煤礦突水構造礦井瞬變電磁探測技術研究

1、.莂袆袂蒂蒅蠆膀蒁薇襖肆蒀蠆蚇肂葿葿羂羈葿薁螅芇蒈蚃羈膃蕆螆螄聿蒆蒅罿羅膂薈螂袁膂蝕羇膀膁莀螀膆膀薂肆肂腿蚄袈羈膈螇蟻芆膇蒆袇膂膇蕿蝕肈芆蟻裊羄芅莁蚈袀芄蒃袃艿芃蚅蚆膅節(jié)螈羂肁芁蕆螄羇芁蕿羀袃芀螞螃膁荿莁羈肇莈蒄螁羃莇薆羆罿莆螈蝿羋蒞蒈螞膄蒞薀袈肀莄蚃蝕羆莃莂袆袂蒂蒅蠆膀蒁薇襖肆蒀蠆蚇肂葿葿羂羈葿薁螅芇蒈蚃羈膃蕆螆螄聿蒆蒅罿羅膂薈螂袁膂蝕羇膀膁莀螀膆膀薂肆肂腿蚄袈羈膈螇蟻芆膇蒆袇膂膇蕿蝕肈芆蟻裊羄芅莁蚈袀芄蒃袃艿芃蚅蚆膅節(jié)螈羂肁芁蕆螄羇芁蕿羀袃芀螞螃膁荿莁羈肇莈蒄螁羃莇薆羆罿莆螈蝿羋蒞蒈螞膄蒞薀袈肀莄蚃蝕羆莃莂袆袂蒂蒅蠆膀蒁薇襖肆蒀蠆蚇肂葿葿羂羈葿薁螅芇蒈蚃羈膃蕆螆螄聿蒆蒅罿羅膂薈螂袁膂蝕羇膀

2、膁莀螀膆膀薂肆肂腿蚄袈羈膈螇蟻芆膇蒆袇膂膇蕿蝕肈芆蟻裊羄芅莁蚈袀芄蒃袃艿芃蚅蚆膅節(jié)螈羂肁芁蕆螄羇芁蕿羀袃芀螞螃膁荿莁羈肇莈蒄螁羃莇薆羆罿莆螈蝿羋蒞蒈螞膄蒞薀袈肀莄蚃蝕羆莃莂袆袂蒂蒅蠆膀蒁薇襖肆蒀蠆蚇肂葿葿羂羈葿薁螅芇蒈蚃羈膃蕆螆螄聿蒆蒅罿羅 煤礦突水構造礦井瞬變電磁探測技術研究重點推廣項目編號：AQT-3-66主要完成單位：中國礦業(yè)大學、山東棗莊礦業(yè)集團公司高莊煤礦項目內(nèi)容：本項目研究內(nèi)容屬應用地球物理學科領域，為礦井地球物理探測技術在煤礦防治水中的應用。項目研究采用井下試驗、理論分析、物理模型實驗和數(shù)值模擬相結合的方法，對不同地質(zhì)條件下采煤工作面頂、底板突水構造的全空間瞬變電磁響應特征進行了

3、深入研究，為礦井瞬變電磁數(shù)據(jù)處理和解釋工作奠定了基礎，同時為煤礦防治水工作提供了有效技術手段。主要研究內(nèi)容包括：1、礦井瞬變電磁法基本原理瞬變電磁法（Transient Electromagnetic Method，簡稱TEM）是利用不接地回線或電極向地下發(fā)送脈沖式一次電磁場，用線圈或接地電極觀測由該脈沖電磁場感應的地下渦流產(chǎn)生的二次電磁場的空間和時間分布，來解決有關地質(zhì)問題的時間域電磁法。2、礦井瞬變電磁法視電阻率定義目前地面瞬變電磁法視電阻率定義有多種方法，其中測量裝置以重疊回線或單回線組合（包括雙回線組合）為例，且為近區(qū)（晚期）測量，其視電阻率定義利用垂直磁偶極源耦合晚期測量的場與電阻率

4、為1的半空間測量場之比進行的。重疊回線組合晚期場視電阻率表達式為：式中和分別為不均勻介質(zhì)和電阻率為均勻介質(zhì)半空間晚期測量的垂直磁偶源磁場垂直分量對時間偏導數(shù)。礦井瞬變電磁法基本原理與地面瞬變電磁法基本一樣，其視電阻率的定義與地面定義基本相同。由于礦井瞬變電磁法感應場為全空間瞬變響應，視電阻率表達式與地面視電阻率表達式應有所區(qū)別，將礦井瞬變電磁法視電阻率表達式定義為：式中，同上式，C為常數(shù)。 式中M=SNI為發(fā)射回線磁偶距，S為發(fā)射回線的面積，N為雜數(shù)，I為供電電流強度。所以有：當接受回線面積為s，雜數(shù)為n，介質(zhì)中感應的渦流場在接受回線中產(chǎn)生的感應電位為：由于礦井瞬變電磁法測量接收回線中的感應電

5、位為全空間響應，可得到礦井瞬變電磁法視電阻率計算公式： 礦井瞬變電磁法視電阻率定義沒有考慮巷道空間的影響，這是因為礦井瞬變電磁法實際測量中，由于一次場關斷效應的影響，一般距離回線20m左右范圍內(nèi)的地層電性分布情況很難確定，而巷道尺寸一般小于5m，且巷道空間充滿空氣（高阻），因此，對測量結果不如礦井直流電法勘探影響大，實際勘探中一般忽略其影響。1）礦井瞬變電磁法時間深度換算技術由電磁場“煙圈效應”理論可知，電磁場在地下介質(zhì)中傳播速度V與地下電性介質(zhì)的分布和時間有關，因此，可定義電磁場傳播深度為時間的函數(shù)：式中為地下介質(zhì)電阻率，t為時間，如果用視電阻率代替上式中的，則深度定義為：由上式可知，如果已

6、知電磁場的傳播速度，即可計算不同時刻對應的深度。對于地下半空間為不均勻分布的導電介質(zhì)或任意導電介質(zhì)分布情況下，電磁波在地下傳播規(guī)律和均勻介質(zhì)一樣，必須滿足麥克斯韋方程組，其發(fā)現(xiàn)回線中心電磁場垂直擴散速度與均勻介質(zhì)情況擴散速度滿足一定比例關系，即任意導電介質(zhì)分布情況下電磁場垂直擴散速度和深度D為： 式中 ，為時刻對應視電阻率值，為換算系數(shù)，通過理論模型和實際資料驗證，系數(shù)值在0.40.6范圍內(nèi)。發(fā)射回線的尺寸a對電磁場的擴散速度（深度）也產(chǎn)生影響，為了研究這種影響規(guī)律，指導實際測量選擇合理的回線尺寸。對電阻率為1的導電半空間中，發(fā)射回線為正方形回線，邊長b分別為2m（相當于偶極源）、50m、10

7、0m、200m的各種回線邊長的變化，四條曲線的電磁場擴散速度并不相同，說明回線邊長不同，影響電磁場的擴算速度，即影響時間深度換算結果。隨著發(fā)射回線邊長的逐漸增大，曲線之間重合部分減少，分離愈明顯。在較晚時間段，四條曲線趨于重合，說明大回線中心電磁場擴散速度比同樣速度的小回線時間來得晚，這是因為電磁場由回線邊傳播到回線中心，小回線所需時間比大回線少。因此，實際進行時間深度換算時，回線大小不能忽略。2、礦井瞬變電磁法觀測系統(tǒng)研究由于礦井瞬變電磁法測量環(huán)境與地面差別很大，回線組合觀測系統(tǒng)不能按地面條件選擇。一是井下目的物距離測點較近（100m左右），二是井下地質(zhì)環(huán)境完全不同于地面，不能采用地面大的各

8、種回線組合觀測系統(tǒng)（一般邊長100m左右）在井下測量，只能采用邊長在2m左右的回線組合觀測系統(tǒng)測量。為了保證有足夠的發(fā)射功率和能感應到足夠強的有用的信息，采用多雜數(shù)的小回線組合觀測系統(tǒng)測量。礦井瞬變電磁法應用于井下主要為了探測巷道不同位置和不同形態(tài)的含水構造，而礦井突水構造主要為導水斷層（一般傾角較大）、含水巖溶、富水陷落柱和老窯水等，這些突水構造分別可以用近直立的薄脈、圓柱體和球體等低阻模型模擬。通過理論分析、物理模型實驗和井下試驗，提出礦井瞬變電磁法在井下探測主要采用重疊回線組合和雙回線組合兩種觀測系統(tǒng)。3、礦井瞬變電磁井下干擾瞬變響應特征研究井下瞬變電磁測量巷道中，周圍金屬物主要有鐵軌、

9、工字鋼、錨桿、巷道側(cè)幫排水管道和運輸皮帶支架等，井下實際測量結果說明，這些金屬設施會產(chǎn)生很強的瞬變電磁響應，是礦井瞬變電磁法勘探主要噪聲；系統(tǒng)噪聲無論是地面還是井下瞬變電磁法測量均受到影響，通過選擇合理的回線組合、回線大小和觀測參數(shù)，可使系統(tǒng)噪聲減弱。此外，由于澳大利亞產(chǎn)SIROTEM-3型瞬變電磁儀器對50Hz和60Hz的交流電磁場干擾有自動壓制功能，因此，無論是地面或井下對工業(yè)用電電壓不太高的交流電磁場的影響可忽略。創(chuàng)新點：1、首次將瞬變電磁法應用于煤礦井下探測突水構造，建立了礦井瞬變電磁法的技術體系；2、從地面瞬變電磁場理論出發(fā)，得出了全空間瞬變電磁場特點和典型地電模型的全空間瞬變響應特

10、征；3、從理論上分析重疊回線和雙圈回線瞬變電磁場分布特征，通過物理模擬和井下試驗研究，提出了礦井瞬變電磁井下觀測系統(tǒng)，建立了礦井瞬變電磁法的井下施工技術；4、首次研究了巷道內(nèi)各種金屬設施瞬變電磁響應特征，提出了這些干擾剔除的數(shù)學模擬和方法技術；5、導出了礦井瞬變電磁法視電阻率計算和時間深度換算公式；6、總結了礦井瞬變電磁探查井下不同方位、不同形態(tài)突水構造的視電阻率異常特征，建立了資料解釋方法。應用情況：1998年起，中國礦業(yè)大學利用SIROTEM-3型瞬變電磁儀從事礦井瞬變電磁法的試驗、應用工作。近幾年來，在徐州礦務集團、大屯煤電公司、兗州礦務集團有限公司、淮北礦業(yè)集團公司、皖北煤電有限公司、

11、平頂山天安煤業(yè)股份有限公司、潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司、河南龍宇能源股份有限公司、山東東山礦業(yè)有限責任公司等礦務局的四十多對礦井應用于圈定底板導（含）水斷層、裂隙發(fā)育帶等垂直導水通道，確定底板含、隔水層厚度，探查灰?guī)r巖溶發(fā)育程度和連通情況、煤層頂板賦水性及掘進巷道超前探測等，均取得較好的應用效果，獲得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。2005年采用礦井瞬變電磁法先后對皖北煤電有限公司任樓煤礦、祁東煤礦、安徽恒源煤電股份有限公司、山東棗莊礦業(yè)集團公司等煤礦煤層頂、底板富水構造進行探測，和以往沒采用該方法相比大大減少鉆孔數(shù)量，降低成本，為煤礦防治水工作提供可靠地質(zhì)資料，避免工作面煤層底板突水事故發(fā)生。

12、完成探測測線長度約56000m，工作面在未做礦井瞬變電磁探測工作前一般在巷道內(nèi)每隔50m布置一個鉆孔對頂、底板進行注漿或防水，而根據(jù)礦井瞬變電磁探測結果，對有異常區(qū)域布置鉆孔，無異常區(qū)域不用布置鉆孔，按工作面百米巷道少布置1.5個鉆孔（根據(jù)多年礦井瞬變電磁探測結果和需要布置鉆孔數(shù)量分析）每個鉆孔平均深度100m、鉆孔按300元/m成本計算，共節(jié)約費用720萬元，不僅給本礦生產(chǎn)節(jié)約大量的時間和成本，同時帶來巨大的社會效益。 羈莃薇蚆羇蒅螃肅羆芅薅羈羅莇袁袇羄蒀蚄螃羄薂蕆肂羃節(jié)螞羈肂莄蒅袃肁蒆蝕蝿肀膆蒃螅聿莈蝿肄肈蒁薁羀肈薃螇袆肇節(jié)薀螂肆蒞螅蚈膅蕆薈羇膄膇螃袃膃艿薆衿膂蒁袂螅膂薄蚅肅膁芃蕆罿膀莆蚃裊腿蒈蒆螁羋膈蟻蚇芇芀蒄羆芆莂蠆羂芆薅蒂袈芅芄螈螄芄莆薁肂芃葿螆羈節(jié)薁蕿襖莁芁螄螀羈莃薇蚆羇蒅螃肅羆芅薅羈羅莇袁袇羄蒀蚄螃羄薂蕆肂羃節(jié)螞羈肂莄蒅袃肁蒆蝕蝿肀膆蒃螅聿莈蝿肄肈蒁薁羀肈薃螇袆肇節(jié)薀螂肆蒞螅蚈膅蕆薈羇膄膇螃袃膃艿薆衿膂蒁袂螅膂薄蚅肅膁芃蕆罿膀莆蚃裊腿蒈蒆螁羋膈蟻蚇