矿井电磁法精品课件

1、矿井电磁法1第1页，共22页，2022年，5月20日，9点32分，星期五 Henan Polytechnic University 2011年6月16日资源环境学院目录： 1、研究意义及特点 2、探测原理 3、探测地球物理条件、仪器参数 4、数据处理及结果解释 5、结论 6、存在问题及建议 2第2页，共22页，2022年，5月20日，9点32分，星期五 Henan Polytechnic University 2011年6月16日资源环境学院1.1研究意义 矿井瞬变电磁法面临全空间电磁场分布的问题。因煤层通常为高阻，电磁波易于通过，所以煤层对TEM来说就没有像对直流电场那样的屏蔽性，故TEM所

2、测信号为线框周围全空间岩石电性的综合反映。但可利用小线框体积效应小、电磁波传播具有方向性的特点，通过改变线框平面方向并结合地质资料来判断地质异常体的空间位置。3第3页，共22页，2022年，5月20日，9点32分，星期五 Henan Polytechnic University2011年6月16日资源环境学院 41.2矿井瞬变电磁探测特点 由于井下特殊施工环境，矿井瞬变电磁法与地面瞬变电磁法以及其它的矿井物探方法的不同，主要有以下几点：（1）受井下巷道施工空间所限，采用边长小于3m的多匝小线框，因此与地面瞬变电磁法相比具有测量设备轻便，工作效率高，成本低等优点，克服了其他矿井物探方法在巷道长度

3、有限或巷道掘进迎头超前探测中无法施工的缺点；（2）由于采用小线圈测量，点距更密（一般为2-20m），体积效应降低，横向分辨率提高，再者测量装置靠近目标体，异常体感应信号较强，具有较高的探测灵敏度；（3）由于小线框发射电磁波的方向性明显，井下超前探测时，探测目标区域更具针对性；第4页，共22页，2022年，5月20日，9点32分，星期五（4）受发射电流关断时间的影响，早期测量信号畸变，无法探测到浅层的地质异常体，一般存在1020m左右的浅部探测盲区；（5）井下施工时，测量数据容易受到金属物（采煤机械、变压器、金属支架、排水管道等）的干扰，需要在资料处理解释中进行校正或剔除。5第5页，共22页，2

4、022年，5月20日，9点32分，星期五 Henan Polytechnic University 2011年6月16日资源环境学院2 探测原理6瞬变电磁法属时间域电磁感应方法。其探测原理是：在发送回线上供一个电流脉冲方波，在方波后沿下降的瞬间，产生一个向回线法线方向传播的一次磁场，在一次磁场的激励下，地质体将产生涡流，其大小取决于地质体的导电程度，在一次场消失后，该涡流不会立即消失，它将有一个过渡(衰减)过程（见图2-1、2-2）。该过渡过程又产生一个衰减的二次磁场向掌子面传播，由接收回线接收二次磁场，该二次磁场的变化将反映地质体的电性分布情况。 图2-3 良导体瞬变电磁感应原理图第6页，共

5、22页，2022年，5月20日，9点32分，星期五图2-1 回线中阶跃电流的磁力线 图2-2 全空间中的等效电流云图 Henan Polytechnic University7第7页，共22页，2022年，5月20日，9点32分，星期五如按不同的延迟时间测量二次感生电动势V(t)，就得到了二次磁场随时间衰减的特性曲线。如果没有良导体存在时，将观测到快速衰减的过渡过程；当存在良导体时，由于电源切断的一瞬间，在导体内部将产生涡流以维持一次场的切断，所观测到的过渡过程衰变速度将变慢，从而发现导体的存在（如图2-3）。瞬变电磁场在大地中主要以“烟圈“扩散形式传播（图2-4），在这一过程中，电磁能量直接

6、在导电介质中传播而消耗，由于趋肤效应，高频部分主要集中在地表附近，且其分布范围是源下面的局部，较低频部分传播到深处，且分布范围逐渐扩大。 图2-4 全空间电磁场“烟圈”扩散示意图 Henan Polytechnic University8第8页，共22页，2022年，5月20日，9点32分，星期五 Henan Polytechnic University 2011年6月16日 资源环境学院9从岩性物性差异的角度，一般变化规律认为泥岩、粉砂岩、中砂岩、粗砂岩、砾岩到煤层、灰岩，电阻率逐渐增高，即煤层、灰岩相对其它岩层为高电阻率阻层，若岩层含水，则随着其含水率的增加电阻率值减小，因此岩层电阻率发生

7、变化除与岩层岩性本身有关外，其含水性也起决定作用，故在灰岩等高阻地层中，地层含水，表现为低电阻率值；相反，则表现高电阻率值。探测迎头前方受断层影响，可能存在导水裂隙或含水构造，在地球物理上表现电性差异，因此采用瞬变电磁法探测迎头前方电性分布情况，为巷道安全掘进提供可靠水文地质参数。3 探测地球物理条件 第9页，共22页，2022年，5月20日，9点32分，星期五本次探测使用仪器为福州华虹智能科技开发有限责任公司研制的YCS40（A）型瞬变电磁仪（图2-5），该矿用瞬变电磁仪具有对低阻充水区域反映特别灵敏、体积效应小、纵横向分辨率高，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

8、用于巷道侧帮、煤层顶、底板等探测，能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先进的技术手段。除在硬件设备上具有较多优点外，本套设备在软件解析中集成了经典和专家的时间域瞬变电磁法勘探理论、技术与方法，还添加了矿井信号校正方法及更为独特有效的信号分析处理方法。利用一次场波形发射和二次磁场接收，结合软件分析解释，可以进行复杂的含水地质构造探测。 Henan Polytechnic University 仪器设备及参数图2-5 矿用瞬变电磁仪系统10第10页，共22页，2022年，5月20日，9点32分，星期五针对探测目标体的深度和范围，YCS40（A）型矿用瞬变电磁仪具有多套功能参数设

9、置，可进行针对性的选择合适的一套参数设置。本次探测中，本系统选择的技术参数如表2-1所示。 表2-1 瞬变电磁超前探测系统参数设置表 仪器参数设置 装置参数设置 发射电压6.0V发射边长2m发射频率8.3Hz发射匝数9匝叠加次数32电阻要求=10控制系数3接收边长2.0m测倒数40接收匝数18砸记录时窗 0.008ms864ms 11第11页，共22页，2022年，5月20日，9点32分，星期五 Henan Polytechnic University3 现场布置及数据采集 3.1、装置参数设计 3.2、探测点布置 3.3、探测区域及完成工作量 12第12页，共22页，2022年，5月20日，

10、9点32分，星期五 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。为了增加探测的有效深度，本套设备通过增加线圈的匝数、加大发射电流以提高信噪比，

11、达到提高探测深度的目的。由于采用的是小线框，点距布置可以更密，本次测量中控制在5m和10m，现场观测淋水点或淋水区时点距适当缩小。3.1 装置参数设计 13第13页，共22页，2022年，5月20日，9点32分，星期五根据多匝小回线发射电磁场的方向性，可认为线框平面的法线方向即为瞬变电磁探测方向。因此，将发射、接收线框平面对准煤层顶板和底板进行探测，便可反映煤层顶板和底板煤层内部的地质异常。根据这个原理结合本次的探测目的，对工作面内探测时可将重叠回线装置平行于巷帮，使线框平面的法线与工作面平行；对顶板进行探测时可沿煤层将线框与底板倾斜一定的角度确保线框平面的法线指向工作面顶板。 3.2工作装置

12、的现场布设 14第14页，共22页，2022年，5月20日，9点32分，星期五如图1-1所示，根据巷道分布情况，将本次探测施工布置在回风大巷和付井材料大巷。设计测点间距5m、10m，设计点数为68个测点，每个测点的线框的法线方向为顺层0、顶板30、顶板45三个方向，探测电性在横向及纵向的变化。 3.3 探测区域及完成工作量 15第15页，共22页，2022年，5月20日，9点32分，星期五 Henan Polytechnic University 2011年6月16日 资源环境学院 4 数据处理及结果解析 16 本次瞬变电磁探测数据采用YCS40(A)型矿井瞬变电磁仪配套的MTEM2.0处理系

13、统进行处理。其处理主要流程为：数据上传格式转换数据滤波处理计算视电阻率正反演计算结果成图。经上述数据处理过程，获得巷道前方瞬变电磁剖面结果，图中不同的颜色代表不同的视电阻率值，颜色由冷色调到暖色调说明阻值从小变大的趋势，结合这个原则可进行如下分析：第16页，共22页，2022年，5月20日，9点32分，星期五 Henan Polytechnic University 2011年6月16日资源环境学院17第17页，共22页，2022年，5月20日，9点32分，星期五 Henan Polytechnic University 2011年6月16日资源环境学院18上图为相对视电阻率剖面，分别为回风大

14、巷顶板45、30和0方向视电阻率拟断面图；图中横向170米位置为回风大巷迎头位置，图中红色线圈定区域为本次TEM探测低阻异常区，推测为采空区富水及10号煤层顶板灰岩富水影响地段；由3个方向视电阻率纵向对比分析，顶板45方向视电阻率偏低，推测为10号煤层顶板灰岩富水影响地段，顶板30及0方向相对偏高，推测富水性较弱。第18页，共22页，2022年，5月20日，9点32分，星期五 Henan Polytechnic University 2011年6月16日 资源环境学院19第19页，共22页，2022年，5月20日，9点32分，星期五 Henan Polytechnic University 2

15、011年6月16日资源环境学院20上图为相对视电阻率剖面，分别为付井材料大巷顶板45、30和0方向视电阻率拟断面图；图中横向340米位置为井口方向，图中红色线圈定区域为本次TEM探测低阻异常区，推测为采空区富水或10号煤层顶板灰岩富水影响地段；由3个方向视电阻率纵向对比分析，顶板45方向横向40120米位置视电阻率偏低，推测为灰岩富水影响地段，顶板30及0方向视电阻率相对偏高，横向160米340米，推测为采空区富水但富水性较弱。第20页，共22页，2022年，5月20日，9点32分，星期五 Henan Polytechnic University 二零零八年六月资源环境学院215 结论通过本次

16、瞬变电磁探测结果，并结合矿方提供的地质资料，得出如下结论：1）回风大巷视电阻率异常区域不连续，且10号煤层顶板视电阻率相对偏低，分析为采空区富水地段或10号煤层顶板灰岩局部富水地段，但富水性较弱。2）付井材料大巷视电阻率异常区域相对较连续，测线横向0120分析为10号煤采空区富水地段或10号煤层顶板灰岩局部富水地段，横向160米340米为10号煤层采空区富水，富水性较弱。 综上所述，根据本次探测结果推测，所探测方向10号煤层采空区及顶板灰岩富水，整体富水性较弱，拟断面图中R1、R2两处异常视电阻率偏低，认为富水性相对较强。第21页，共22页，2022年，5月20日，9点32分，星期五 Henan Polytechnic University 2011年6月16日 资源环境学院22 本次探测过程中，因巷道中存在铁轨、工字