瞬变电磁技术方案

EG福建华虹智能科技开发有限公司山东省临沂矿业集团田庄煤矿

矿井瞬变电磁法探测技术方案山东省临沂矿业集团田庄煤矿

福建华虹智能科技开发有限公司

二0一一年四月目录TOC\o"1-5"\h\z一、 简述 2\o"CurrentDocument"二、 矿井瞬变电磁法基本理论及探测方法 2\o"CurrentDocument"2.1、 基本原理 3\o"CurrentDocument"2.2、 矿井瞬变电磁法特点 5\o"CurrentDocument"2.3、 矿井瞬变电磁法探测方向设计 6\o"CurrentDocument"2.4、 仪器 8三、 现场探测布置 83.1、 测区1 8\o"CurrentDocument"3.1.1测区（四采煤1集运巷）工程概况 8\o"CurrentDocument"3.1.2四采煤1集运巷现场测点布置： 9\o"CurrentDocument"3.1.3采集参数设置： 9\o"CurrentDocument"3.2、 测区2 10\o"CurrentDocument"3.2.1测区2工程概况 10\o"CurrentDocument"3.2.2、 测区2现场测点布置： 11\o"CurrentDocument"3.2.3采集参数设置： 11\o"CurrentDocument"四、 需矿方协作事宜： 11\o"CurrentDocument"五、 报告提交 12―、简述临沂矿业集团田庄煤矿现主采煤层位16上煤，本次探测的8602工作面开采煤层也是属于16上煤，16上煤到十四灰平均间距34.96m，奥灰至16上煤底的平均间距为49.57m，十四灰及奥灰水的富水性强，对16上煤的开采的危险很大；为了满足8602工作面回采工作安全高效的进行，及做好田庄煤矿防治水工作，由临沂矿业集团田庄煤矿和福建华虹智能科技开发有限公司共同实施本次针对8602工作面底板富水性的探测项目。二、矿井瞬变电磁法基本理论及探测方法瞬变电磁法或称时间域电磁法(Timedomainelectromagneticmethods)，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。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。

2.1、基本原理在导电率为。、导磁率为％的均匀各向同性大地表面铺设面积为(1)S的矩形发射回线，在回线中供以阶跃脉冲电流/⑺,(1)其中:在电流断开之前，发射电流在回线周围的大地和空间中建立起一个稳定的磁场。在t=0时刻，将电流突然断开，由该电流产生的磁场也立即消失。一次磁场的这一剧烈变化通过空气和地下导电介质传至回线周围的大地中，并在大地中激发出感应电流以维持发射电流断开之前存在的磁场，使空间的磁场不会图1瞬变电磁法工作原理示意图即刻消失。由于介质的热损耗，直到将磁场能量消耗完毕为止。由于电磁场在空气中传播的速度比在导电介质中传播的速度大得多，当一次电流断开时，一次磁场的剧烈变化首先传播到发射回线周围地表各点，因此，最初激发的感应电流局限于地表。地表各处感应电流的分布也是不均匀的，在紧靠发射回线一次磁场最强的地表处感

应电流最强。随着时间的推移，地下的感应电流便逐渐向下、向外扩散，其强度逐渐减弱，分布趋于均匀。研究结果表明，任一时刻地下涡旋电流在地表产生的磁场可以等效为一个水平环状线电流的磁场。在发射电流刚关断时，该环状线电流紧挨发射回线，与发射回线具有相同的形状。随着时间推移，该电流环向下、向外扩散，并逐渐变形为圆电流环。等效电流环象从发射回线中“吹”出来的一系列“烟圈”，因此，人们将涡旋电流向上、下和向外扩散的过程形象地称为“烟圈效应”（如图2所示）。“烟圈”的半径r、深度d的表达式分别为：r=%； ~+a2） （2）d=40/E0 ⑶图2瞬变电磁场的烟圈效应8式中a为发射线圈半径，c2=厂2。当发射线圈半径相对于“烟d圈”半径很小时，可得tan0=r5.07,e47，故“烟圈”将沿47度倾斜锥面扩散（图4-2），其向下传播的速度为：（4）ddv=——dt（4）从“烟圈效应”的观点看，早期瞬变电磁场是由近地表的感应电流产生的，反映浅部电性分布；晚期瞬变电磁场随时间的变化规律，可以探测大地电性的垂向变化。2.2、矿井瞬变电磁法特点矿井瞬变电磁法基本原理与地面瞬变电磁法一样，采用仪器和测量数据的各种装置形式和时间窗口也相同。由于矿井瞬变电磁法勘探环境的限制，测量线圈大小有限，其勘探深度不如地面深，一般深度在120m左右。地面瞬变电磁法为半空间瞬变响应，这种瞬变响应来自于地表以下半空间地层；而矿井瞬变电磁法为全空间瞬变响应，这种瞬变响应是来自于回线平面上下（或两侧）地层，这对确定异常体的位置带来困难。实际资料解释中，必须结合具体地质和水文地质情况综合分析。矿井瞬变电磁法与地面瞬变电磁法相比具有以下几个方面的特点：1） 由于井下测量环境不同与地表，不可能采用地表测量时的大线圈（边长大于50m）装置，只能采用边长小于3m的多匝小线框，因此数据采集工作量小，测量设备轻便，工作效率高，成本低；2） 由于采用小线圈测量，点距更密（一般为2-10m），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，大大提高测量信号的信噪比，实际测量结果说明，井下测量信号的强度比地面同样有效面积的相同装置测量的信号强10-100倍。井下的干扰信号相对有用信号近似等于零（大于30ms时间段），而地面测量信号在衰减到一定时间段（一般小于15ms）就被干扰信号覆盖，无法识别有用异常信号；4） 地面瞬变电磁法勘探一般只能将线圈平置于地面测量，而井下瞬变电磁法可以将线圈置于巷道底板测量，探测巷道底板下一定深度内含水异常体垂向和横向发育规律，也可以将线圈直立于巷道内，当线圈面平行巷道掘进前方，可进行超前探测；当线圈面平行于巷道侧面煤层，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。5） 由于矿井瞬变电磁法勘探环境的限制，测量线圈大小有限，其勘探深度不如地面深，一般深度在150m以内效果比较理想。2.3、矿井瞬变电磁法探测方向设计由瞬变电磁“双烟圈效应”可知，其电磁场等效电流环既“烟圈”将沿47度倾斜锥面地下扩散，因此，一次电磁场向远处传播范围为一个锥体（图3a、b），其中箭头所指方向为探测方向。在巷道内布置探测方向倾角主要是依据探测距离和煤层倾角来确定线框的布置，同时根据仪器的探测深度范围来确定测点相隔距离，在保证勘探精度的同时尽量减少工作量。图3为探测锥体切面示意图，箭头所指方向为探测方向，虚线部分为探测范围，其有效探测范围边界与探测方向为47°夹角。

图a 图b图3探测锥体示意图为了探测到巷道掘进前方及其顶、底板岩层内赋水性，采用多匝线框，小回线测量，设计探测方向为顺巷道掘进方向和与巷道掘进方向所在岩层呈450左右夹角斜向上和向下探测（见图4），发射线框和接收线框分别为匝数不等、且完全分离两个独立线框，以便与地下（前方）异常体产生最佳偶合响应。巷道断面 /■♦发射线框^00_巷道顺层探测方向巷道断面 /■♦发射线框^00_巷道顺层探测方向（a） 巷道底板 （b） 巷道底板（c）图4瞬变电磁法探测方向示意图2.4、仪器本次矿井瞬变电磁法探测仪器采用安全防爆型YCS40（A）瞬变电磁仪，该仪器具有抗干扰、轻便、自动化程度高等特点。数据采集由微机控制，自动记录和存储，与微机连接可实现数据回放。根据本次探测任务的要求和巷道条件的实际情况，采用2mX2m的多匝数矩形回线装置进行测量。根据勘探任框，将线框直立于巷道，并靠近探测异常所在方向侧帮。发射线框和接收线框分别为匝数不等、且完全分离的两个独立线框，以便于与地下（前方）异常体产生最佳偶合响应。三、现场探测布置3.1、测区13.1.1测区（四采煤1集运巷）工程概况图5瞬变电磁法探测地点一----四采煤1集运巷

探测要求：四采煤1集运巷底板探测积水区域；现场情况：该巷道位于1#煤层内部，1#煤层的顶板为泥岩，底板为油页岩，煤层的厚度约为0.8m，油页岩的厚度约为4m，目前主采煤层和油页岩，在四采煤1集运巷斜下方向有2#煤层采空区，本次试验探测的目的是弄清采空区内是否有积水；3.1.2四采煤1集运巷现场测点布置：如图6所示，是矿井瞬变电磁对底板探测的方向示意图，本次探测拟采用矿井瞬变电磁中的重叠回线的装置，且TX/RX=6/12，将重叠回线的中心方向指向底板，以10m为点距布置测线，直至完成整个测区 。图6图6矿井瞬变电磁探测方向3.1.3采集参数设置:仪器参数设置：装置参数设置：发射电压：7v发射线框的边长：发射电压：7v匝数：6发射频率8.3hz匝数：6叠加次数：128 电阻要求：＜=10抑制系数：3 接收线框的边长：2m匝数：123.2、测区23.2.1测区2工程概况如图7所示，是本次探测的区域2,探测目的是考察1403工作面运输巷和材料巷顶板赋水的程度。该巷道位于1#煤层内部，1#煤层的顶板为泥岩，底板为油页岩，煤层的厚度约为0.8m，油页岩的厚度约为4m，目前主采煤层和油页岩，支护情况依然为钢梁浇注支护；图7瞬变电磁法探测地点二----1403工作面两巷3.2.2、测区2现场测点布置:1111naye.n.&N51019巷道20 , 20fl.l• …… °2040608010012014016018020022024026028030032034036038040042044046021019巷道图81111naye.n.&N51019巷道20 , 20fl.l• …… °2040608010012014016018020022024026028030032034036038040042044046021019巷道图8TEM的观测系统中测点的布置00006420装置参数设置：装置参数设置：发射线框的边长：2m匝数：6电阻要求：＜=10接收线框的边长：2m匝数：12垂直向巷道顶板探测，10m一个测量点，分别在1403工作面运输巷和材料巷采集10个物理点;3.2.3采