校正对比图，应用三种选取系数的方法进行数据处理，并对处理结

31、果和实际地质情况比对。图7三种系数选取方法深度校正对比图从图中可以看出，三种方法中，低阻和高阻的分层信息没有太大区别。在60米70米区域和120米130米区域呈现低阻，与实际已知的地层分布信息一 致。单一系数校正法的低阻特征区域不明显，线性校正法的低阻特征区深度值有 偏差，而非线性校正法所计算的低阻区域与实际地层分布一致。应用工程实例7.1山西某煤矿井下瞬变电磁超前探水项目在山西某煤矿进行井下超前探水工作，图8为该巷道右侧帮瞬变电磁反演成 果图，从图中可以看出，在右侧帮95号点和105号点前方40100米范围内，有明显的低阻异常（蓝色区域），而且三个方向的连通性较好，电阻率小于100欧米，推断

32、为含水区域。矿方在打探水孔验证，实际情况与推测情况吻合。图8巷道侧帮电阻率反演成果图320米，推断为含水区域。矿方在打探水孔验证，实际情况与推测情况吻合。图8巷道侧帮电阻率反演成果图32030028。26。2402202001801601401 207.2山东某金矿井下瞬变电磁超前探水项目在山东某金矿进行井下瞬变电磁超前探水工作，图9为掘进面前方瞬变电磁 反演成果图，推测蓝色区域为含水低阻区，水平方向距掘进面约7080米，并且三个方向上的深度位置保持一致，推测为含水异常区。后期钻孔验证，与实际情况一致。单位：欧米视电阻率况一致。单位：欧米视电阻率图9掘进面电阻率反演成果图部分参考文献：刘琦，徐义勇，2007年煤矿事故统计分析及预防对策，矿业安全与环保，2009.4。邢冬梅，叶义成