第七章礦井瞬變電磁法

第七章礦井瞬變電磁法勘探技術(shù)

2012年9月18日資源環(huán)境學(xué)院1HenanPolytechnicUniversity主講人：

楊雙安

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2012年9月18日資源環(huán)境學(xué)院前言三個問題（1）該物探技術(shù)方法能解決哪些地質(zhì)問題？（2）該物探方法為什么能解決那些地質(zhì)問題？（3）該物探方法是怎么解決那些地質(zhì)問題的？

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2012年9月18日資源環(huán)境學(xué)院7.1瞬變電磁法原理3一、電磁感應(yīng)定律概念：閉合電路中，磁通量發(fā)生變化就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢（感應(yīng)電壓）、感應(yīng)電流。圖1閉合電路通電后磁場分布4

HenanPolytechnicUniversity二、瞬變電磁系統(tǒng)組成圖2瞬變電磁系統(tǒng)組成圖5

HenanPolytechnicUniversity三、瞬變電磁概念瞬變電磁法（TransientElectromagneticsMethod,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)問題的一支時間域的電磁法。6

HenanPolytechnicUniversity圖3-1瞬變電磁發(fā)射圖3-2瞬變電磁接收7

HenanPolytechnicUniversity四、瞬變電磁物理基礎(chǔ)電磁法探測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，而在橫向上相對比較均一。當(dāng)存在構(gòu)造破碎帶時，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。8

HenanPolytechnicUniversity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，無論其含水與否，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)的電磁法探測方法提供了良好的地質(zhì)條件。9

一、井下瞬變電磁技術(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量，探測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。7.2井下瞬變電磁技術(shù)方法特點(diǎn)10

局限性（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15m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低阻異常體的信號接收，即“低阻污染”現(xiàn)象，巷道中金屬影響程度不同將造成測點(diǎn)間數(shù)據(jù)不一致性。11

圖4瞬變電磁探測方向示意圖12

圖5瞬變電磁超前探測成果示意圖13

圖6工作面頂板探測方向示意圖14

（1）掘進(jìn)巷道前方富水性超前探測與評價（2）工作面頂板、底板富水性探查與評價；（3）回采工作面老空水探測；（4）封閉不良鉆孔，廢棄巷道探查（5）其它水文異常探測二、瞬變電磁技術(shù)方法能解決的地質(zhì)問題15

7.3井下工作裝置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)：異常特征最簡單，橫向分辨率高，受一次場影響小，適用于測深勘探，由淺到深都有反應(yīng)。16

b、重疊回線發(fā)射接收線圈重疊在一起。特點(diǎn)：異常特征簡單，橫向分辨率低，受一次場影響最大，適用于中深部勘探。17

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，受一次場影響最小，適用于淺中部勘探18

d、大定源回線

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資源環(huán)境學(xué)院7.4觀測系統(tǒng)（1）迎頭超前探測19

圖7-1常用觀測系統(tǒng)平面測點(diǎn)布置

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圖7-2U形觀測系統(tǒng)平面測點(diǎn)布置

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圖7-3扇形觀測系統(tǒng)平面測點(diǎn)布置

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圖8瞬變電磁單個測點(diǎn)探測方向示意圖

HenanPolytechnicUniversity2012年9月18日資源環(huán)境學(xué)院23在迎頭超前探測中，測點(diǎn)一般在巷道寬度允許的情況下采用圖7-1所示的常用觀測系統(tǒng)。另外，在巷道寬度較窄時可采用圖7-3扇形觀測系統(tǒng)，同時需要掌握左右兩側(cè)幫的賦水性時可采取圖7-2U形觀測系統(tǒng)。迎頭超前探測基本要求：1）掌子面處浮矸石要清除干凈，為2m線框探測提供有效空間；2）移除一切影響探測的金屬器件；3）保持2m線框基本形狀，與掌子面壁“零距離”有效耦合；

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2012年9月18日資源環(huán)境學(xué)院244）每一測點(diǎn)按一定方向從左至右或從右至左移動，步距為0.2m左右，越小越好，一定要保證有效的數(shù)據(jù)量。掌子面處探測有效數(shù)據(jù)點(diǎn)不少于8個；5）每一測點(diǎn)可以測取三個方向，即頂板45度方向，順層方向和底板45度方向（見圖8所示）。測取一點(diǎn)換至下一點(diǎn)，依次測量，保證記錄的連續(xù)性。中間不要任意調(diào)換探測方向或次序，即不要1號測點(diǎn)是頂板、順層和底板測量，到2號測點(diǎn)時變?yōu)榈装?、順層和頂板測量，不利于室內(nèi)數(shù)據(jù)處理。

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2012年9月18日資源環(huán)境學(xué)院25（2）巷道頂?shù)装遒x水性探測測點(diǎn)布置圖9巷道斷面中TEM法探測方向示意圖

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2012年9月18日資源環(huán)境學(xué)院26圖9巷道平面中TEM法測點(diǎn)布置示意圖

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2012年9月18日資源環(huán)境學(xué)院27頂?shù)装遒x水性探測基本要求：1）探測過程中盡量避開金屬異物，對有金屬物影響的點(diǎn)要做好記錄。2）左幫異常可選6-8三個方向；右?guī)彤惓？蛇x2-4三個方向；底板異?？蛇x1、2、8三個方向；頂板異常通常選4-6三個方向；3）頂板探測過程中盡量與頂板巖層緊密耦合，減少空間介質(zhì)作用；4）探測點(diǎn)之間的距離即線框在橫向上的移動步距應(yīng)在5-10m之間，測線較長的測點(diǎn)點(diǎn)間距可選15m，一般來說測點(diǎn)點(diǎn)間距要小于15m。5）對異常體的探測與地震反射波法類似，通常從正常區(qū)——異常區(qū)——正常區(qū)，這樣便于對目標(biāo)異常體的有效對比；6）現(xiàn)場探測時要求斷電。7）記錄好測線在巷道空間的位置。其他技術(shù)要求同上。HenanPolytechnicUniversity

2012年9月18日資源環(huán)境學(xué)院287.5井下瞬變電磁探測采集參數(shù)選擇（1）數(shù)據(jù)采集時儀器設(shè)置參數(shù)1）發(fā)送頻率儀器發(fā)送脈沖電流的頻率，發(fā)送頻率跟數(shù)據(jù)采集的速度、時間窗口以及一次場的影響范圍有關(guān)，一般井下采集數(shù)據(jù)時固定采用8.3HZHenanPolytechnicUniversity

2012年9月18日資源環(huán)境學(xué)院292）發(fā)射、接收線圈邊長及匝數(shù)線圈的邊長及匝數(shù)跟探測深度及一次場的影響范圍有關(guān)。目前發(fā)射、接收線圈的匝數(shù)采用固定值，即：發(fā)射線圈邊長2m，匝數(shù)9匝、接收線圈邊長2m，匝數(shù)18匝。由于發(fā)射、接收線圈的邊長及匝數(shù)影響到后續(xù)的計算，所以現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)時及室內(nèi)處理資料時都要將該參數(shù)設(shè)置成和實際裝置采用的數(shù)值一致。3）疊加次數(shù)疊加次數(shù)跟儀器的抗干擾能力及采樣速度有關(guān)，其中疊加次數(shù)越大，現(xiàn)場抗干擾能力越強(qiáng)，同時數(shù)據(jù)采集的越慢。一般井下干擾小的時候采用32，干擾大的時候采用64。HenanPolytechnicUniversity

2012年9月18日資源環(huán)境學(xué)院30圖10采樣參數(shù)設(shè)置界面

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（2）測點(diǎn)電位衰減曲線顯示時參數(shù)1）40測道圖11-1單個測點(diǎn)多測道電位衰減曲線（儀器顯示）

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資源環(huán)境學(xué)院32圖11-2單個測點(diǎn)多測道電位衰減曲線（軟件顯示）

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資源環(huán)境學(xué)院33以上是瞬變電磁電阻率計算公式，公式中V/I即為圖11中測出的縱軸表示的電位值，圖11中橫軸表示的是測道以及每個測道所對應(yīng)的時間值，測道與測道之間的時間對應(yīng)關(guān)系基本是按指數(shù)關(guān)系對應(yīng)的。單個測點(diǎn)的多測道電位衰減曲線即以不同測道對應(yīng)的時間值為橫軸，以不同測道對應(yīng)的電位為縱軸而描出的一條曲線。

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資源環(huán)境學(xué)院34圖12瞬變電磁信號傳播不同時刻的對應(yīng)電位示意圖

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資源環(huán)境學(xué)院35圖13瞬變電磁單個測點(diǎn)測道中心時間對照表(微秒)

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資源環(huán)境學(xué)院36圖14飽和狀態(tài)信號)

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資源環(huán)境學(xué)院37圖15電磁場