直流電法、高密度和瞬變電磁法簡介.doc

礦井直流電法勘探涵蓋了巷道頂底板電測深法和礦井高密度電阻率法這兩種方法，兩者屬于頻率域，而礦井瞬變電磁法則為時間域的方法。1 直流電法技術的基本原理直流電法勘探是測定巖石電阻率的傳統(tǒng)方法。它通過一對接地電極把電流供入大地中，而通過另一對接地電極觀測用于計算巖石電阻率所必需的電位或電位差信息（見圖1）。圖1 電法勘探工作原理示意圖一個點電源O 在均勻介質中的電場形態(tài)為球形(見圖2) ，每個球殼為一個等電位面，不同等電位面上A、B 兩點會產生電位差，電位差的大小與其通過的介質的導電性(電阻率)有關。此時通過直流電法儀測得A、B 兩點的電位差，即可計算出介質的視電阻率。圖2 點電源在均勻介質中的電場形態(tài)礦井直流電法勘探在井下巷道內安放物理場源和接收裝置，因測點位置靠近勘探對象，縮短了目標體的探測距離，許多在地表無法探測到的較小規(guī)模地電異常體，在井下可獲得較強異常響應，為提高電法勘探應用能力創(chuàng)造了有利條件。 巷道頂底板直流電測深法裝置形式固定MN法（施倫貝爾裝置）工作布置方式為A-M-O-N-B，即以 O 點為中心，兩邊對稱布置A、M、N、B四個電極四個電極按比例由近及遠同步移動。 圖1 施倫貝謝爾對稱四極測深法三極裝置（常用于井下迎頭超前探測）工作布置方式為A-MON-B（*）。即以 O點為中心，兩邊對稱布置M、N兩個電極，A、M、N三極由近及遠逐步移動，B極位于無窮遠處。圖2 三極測深法示意圖上述兩種裝置中A、B、均為供電電極，用于向巖層供電；M、N均為測量電極，用于探測地電場電壓，根據測出的電流、電壓值結合裝置系數就可以換算出地層視電阻率值。通過對不同深度地層的視電阻率值進行全方位探測和綜合分析，就可以達到探測巖性或構造的目的。礦井高密度電法巷道頂底板電測深法由于受其觀測方式的制約，不僅測點稀，工作效率低信息量小，而且更難從多種電極排列去研究地電斷面的特征、結構與分布。因此，所提供的關于地電斷面的地質信息貧乏，資料解釋存在相當困難。為了克服上述困難與不足，更好的發(fā)揮物探在工程勘察中的優(yōu)勢，便發(fā)展出了高密度電阻率這項新的勘探技術。其在原理上屬于電法勘探中電阻率法的范疇，它是以巖土體的電性差異為基礎，以研究在施加電場的作用下，地下傳導電流的變化分布規(guī)律，它是在常規(guī)電法勘探基礎上發(fā)展起來的一種新的勘探方法。高密度電法集中了常規(guī)剖面法和電測深法兩者的特點，不僅可以觀測地下一定深度范圍內橫向電性變化情況，同時還可以觀測垂向電性的變化特征，總體而言具有以下優(yōu)點：1、電極布設是一次完成的。雖然在工作開始觀測前要投入較大的工作量來完成多電極的布設工作，但這樣做可以防止因電極重復設置引起的干擾，減小了測量誤差。2、常規(guī)電阻率測深一次只能得到一條剖面上一個點的電阻率值，而高密度電法在電極布設好時可以得到一條剖面下整個斷面的電阻率參數。大量的信息使我們在異常解譯上排除電法工作的多解性有了較大的幫助。3、野外的數據采集、收錄實現自動化、智能化，因此可以方便的采集到同一深度上多個電阻率參數以及不同深度上電阻率參數。數據的自動存儲避免了人為的觀測記錄誤差，智能化可以實時看到地電斷面電阻率變化特征，便于與計算機聯接實現數據共享，便于后期資料處理。4、由于在一條地電斷面上有很多的電阻率值（所以稱之為高密度電阻率），在現代計算機技術的支持下，利用現在較成熟的應用軟件包，我們可以很方便的得到一條地電斷面異常圖，使我們很直觀的分析地質體的相對電性特征，從而了解異常地質體的埋深、規(guī)模等。而常規(guī)電阻率測深無法做到這一點。礦井高密度電法裝置形式高密度電法在野外工作時，將多電極按一定的間隔布置，觀測過程中電極按一定規(guī)律組合，一次布置電極可實現不同的觀測裝置。高密度電法野外工作是采用多種裝置形式，其各種裝置形式的工作示意圖如下：二極裝置Pole-Pole裝置系數K=2r，其中r為電極間距，AM=nr二極裝置P-Pole-Pole裝置系數K=2r，其中r為電極間距，AM=nr單邊三極裝置P-Dpole裝置系數K=2n(n+1)r，其中r為電極間距，n為隔離系數，AMnr，MNr偶極裝置Dpole-Dpole裝置系數K=2n(n+1)r，其中r為電極間距，n為隔離系數，AB=MB=r，BM=nr斯龍倍格裝置Schlumberger：裝置系數K=n(n+1)r，其中r為電極間距，n為隔離系數，MN=r,AM=NB=nr溫納裝置Wenner：裝置系數K=2r，其中r為電極間距，AM=MN=NB=nr2 礦井瞬變電磁技術的基本原理目前，國內外常采用的預測方法主要是根據礦井已有的水文地質、構造地質和鉆探資料，借助于各種物探方法進行綜合分析，而物探方法在井下探測水源體比地面物探具有獨特的優(yōu)勢。瞬變電磁法由于在煤礦防治水中的獨特優(yōu)勢，在巷道迎頭超前探測以及底板突水預測預報方面受到了廣泛的重視。瞬變電磁法，即Transient Electromagnetic Method（簡稱TEM），是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)送一次脈沖場，以激勵地層介質感生電磁場，在一次脈沖場間歇期間利用同一回線或電偶極接收感應電磁場（圖1）。其物理基礎是電磁感應原理，根據此理論，在電導率和磁導率均勻的大地上，鋪設輸入階躍電流的回線，當發(fā)送回線中電流突然斷開時，在下半空間就要被激勵起感應渦流場以維持在斷開電流前存在的磁場，此瞬間的電流集中在回線附近的地表，并按指數規(guī)律衰減。圖1 瞬變電磁法示意圖在發(fā)送一次脈沖磁場的間歇期間，觀測由地下地質體受激勵引起的渦流產生的隨時間變化的感應電磁場（或稱響應場）。地層介質被激勵所感應的二次渦流場強弱決定于地層介質所耦合的一次脈沖磁場磁力線的多少，二次場的大小與地下介質的電性有關：低阻地質體感應二次場衰減較慢，二次場電壓較大；高阻地質體感應二次場衰減較快，二次場電壓較小。根據二次場衰減曲線的特征，就可以判斷地下地質體的電性、性質、規(guī)模和產狀等，由于瞬變電磁儀接收的信號是二次渦流場的電動勢（純異常響應），對二次電位進行歸一化處理后。根據歸一化二次電位值的變化特征，可間接地探測各種地質構造問題。因此，瞬變電磁作為一種時間域的人工源地球物理電磁感應探測方法，是根據地質構造本身存在的物性差異來間接判斷有關地質現象的一種有效的地質勘探手段。由于特殊的井下施工環(huán)境，相對于其它方法而言，礦井瞬變電磁法有著很大的差異，主要有以下兩方面的優(yōu)點：（1）由于井下施工環(huán)境與地表不同，無法采用地表測量時的大線圈（邊長大于50m）裝置，只能采用邊長小