CUGTEM—8 礦井瞬變電磁儀簡介

1、 2010.05年CUGTEM礦井瞬變電磁儀礦井瞬變電磁儀礦用型瞬變電磁儀應(yīng)用案例礦用型瞬變電磁儀應(yīng)用案例附件：礦用型瞬變電磁儀技術(shù)指標(biāo)附件：礦用型瞬變電磁儀技術(shù)指標(biāo)瞬變電磁法原理瞬變電磁法原理礦井瞬變電磁法簡介礦井瞬變電磁法簡介 瞬變電磁儀的研究歷程 我所秉承中國地質(zhì)大學(xué)“艱苦樸素、求真務(wù)實”的態(tài)度，進行瞬變電磁儀方面的研究至今已有十五年，并且已升級更新了四代。從第一代儀器的笨重，到第四代率先在國際上實現(xiàn)200A大電流連續(xù)方波供電，我所也經(jīng)歷了一個輝煌的飛躍。如今，我所的第四代儀器具有輕便、保愚性與安全性好、采樣率高、多重抗干擾技術(shù)及先進的解釋軟件系統(tǒng)的性能和特點，更方便于野外作業(yè)，測量更加

2、準(zhǔn)確。在第四代瞬變系列儀器的深入研究中，我所更是在國內(nèi)首次研發(fā)并生產(chǎn)出，能夠安全作業(yè)的礦用型瞬變電磁儀。第一代瞬變電磁儀第一代瞬變電磁儀地大高科資源探測儀器研究所地大高科資源探測儀器研究所瞬變電磁法原理瞬變電磁法原理礦井瞬變電磁法簡介礦井瞬變電磁法簡介礦用型瞬變電磁儀應(yīng)用案例礦用型瞬變電磁儀應(yīng)用案例附件：礦用型瞬變電磁儀技術(shù)指標(biāo)附件：礦用型瞬變電磁儀技術(shù)指標(biāo) 技術(shù)原理 瞬變電磁法（Transient Electromagnetics Method, TEM）是以地殼中巖（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，在一次脈沖磁場的

3、間隙期間，利用線圈或接地電極觀測二次渦流場，并研究該場的空間與時間分布規(guī)律, 來尋找地下礦產(chǎn)資源或解決其它地質(zhì)問題的一支時間域電磁法。下圖即為瞬變電磁法原理的圖解。 瞬變電磁法原理瞬變電磁法原理電導(dǎo)率=0.1S/mT發(fā)射回線均勻半空間煙圈 瞬變電磁法特點 瞬變電磁法具有以下特點： 1、觀測斷電后的純二次場，克服了復(fù)雜的一次場補償問題，受地形影響較小； 2、單脈沖激發(fā)就可得到多信息的整條瞬變電場衰減曲線，通過加大發(fā)射功率和多次疊加，可大幅度地提高信噪比，加大勘探深度； 3、采用不接地回線裝置，適宜于各種地理環(huán)境下的野外工作； 4、由于瞬變電磁法的探測深度取決于大地電阻率和儀器的采樣時間和功率，故

4、可通過調(diào)節(jié)發(fā)送功率、儀器采樣時間，方便地控制探測范圍； 5、采用不同的裝置形式，可以相應(yīng)地提高橫向、縱向分辨能力； 6、對發(fā)送回線的形狀、方位和點位要求不嚴(yán)，測地工作簡單，可通過流水作業(yè)達到極高的工作效率； 7、在高阻圍巖地區(qū)不會產(chǎn)生地形起伏的假異常。瞬變電磁法原理瞬變電磁法原理 實現(xiàn)過程 基本的實現(xiàn)過程是：發(fā)送機將電源的能量發(fā)送到發(fā)送回線，發(fā)射周期方波信號到指定區(qū)域，然后由接收回線接收指定區(qū)域的反饋信號并經(jīng)過放大器傳回接收機，接收機把電磁信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號傳輸進主機，由主機進行信號分析并且得出相關(guān)結(jié)論顯示在屏幕上。其中對信號通過軟件處理即能及時分析和反饋正是我公司產(chǎn)品的技術(shù)核心，也是整個系統(tǒng)

5、的關(guān)鍵之處。瞬變電磁法原理瞬變電磁法原理 瞬變電磁法的應(yīng)用領(lǐng)域 瞬變電磁法由于具有許多傳統(tǒng)直流電法不可比擬的優(yōu)點，是當(dāng)今得以迅速發(fā)展推廣的新一代電磁勘探方法。瞬變電磁法按照工作空域，可分為航空瞬變、地面瞬變、地下（礦用）瞬變、海洋瞬變，本文主要涉及地下瞬變（礦井瞬變電磁法）。 地下水探測探測 。瞬變電磁法可用于找水、咸淡水區(qū)分、地下電性分層、圈定地下充水溶洞； 尋找多金屬礦床； 煤層及煤層采空（塌陷）區(qū)及其充水區(qū)探測； 陡傾角、斷層、巖脈等地質(zhì)構(gòu)造探測。礦用型瞬變電磁儀應(yīng)用案例礦用型瞬變電磁儀應(yīng)用案例附件：礦用型瞬變電磁儀技術(shù)指標(biāo)附件：礦用型瞬變電磁儀技術(shù)指標(biāo)礦井瞬變電磁法簡介礦井瞬變電磁法簡

6、介瞬變電磁法原理瞬變電磁法原理瞬變電磁法原理瞬變電磁法原理 礦井瞬變電磁法 礦井瞬變電磁法基本原理與地面瞬變電磁法基本原理相同。所不同的是，礦井瞬變電磁法是在井下巷道內(nèi)進行，瞬變電磁場呈全空間分布（見圖），全空間效應(yīng)成為礦井瞬變電磁法固有的問題。煤層一般情況下為高阻介質(zhì)，電磁波易于通過，所以煤層對TEM來說就沒有像對直流電場那樣的屏蔽性，故接收線圈接收到的信號是來自發(fā)射線圈周圍全空間巖石電性的綜合反映。因而在判定異常體空間位置時，需根據(jù)線圈平面的法線方向并結(jié)合地質(zhì)資料加以綜合分析確定。 由于特殊的井下施工環(huán)境，礦井瞬變電磁法與地面瞬變電磁法以及其它的礦井物探方法有很大的不同，主要有以下幾方面的

7、特點： 1、受井下巷道施工空間所限，無法采用地表測量時的大線圈（邊長大于50m）裝置，只能采用邊長小于3m的多匝小線框，因此與地面瞬變電磁法相比具有測量設(shè)備輕便，工作效率高，成本低等優(yōu)點，可用于其他礦井物探方法無法施工的巷道（巷道長度有限或巷道掘進迎頭超前探測等）。 礦井瞬變電磁法簡介礦井瞬變電磁法簡介t0t=t3t=t2t=t1XTxZ-Z圖 全空間瞬變電磁場的傳播 2、由于采用小線圈測量，點距更密（一般為220m），體積效應(yīng)降低，橫向分辨率提高，再者測量裝置靠近目標(biāo)體，異常體感應(yīng)信號較強，具有較高的探測靈敏度。 3、利用小線框發(fā)射電磁波的方向性，可以探測采煤工作面頂、底板含水異常體的空間分

8、布，探測巷道迎頭掘進前方隱伏的導(dǎo)（含）水構(gòu)造。 4、受發(fā)射電流關(guān)斷時間的影響，早期測量信號畸變，無法探測到淺層的地質(zhì)異常體，一般存在20m左右的淺部探測盲區(qū)。 5、井下施工時，測量數(shù)據(jù)容易受到金屬物（采煤機械、變壓器、金屬支架、排水管道等）的干擾，需要在資料處理解釋中進行校正或剔除。 目前，礦井瞬變電磁法主要用于解決煤層頂板（或底板）巖層內(nèi)部的富水異常區(qū)探測、巷道掘進迎頭前方的突水構(gòu)造預(yù)測、含水陷落柱勘查等水文地質(zhì)問題。礦瞬變電磁法簡介礦瞬變電磁法簡介 測點布置及施工方法 于巷道內(nèi)設(shè)置可通一定波形電流的發(fā)射線圈，從而在其周圍空間產(chǎn)生一次磁場，并在巷道周圍導(dǎo)電巖礦體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，斷電后，感應(yīng)電

9、流由于熱損耗而隨時間衰減，衰減過程一般分為早、中和晚期。早期的電磁場相當(dāng)于頻率域中的高頻成分，衰減快，趨膚深度小; 而晚期成分則相當(dāng)于頻率域中的低頻成分，衰減慢，趨膚深度大。通過測量斷電后不同時間的二次場隨時間變化規(guī)律，可得到不同深度的地電特征。礦井瞬變電磁法簡介礦井瞬變電磁法簡介 礦井瞬變電磁法在煤礦井下巷道迎頭附近進行，以扇形方式進行探測。根據(jù)多匝小線框發(fā)射電磁場的方向性，可認(rèn)為線框平面法線方向即為瞬變探測方向。因此，將發(fā)射接收線框平面分別對準(zhǔn)煤層頂板、底板或平行煤層方向進行探測，就可反映煤層頂、底板巖層或平行煤層內(nèi)部的地質(zhì)異常（見圖）。其線框所在平面與頂?shù)装鍔A角視探測要求與煤層傾角而定。

10、礦井瞬變電磁法簡介礦井瞬變電磁法簡介 （a） 煤層頂板 巷道 600 探測方向 發(fā)射線框 煤層 （b） 煤層頂板 巷道 探測方向 發(fā)射線框 煤層 （c） 煤層頂板 巷道 探測方向 發(fā)射線框 煤層 礦井瞬變電磁法能解決的地質(zhì)問題 1、探測采掘工作面煤層頂、底板含水構(gòu)造發(fā)育空間位置；富水區(qū)域磁法簡介磁法簡介 2、探測掘進巷道迎頭前方及其頂、底板含水構(gòu)造發(fā)育情況；迎頭陷 落 柱斷 層巷 道 斷 面礦井瞬變電磁法簡介礦井瞬變電磁法簡介 3、工作面切眼外側(cè)或巷道外側(cè)幫斷層富水性探測。斷層斷層斷層工作面礦井電磁法簡介礦井電磁法簡介礦用型瞬變電磁儀應(yīng)用案例礦用型瞬變電磁儀應(yīng)用案例附件：礦用型瞬變電磁儀技術(shù)指

11、標(biāo)附件：礦用型瞬變電磁儀技術(shù)指標(biāo)礦井瞬變電磁法簡介礦井瞬變電磁法簡介瞬變電磁法原理瞬變電磁法原理 案例1：江蘇徐州天能集團某煤礦的732工作面 1、探測結(jié)果分析 圖1-1為732 材料道頂板方向視電阻率斷面圖，從圖上可知，在巷道內(nèi)測量點140米處存在一個低阻異常體（即圖中所標(biāo)注的A異常區(qū)），該范圍內(nèi)視阻率值小于6 ，可解釋為裂隙局部發(fā)育且部分富水的反映。在其他范圍內(nèi)電視電阻率值總體上較為均勻，且大于10 。說明732材料道外側(cè)頂板方向總體上完成性較好，但在140米標(biāo)號處存在一個低阻異常區(qū)。 圖1-2為732 材料道順層方向視電阻率斷面圖，從圖上可以看出有兩個主要的低阻異常區(qū)，即圖中所標(biāo)注的B和

12、C異常區(qū)。B異常區(qū)位于390米標(biāo)注處，C異常區(qū)位于300米標(biāo)注處。這兩處異常可解釋為斷層對盤局部裂隙發(fā)育且充水的反映?？傮w上看在順煤層方向上斷層與煤層的邊界反映較為明顯，即圖中8 電阻率等值線對應(yīng)的位置（圖中紅虛線所示位置），到732材料道的均勻距離約為45米。 圖1-3為732 材料道底板方向視電阻率斷面圖。圖中有4個主要的低阻異常區(qū)，即D、E、F和G異常區(qū)。其中D、E和F三個異常區(qū)影響范圍較大，D位于巷道標(biāo)號330370米范圍、E位于巷道標(biāo)號210310米范圍、F位于巷道標(biāo)號140170米范圍。這三個異常可解釋為在煤層底板方向的斷層裂隙發(fā)育且部分充水的反映。礦用型瞬變電磁儀應(yīng)用實例礦用型瞬

13、變電磁儀應(yīng)用實例020406080100120140160180200220240260280300320340360380400420440460480500-110-100-90-80-70-60-50-40-30-110-100-90-80-70-60-50-40-30600600600600600600600600600600600600600600600600600600600600600590590590590590590590590590590590590590590590590590590590590590580580580580580580580580580580580580

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24、909090909090909090909090909090A圖圖1-1 732 材料道頂板方向視電阻率斷面圖材料道頂板方向視電阻率斷面圖 020406080100120140160180200220240260280300320340360380400420440460480500-110-100-90-80-70-60-50-40-30-110-100-90-80-70-60-50-40-306006006006006006006006006006006006006006006006006006006006006005905905905905905905905905905905905905

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47、在一個低阻異常體（即A異常區(qū)）；物探定義為弱含水區(qū)； 2）在順煤層方向外側(cè)存在兩個異常區(qū)，即B異常區(qū)位于390米標(biāo)注處，C異常區(qū)位于300米標(biāo)注處；兩異常為弱含水反映，對回采工作不會造成影響。 3）在煤層底板方向外側(cè)存在四個異常區(qū)，D位于巷道標(biāo)號330370米范圍、E位于巷道標(biāo)號210310米范圍、F位于巷道標(biāo)號140170米范圍。這些異常區(qū)域可解釋為斷層局部裂隙發(fā)育且充水的反映；由于底板的導(dǎo)水裂隙帶距底板仍有4060m的距離，在回采工作中只要對物探異常區(qū)給予高度的注意，做好底板的適時加固工作，對732工作面的安全回采基本不會造成影響。 4）斷層邊界到732材料道的平均距離約為45米，具體見探

48、測成果圖（見上頁）。礦用型瞬變電磁儀應(yīng)用實例礦用型瞬變電磁儀應(yīng)用實例 案例2：某煤礦東風(fēng)井南石門下山迎頭富水性 為了查明東風(fēng)井南石門下山迎頭正前方100m以內(nèi)、前方底板60m 以上范圍內(nèi)是否存在富水性地質(zhì)構(gòu)造，并對巷道迎頭附近右側(cè)的富水情況進行探測，迎頭采用礦井瞬變電磁法進行超前探測，以便為巷道安全掘進提供技術(shù)資料。 根據(jù)礦井瞬變電磁場擴散特征，探測上、下部垂向深度與水平深度近似相等。根據(jù)TEM視電阻率擬斷面圖，綜合地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，可確定沿橫向和探測方向電性變化情況。圖2-1、圖2-2和圖2-3是在東風(fēng)井南石門軌道下山迎頭分別沿底板方向、順層方向和巷道頂板方向超前探測視電阻率等值線圖。 圖

49、2-1為沿底板方向探測得到的瞬變電磁法視電阻率等值線圖。從圖上可知，巷道底板沿探測方向0-60米深度范圍總體視電阻率橫向近均勻變化，說明該地段底板地層相對穩(wěn)定，裂隙欠發(fā)育，無明顯導(dǎo)水通道，總體視電阻率值較大，大于30 ，說明探測范圍內(nèi)底板地層弱含水。左右兩側(cè)的低阻區(qū)域為巷道錨網(wǎng)支護影響所致。礦用型瞬變電磁儀應(yīng)用實例礦用型瞬變電磁儀應(yīng)用實例 圖2-2為沿順層方向探測得到的瞬變電磁法視電阻率等值線圖。從圖中可知，總體視電阻率值相對較高，巷道迎頭前方40-90米左側(cè)幫地段視電阻率等值線發(fā)生變化，存在一個相對低阻封閉的區(qū)域，該地段可能發(fā)育小構(gòu)造，因為其對應(yīng)的視電阻率最小值大于25 ，巖性以細(xì)砂巖為主具

50、含水性。巷道迎頭前方30-70米地段右側(cè)幫前方40-80地段視電阻率等值線發(fā)生變化，存在一個相對低阻封閉的區(qū)域，該地段地層具含水性地層相對破碎可能發(fā)育小構(gòu)造。 圖2-3為沿頂板方向探測得到的瞬變電磁法視電阻率等值線圖。從圖中可知，巷道迎頭左側(cè)前上方（沿探測方向）約40-80米范圍視電阻率相對較低，可解釋為該地段內(nèi)頂板砂巖裂隙發(fā)育具含水性。 從頂板順層到底板，三方向左側(cè)幫小于25 的等值線范圍逐漸減小，說明巷道迎頭前方60-90米左側(cè)幫頂板細(xì)紗巖具含水性。 綜合分析三圖可知，巷道迎頭正前方約60-90米地段頂板砂巖裂隙相對發(fā)育，具含水性，掘進該地段頂板會有少量淋水，應(yīng)排好排水管跟泵作業(yè)，確保安全

51、掘進。變電磁儀應(yīng)用實例變電磁儀應(yīng)用實例-100-90-80-70-60-50-40-30-20-1001020304050607080901000102030405060708090100110巷道掘進方向礦用型瞬變電磁儀應(yīng)用實例礦用型瞬變電磁儀應(yīng)用實例圖圖2-1 底板方向視電阻率等值線圖底板方向視電阻率等值線圖 礦用型瞬變電磁儀應(yīng)用實例礦用型瞬變電磁儀應(yīng)用實例圖圖2-2 順層方向視電阻率等值線圖順層方向視電阻率等值線圖 -100-90-80-70-60-50-40-30-20-1001020304050607080901000102030405060708090100110巷道掘進方向礦用型

52、瞬變電磁儀應(yīng)用實例礦用型瞬變電磁儀應(yīng)用實例圖圖2-3頂板方向視電阻率等值線圖頂板方向視電阻率等值線圖-100-90-80-70-60-50-40-30-20-1001020304050607080901000102030405060708090100110巷道掘進方向 案例3：山東兗州礦務(wù)局某煤礦 礦區(qū)人為引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重影響礦區(qū)人民生活和礦產(chǎn)城市的可持續(xù)發(fā)展，成為礦產(chǎn)城市社會不穩(wěn)定的重大誘發(fā)因素。2008年7月，山東兗州礦務(wù)局某煤礦進行底板賦水性探測，目的就是避免礦難災(zāi)害發(fā)生、保障礦業(yè)工人的人生安全、避免重大經(jīng)濟損失。 礦用型瞬變電磁儀應(yīng)用實例礦用型瞬變電磁儀應(yīng)用實例巷道底板巷道巷道掘進

53、面巷道頂板瞬變電磁儀應(yīng)用實例瞬變電磁儀應(yīng)用實例應(yīng)用案例：兗州礦物局煤礦巷道底板探測根據(jù)工區(qū)的實際情況，使用礦用型瞬變電磁儀，在巷道底板工區(qū)布點14個，點距為5m；發(fā)射線圈為4匝1.5m1.5m，發(fā)射電流強度25A；接收線圈為32匝1.5m1.5m，供電脈寬10ms，最大采樣時間63ms。通過對采集數(shù)據(jù)的解釋，TEM成果圖非常清楚確定，準(zhǔn)確的在底板下70m和100m處找到賦水區(qū)，完全達到了勘查目的，山東兗州礦務(wù)局對我所的礦用型瞬變電磁儀的性能非常滿意。 0102030405060708090100-120-110-100-90-80-70-60-50-40-30通過對采集數(shù)據(jù)的解釋，TEM成果圖

54、非常清楚確定，準(zhǔn)確的在底板下70m和100m處找到賦水區(qū)。 瞬變電磁法在煤礦防治水領(lǐng)域的應(yīng)用案例瞬變電磁法在煤礦防治水領(lǐng)域的應(yīng)用案例 應(yīng)用案例1：采空塌陷情況勘查河北某煤礦 河北某煤礦周邊曾有許多小煤窯生產(chǎn)，由于小煤窯無序生產(chǎn)，致該礦工作面出現(xiàn)大范圍裂縫。 在工作面內(nèi)進行勘查，目的是為了分析解釋工作面內(nèi)的斷層及采空區(qū)的準(zhǔn)確位置，以避免礦難災(zāi)害發(fā)生，保證安全生產(chǎn)。該勘查使用瞬變電磁儀共布設(shè)6個測點，剖面長度80米。勘探數(shù)據(jù)正反演表明，在70130M之間煤系地層視電阻率等值線出現(xiàn)明顯異常，塌陷電性特征非常明顯；50至80號點之間深230260米處，采空區(qū)特征異常明顯。后打鉆驗證塌陷區(qū)在深97米，采

55、空區(qū)在埋深250米，勘探結(jié)果與實際情況非常吻合，得到礦方的高度評價。瞬變電磁儀應(yīng)用實例瞬變電磁儀應(yīng)用實例采空區(qū)采空區(qū)0102030405060708090100110120130140150160170180190200210220230240020406080100120140160180200220240CUGTEM-8瞬 變 電 磁 儀 1視 電 阻 率 擬 斷 面 圖-350-340-330-320-310-300-290-280-270-260-250-240-230-220-210-200-190-180-170-160-150-140-130-120-110-100-90-80-70-60-50-40-30-20-100-350-340-330-320-310-300-290-280-270-260-250-240-230-220-210-200-190-180-170-160-150-140-130-120-110-100-90-80-70-60-50-40-30-20-1002號 煤 層 采 空 區(qū)4號 煤 層 采 空 區(qū)8號 煤 層 采 空 區(qū)應(yīng)用案例2： CUGTEM-8大功率瞬變電