煤業(yè)公司瞬變電磁培訓(xùn)PPT.ppt

華勝煤業(yè)瞬變電磁技術(shù)培訓(xùn) 福州勘達(dá)源電子科技有限公司2011年11月18號(hào) 前言 礦井物探技術(shù)是一門(mén)根據(jù)地下巖層物理性質(zhì)的差異 借助一定的工作裝置和專門(mén)的物探儀器測(cè)量其物理場(chǎng)的分布狀況 通過(guò)分析和研究地下巖層物理場(chǎng)的變化規(guī)律 結(jié)合有關(guān)地質(zhì)資料解決一定的地質(zhì)問(wèn)題 為地質(zhì)工作者提供幫助一門(mén)技術(shù) 1 礦井物探的概念 2 井下常用的幾種物探方法 1 地震勘探技術(shù) 反射波探測(cè)方法 面波探測(cè)方法 2 電磁法勘探技術(shù) 直流電法 高分辨電法 高密度電法 音頻電透視 瞬變電磁 3 無(wú)線電波坑透技術(shù) 第一部分瞬變電磁法原理 第一節(jié)瞬變電磁探測(cè)技術(shù)的物理基礎(chǔ)第二節(jié)瞬變電磁概念第三節(jié)瞬變電磁系統(tǒng)組成 第一節(jié)瞬變電磁物理基礎(chǔ) 電磁法探測(cè)是以地層的電性差異為基礎(chǔ)的 從電性上分析不同地層的電性分布規(guī)律為 煤層電阻率值相對(duì)較高 砂巖次之 粘土巖類最低 由于煤系地層的沉積序列比較清晰 在原生地層狀態(tài)下 其導(dǎo)電性特征在縱向上固定的變化規(guī)律 而在橫向上相對(duì)比較均一 當(dāng)存在構(gòu)造破碎帶時(shí) 如果構(gòu)造不含水 則其導(dǎo)電性較差 局部電阻率值增高 如果構(gòu)造含水 由于其導(dǎo)電性好 相當(dāng)于存在局部低電阻率值地質(zhì)體 綜上所述 當(dāng)斷層 裂隙和陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育時(shí) 無(wú)論其含水與否 都將打破地層電性在縱向和橫向上的變化規(guī)律 這種變化規(guī)律的存在 為以巖石導(dǎo)電性差異為物理基礎(chǔ)的電磁法探測(cè)方法提供了良好的地質(zhì)條件 隨著煤炭生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大 煤礦井下水患及各種地質(zhì)突發(fā)災(zāi)害不斷發(fā)生 人力 物力損失巨大 為此 迫切需要一種能用于煤礦井下的物探新方法 瞬變電磁法 tem 作為一種利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)送一次脈沖磁場(chǎng) 在一次脈沖磁場(chǎng)的間歇期間 利用線圈或接地電極觀測(cè)二次渦流場(chǎng)的電磁感應(yīng)方法 它有著頻率域電磁法所不具備的許多優(yōu)點(diǎn) 但同時(shí)由于電磁理論的復(fù)雜 對(duì)資料解釋手段的滯后 對(duì)理論基礎(chǔ)及儀器要求較高 其研究的時(shí)間較晚等原因 瞬變電磁法在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用僅局限于科研單位 還沒(méi)有廣泛推廣與應(yīng)用 而將瞬變電磁法勘探用于礦井生產(chǎn) 更為滯后 礦井瞬變電磁法 mtem 是利用井下巷道空間進(jìn)行瞬變電磁應(yīng)用的專門(mén)裝備與技術(shù) 礦井瞬變電磁采用同地面瞬變電磁法相同的工作原理 但又區(qū)別于地面方法 首先在儀器設(shè)備上要求適應(yīng)井下溫度 濕度高以及含瓦斯復(fù)雜環(huán)境 并通過(guò)國(guó)家相關(guān)論證的本質(zhì)安全型瞬變電磁儀 其外在施工技術(shù)上礦井瞬變電磁受巷道空間限制只能采用多匝數(shù) 小面積回線組合工作裝置 雖然在探測(cè)深度上有很大限制 但卻比地面瞬變電磁更高的分辨率 體積效應(yīng)小 旁側(cè)影響小 測(cè)量速度快和輕便等優(yōu)點(diǎn) 通過(guò)近20年井下應(yīng)用實(shí)踐 礦井瞬變電磁技術(shù)憑借其對(duì)良導(dǎo)體敏感 非接觸式 可多方位探測(cè)等特點(diǎn) 在礦井水害探測(cè)與防治中取得良好的應(yīng)用效果 本質(zhì)安全型儀器極大推進(jìn)了該技術(shù)應(yīng)用 本安型瞬變電磁儀介紹 瞬變電磁法物理基礎(chǔ)是電磁感應(yīng)原理 據(jù)此理論 在電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率均勻的大地上 敷設(shè)輸入階躍電流的回線 當(dāng)發(fā)送回線中電流突然斷開(kāi)時(shí) 在下半空間就要被激勵(lì)起感應(yīng)渦流場(chǎng)以維持在斷開(kāi)電流前存在的磁場(chǎng) 此瞬間的電流集中在回線附近的地表 并按指數(shù)規(guī)律衰減 隨后 面電流開(kāi)始擴(kuò)散到下半空間中 在切斷電流后的任意晚期時(shí)間里 感應(yīng)渦流呈多個(gè)層殼的環(huán)帶狀 隨著時(shí)間的延長(zhǎng) 渦流場(chǎng)將向下及向外擴(kuò)散 感應(yīng)渦流場(chǎng)在地表引起的磁場(chǎng)為整個(gè) 環(huán)帶 各個(gè)渦流層的總效應(yīng) 這種效應(yīng)可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的電流環(huán)等效 表現(xiàn)為一系列與發(fā)送線圈同形狀并且向下向外擴(kuò)散的電流環(huán) 通常稱之為 煙圈 在發(fā)送一次脈沖磁場(chǎng)的間歇期間 觀測(cè)由地下地質(zhì)體受激勵(lì)引起的渦流產(chǎn)生的隨時(shí)間變化的感應(yīng)二次場(chǎng) 按指數(shù)規(guī)律衰減 地層介質(zhì)被激勵(lì)所感應(yīng)的二次渦流場(chǎng)的強(qiáng)弱決定于地層介質(zhì)所耦合的一次脈沖磁場(chǎng)磁力線的多少 即二次場(chǎng)的大小與地下介質(zhì)的電性有關(guān) 低阻地質(zhì)體感應(yīng)二次場(chǎng)衰減速度緩慢 二次場(chǎng)電壓較大 高阻地質(zhì)體感應(yīng)二次場(chǎng)衰減速度較快 二次場(chǎng)電壓較小 根據(jù)二次場(chǎng)衰減曲線的特征 就可以判斷地下地質(zhì)體的電性 性質(zhì) 規(guī)模和產(chǎn)狀等 由于瞬變電磁儀接收的信號(hào)是二次渦流場(chǎng)的電動(dòng)勢(shì) 即二次電位 對(duì)二次電位進(jìn)行歸一化處理后 因此 瞬變電磁作為一種時(shí)間域的人工源地球物理電磁感應(yīng)探測(cè)方法 是根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造本身存在的物性差異來(lái)間接判斷相關(guān)地質(zhì)現(xiàn)象的一種有效的地質(zhì)勘探手段 任一時(shí)刻地下渦旋電流在地表產(chǎn)生的磁場(chǎng)可以等效為一個(gè)水平環(huán)狀線電流的磁場(chǎng) 在發(fā)射電流剛關(guān)斷時(shí) 該環(huán)狀線電流緊接發(fā)射回線 與發(fā)射回線具有相同的形狀 隨著時(shí)間的推移 該電流環(huán)向下 向外擴(kuò)散 并逐漸變形為圓電流環(huán) 圖1 2示意了發(fā)射電流關(guān)斷后不同時(shí)刻地下等效電流環(huán)的分布 從圖中可以看到 等效電流環(huán)很像從發(fā)射回線中 吹 出的一系列 煙圈 因此 人們將地下渦旋電流向下 向外擴(kuò)散的過(guò)程形象的稱為 煙圈效應(yīng) 煙圈理論 煙圈形狀 第二節(jié)瞬變電磁概念 瞬變電磁法 transientelectromagneticsmethod tem 是以地下巖 礦 石的導(dǎo)電性與導(dǎo)磁性差異為主要物質(zhì)基礎(chǔ) 根據(jù)電磁感應(yīng)原理 利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)送一次脈沖磁場(chǎng) 在一次脈沖磁場(chǎng)的間隙期間 利用線圈或接地電極觀測(cè)二次渦流場(chǎng) 并研究該場(chǎng)的空間與時(shí)間分布規(guī)律 來(lái)尋找地下礦產(chǎn)資源或解決其它地質(zhì)問(wèn)題的一支時(shí)間域的電磁法 第二節(jié)瞬變電磁概念 圖3 1瞬變電磁發(fā)射 圖3 2瞬變電磁接收 第二節(jié)瞬變電磁概念 瞬變電磁概念的三個(gè)部分 1 發(fā)射脈沖電流 脈沖電流產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng) 2 電磁感應(yīng) 變化的磁場(chǎng)在閉合回線中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與感應(yīng)電流 3 接收感應(yīng)電位 感應(yīng)電位即感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與感應(yīng)電流的商 即v i 電磁感應(yīng)定律 閉合電路中 磁通量發(fā)生變化就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 感應(yīng)電壓 感應(yīng)電流 圖1閉合電路通電后磁場(chǎng)分布 發(fā)射時(shí)序圖 1 左邊所示為一次發(fā)射與接收對(duì)應(yīng)時(shí)序圖 2 打個(gè)比方是照像機(jī)一樣 多照幾次 幾次的綜合 然后就是等效這次 這是提高信號(hào)分析能力的方法 這就是儀疊加次數(shù)的意思 一般設(shè)為64就可以了 意思就是重復(fù)了64次 3 其發(fā)射頻率為50hz整數(shù)倍 其抵消工頻電的干攏 4 抑制系數(shù) 代表每次接收信號(hào)的各道數(shù)字平均的偏離平均的大小 其偏離程度的消掉 一般設(shè)為1 設(shè)的越大 平均外消的越弱 5 中間一幅圖 就是盲區(qū)產(chǎn)生的原因 因?yàn)殡娮娱_(kāi)關(guān)有時(shí)間效應(yīng)的 其不是垂直下降 這個(gè)時(shí)候就是一次場(chǎng)還在慢慢消失 二次磁場(chǎng)也的接收 其造成二次磁場(chǎng)受到一次磁場(chǎng)影響 其就是盲區(qū)產(chǎn)生原因 其長(zhǎng)度一般為15米至20米左右 第三節(jié)瞬變電磁系統(tǒng)組成 圖2瞬變電磁系統(tǒng)組成圖 第四節(jié)瞬變電磁系統(tǒng)組成 圖3瞬變電磁接收信號(hào)示意圖 感應(yīng)電位 接收回線 時(shí)間 上圖t1就是第一道中心時(shí)間 其接收的v i就是縱坐標(biāo)的值 第四節(jié)瞬變電磁系統(tǒng)組成 圖4瞬變電磁電位衰減曲線 電阻率計(jì)算公式 深度換算公式 圖5瞬變電磁探測(cè)成果圖 第二部分瞬變電磁技術(shù)方法特點(diǎn)及ycs40瞬變電磁儀的特點(diǎn) 第一節(jié)瞬變電磁探測(cè)技術(shù)方法的特點(diǎn)第二節(jié)ycs40礦用瞬變電磁儀的特點(diǎn) 第一節(jié)瞬變電磁技術(shù)方法的特點(diǎn) 1 與井下直流電法 地震等物探方法相比 瞬變電磁為非接觸式探查技術(shù) 因此不受巷道耦合條件影響 適應(yīng)性廣 施工效率高 2 井下瞬變電磁法勘探可以將線圈置于巷道底板測(cè)量 探測(cè)巷道底板下一定深度內(nèi)含水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)線圈平行且接近巷道掘進(jìn)前方 可進(jìn)行巷道超前探查 當(dāng)線圈平行于巷道側(cè)幫 可探查巷幫內(nèi)或工作面內(nèi)低阻異常體發(fā)育特征 3 設(shè)備輕便 工作效率高 優(yōu)點(diǎn) 第一節(jié)瞬變電磁技術(shù)方法的特點(diǎn) 1 瞬變電磁方法存在一定 盲區(qū) 不同性能的儀器以及不同的工作裝置盲區(qū)范圍是不同的 我們的儀器采用的工作裝置盲區(qū)在20m左右 2 礦井環(huán)境下人文 電磁干擾因素較多 在礦井環(huán)境下 由于工作的需要 50hz的工頻干擾始終存在 除此之外 鐵軌 錨桿 錨鏈網(wǎng)等影響因素不利于瞬變電磁對(duì)低阻異常體的信號(hào)接收 即 低阻污染 現(xiàn)象 巷道中金屬影響程度不同將造成測(cè)點(diǎn)間數(shù)據(jù)不一致性 局限性 第一節(jié)瞬變電磁技術(shù)方法的特點(diǎn) 圖6瞬變電磁探測(cè)方向示意圖 線圈 探測(cè)方向 第一節(jié)瞬變電磁技術(shù)方法的特點(diǎn) 圖8工作面頂板探測(cè)方向示意圖 第二節(jié)ycs40礦用瞬變電磁儀的特點(diǎn) 我們公司的ycs40礦用瞬變電磁儀式結(jié)合各所高校 在多名專家教授的參與下 結(jié)合澳大利亞的terratem 加拿大的protem等多款國(guó)外先進(jìn)儀器的設(shè)計(jì)原理而研制開(kāi)發(fā) 管狀體設(shè)計(jì)模型thedesignedmodeloftubularshape 1 管狀體在高阻圍巖中的瞬變電磁場(chǎng) 管狀體的響應(yīng)曲線responseoftubularshapeprofile 如果當(dāng)一個(gè)測(cè)點(diǎn)往上突起時(shí) 說(shuō)明其導(dǎo)電性相比其它測(cè)點(diǎn)較好 分析軟件主要根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)分析異常 第三部分瞬變電磁技術(shù)能解決的地質(zhì)問(wèn)題及井下施工方法 1 掘進(jìn)巷道前方富水性超前探測(cè)與評(píng)價(jià) 2 工作面頂板 底板富水性探查與評(píng)價(jià) 3 老空水探測(cè) 4 其它水文異常探測(cè)從目前應(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看 礦井瞬變電磁已取得一定的應(yīng)用效果 由于礦井水文地質(zhì)的復(fù)雜性及物探方法本身所固有的多解性 礦井瞬變電磁方法發(fā)展道路還很長(zhǎng) 需不斷地實(shí)踐豐富其應(yīng)用技術(shù) 提高精度 第一節(jié)瞬變電磁技術(shù)能解決的地質(zhì)問(wèn)題 井下一切存在明顯電性差異的異常體均可利用該方法進(jìn)行探查 第二節(jié)井下施工方法 a 中心回線大線圈tx發(fā)射 小線圈rx接收 中心點(diǎn)重合 特點(diǎn) 異常特征最簡(jiǎn)單 橫向分辨率高 受一次場(chǎng)影響小 適用于測(cè)深勘探 由淺到深都有反應(yīng) b 重疊回線發(fā)射接收線圈重疊在一起 特點(diǎn) 異常特征簡(jiǎn)單 橫向分辨率低 受一次場(chǎng)影響最大 適用于中深部勘探 c 偶極裝置發(fā)射接收線圈相距一定距離 特點(diǎn) 異常特征復(fù)雜 橫向分辨率高 受一次場(chǎng)影響最小 適用于淺中部勘探d 大定源回線方式 工作裝置 中心回線 重疊回線 藕極裝置 大定源回線 1工作任務(wù) 1 瞬變電磁法的具體任務(wù)應(yīng)由任務(wù)書(shū)明確規(guī)定 任務(wù)書(shū)的內(nèi)容應(yīng)包括 a 項(xiàng)目名稱 工作地區(qū)和范圍 b 工作目的 勘查對(duì)象 c 工作比例尺 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo) d 提交的成果資料及時(shí)間 2 根據(jù)任務(wù)書(shū)工作地區(qū)的地質(zhì) 地球物理?xiàng)l件及其他有關(guān)資料編寫(xiě)設(shè)計(jì)書(shū) 其內(nèi)容應(yīng)包括 a 任務(wù)及目的要求 b 地質(zhì) 地球物理特征 c 工作方法與技術(shù) d 提交的成果 e 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo) 2資料收集a 工作地區(qū)的人文 氣象 交通等方面的資料 b 工作地區(qū)的巖性 水文地質(zhì)情況等 c 工作地區(qū)的地質(zhì)和地球物理資料等 3方法有效性分析 1 確定瞬變電磁方法的地質(zhì)任務(wù)或施工項(xiàng)目 在考慮勘查工作需要的前提下 首先要分析是否具有一定的地電條件 勘查目標(biāo)與圍巖之間是否存在明顯的電性差異 2 正演模擬 是論證方法有效性和開(kāi)展野外試驗(yàn)工作的依據(jù) 正演所選取的地電斷面類型及參數(shù)要以已知地段及不同工作區(qū)的實(shí)際斷面為參考 一般可由正演模擬求得最佳工作裝置及其尺寸 特別是坑道超前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的情況下 一定要先做正演模擬 得出小線框情況下的最佳裝置參數(shù) 3 凡屬下列情況之一者 只宜列為試驗(yàn)項(xiàng)目 4 尚未進(jìn)行瞬變電磁法試驗(yàn)工作 方法有效性尚不明確的新區(qū) 如第一次在該區(qū)域的礦井進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)時(shí) 一定要做正演模擬 5 外來(lái)電磁噪聲干擾較嚴(yán)重 使用現(xiàn)有儀器及觀測(cè)方法的效果受到影響的地區(qū) 如天電干擾比較嚴(yán)重的區(qū)域或者井下關(guān)斷電機(jī)工作時(shí) 6 探測(cè)目標(biāo)與圍巖之間的電性差異較小 或探測(cè)目標(biāo)物的相對(duì)規(guī)模不大 埋深較大 不能肯定是否能測(cè)出目標(biāo)物異常響應(yīng)的地區(qū) 礦井瞬變電磁法井下工作方法技術(shù) 觀測(cè)系統(tǒng) 1 迎頭超前探測(cè) 圖9 1常用觀測(cè)系統(tǒng)平面測(cè)點(diǎn)布置 圖9 2u形觀測(cè)系統(tǒng)平面測(cè)點(diǎn)布置 圖10瞬變電磁單個(gè)測(cè)點(diǎn)探測(cè)方向示意圖 在迎頭超前探測(cè)中 測(cè)點(diǎn)一般在巷道寬度允許的情況下采用圖9 1所示的常用觀測(cè)系統(tǒng) 同時(shí)需要掌握左右兩側(cè)幫的賦水性時(shí)可采取圖9 2u形觀測(cè)系統(tǒng) 基本要求 1 掌子面處浮矸石要清除干凈 為2m線框探測(cè)提供有效空間 2 采掘機(jī)退后10m 實(shí)在來(lái)不及退后 至少6m 2 移除一切影響探測(cè)的金屬器件 3 保持2m線框基本形狀 與掌子面壁 零距離 有效耦合 4 每一測(cè)點(diǎn)按一定方向從左至右或從右至左移動(dòng) 步距為0 2m左右 越小越好 一定要保證有效的數(shù)據(jù)量 掌子面處探測(cè)有效數(shù)據(jù)點(diǎn)不少于8個(gè) 5 每一測(cè)點(diǎn)可以測(cè)取三個(gè)方向 即頂板45度方向 順層方向和底板45度方向 見(jiàn)圖10所示 測(cè)取一點(diǎn)換至下一點(diǎn) 依次測(cè)量 保證記錄的連續(xù)性 中間不要任意調(diào)換探測(cè)方向或次序 即不要1號(hào)測(cè)點(diǎn)是頂板 順層和底板測(cè)量 到2號(hào)測(cè)點(diǎn)時(shí)變?yōu)榈装?順層和頂板測(cè)量 不利于室內(nèi)數(shù)據(jù)處理 2 巷道頂?shù)装遒x水性探測(cè)測(cè)點(diǎn)布置 圖12巷道斷面中tem法探測(cè)方向示意圖 圖13巷道平面中tem法測(cè)點(diǎn)布置示意圖 側(cè)幫基本要求 1 探測(cè)過(guò)程中盡量避開(kāi)金屬異物 對(duì)有金屬物影響的點(diǎn)要做好記錄 2 頂板探測(cè)過(guò)程中盡量與頂板巖層緊密耦合 減少空間介質(zhì)作用 3 探測(cè)點(diǎn)之間的距離即線框在橫向上的移動(dòng)步距應(yīng)在5 10m之間 測(cè)線較長(zhǎng)的測(cè)點(diǎn)點(diǎn)間距可選15m 一般來(lái)說(shuō)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)間距要小于15m 4 對(duì)異常體的探測(cè)與地震反射波法類似 通常從正常區(qū) 異常區(qū) 正常區(qū) 這樣便于對(duì)目標(biāo)異常體的有效對(duì)比 5 現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)時(shí)最好斷電 6 側(cè)幫探測(cè)時(shí) 有金屬網(wǎng)存在時(shí) 線圈則離金屬網(wǎng)20公分 7 記錄好測(cè)線在巷道空間的位置 其他技術(shù)要求同上 底板探測(cè) 12120風(fēng)巷正對(duì)底板tem探測(cè)