礦井瞬變電磁法探測技

礦井瞬變電磁法探測技第1頁/共40頁2提綱一、研究礦井瞬變電磁法的背景二、礦井瞬變電磁法原理三、礦井瞬變電磁法特點四、礦井瞬變電磁法的具體應用五、問題分析第2頁/共40頁3一、研究背景

2006年有關煤礦透水事故總計36起，死亡256人，死亡超過10人的特大透水事故5起，在查明透水原因的透水事故中，透水點大多發(fā)生于巷道掘進工作面。

2007年有關煤礦透水事故總計30起，死亡348人，死亡超過10人的特大透水事故6起，大部分透水事故亦發(fā)生于巷道掘進工作面，其中3月10日重慶永川縣紅爐鎮(zhèn)金源煤礦與7月26日山西呂梁地區(qū)孝義市慶平煤礦透水事故恰發(fā)生在探水作業(yè)期間，金源煤礦透水事故造成4人死亡，1人下落不明，慶平煤礦造成8人被困。

2008年彭水縣蘆塘煤礦發(fā)生透水事故。造成7人死亡,兩人下落不明。

煤礦水害約占煤礦安全事故總數(shù)的1/3。

國家煤礦安全監(jiān)察局在認真總結各方面教訓、歸納提煉各地成功經(jīng)驗、組織專家廣泛論證基礎上，提出了煤礦水害防治“預測預報，有疑必探，先探后掘，先治后采”的十六字原則。目前礦井防治水技術已列入國家科技支撐計劃，進行重點科技攻關。

第3頁/共40頁4一、研究背景

根據(jù)《煤炭安全規(guī)程》，掘進工作面遇到下列情況之一時，必須確定探水線進行探水：

接近水淹或可能積水的井巷、老空或相鄰煤礦時；

接近含水層、導水斷層、溶洞和導水陷落柱時；

打開隔離煤柱放水時；

接近可能與河流、湖泊、水庫、蓄水池、水井等相通的斷層破碎帶時；

接近有出水可能的鉆孔時；

接近有水的灌漿區(qū)時；

接近其他可能突水區(qū)時

第4頁/共40頁5一、研究背景目前探水技術鉆探（接觸式）物探（非觸式）礦井直流電法、礦井瞬變電磁法、彈性波法鉆探第5頁/共40頁6中國礦業(yè)大學

重疊小回線一、研究背景PROTEM-47

偶極-偶極長安大學（李貅、武軍杰2005、2006）

隧道超前探測探頭屏蔽、隧道背景校正西南交通大學（代剛2006）

Ansys模擬含巷道空間的瞬變電磁場煤科總院西安分院直流電法超前探

應用第6頁/共40頁71

基本原理

在導電率為σ、導磁率為μ的均勻各向同性大地表面敷設面積為S的矩形發(fā)射回線，在回線中供以階躍脈沖電流

（1）在電流斷開之前（時），發(fā)射電流在回線周圍與大地空間中建立起一個穩(wěn)定的磁場，如下圖所示。

二、礦井瞬變電磁法原理第7頁/共40頁81

基本原理二、礦井瞬變電磁法原理圖矩形框磁力線第8頁/共40頁91

基本原理二、礦井瞬變電磁法原理

在t=0時刻，將電流突然斷開，由該電流產(chǎn)生的磁場也立即消失。一次磁場的這一劇烈變化通過空氣和地下導電介質傳至回線周圍的大地中，并在大地中激發(fā)出感應電流以維持發(fā)射電流斷開之前存在的磁場，使空間的磁場不會即刻消失。由于介質的歐姆損耗，這一感應電流將迅速衰減，由它產(chǎn)生的磁場也隨之迅速衰減，這種迅速衰減的磁場又在其周圍的地下介質中感應出新的強度更弱的渦流。這一過程繼續(xù)下去，直至大地的歐姆損耗將磁場能量消耗完畢為止。這便是大地中的瞬變電磁過程，伴隨這一過程存在的電磁場便是大地的瞬變電磁場。第9頁/共40頁101

基本原理二、礦井瞬變電磁法應用

應該指出，當一次電流斷開時，一次磁場的劇烈變化首先傳播到發(fā)射回線周圍地表各點，因此，最初激發(fā)的感應電流局限于地表。地表各處感應電流的分布也是不均勻的，在緊靠發(fā)射回線一次磁場最強的地表處感應電流最強。隨著時間的推移，地下的感應電流便逐漸向下、向外擴散，其強度逐漸減弱，分布趨于均勻。任一時刻地下渦旋感應電流在地表產(chǎn)生的磁場可以等效為一個水平環(huán)狀線電流的磁場。等效電流環(huán)很象從發(fā)射回線中“吹”出來的一系列“煙圈”，因此，人們將地下渦旋電流向下、向外擴散的過程形象地稱為“煙圈效應”。第10頁/共40頁111

基本原理二、礦井瞬變電磁法原理

從“煙圈效應”的觀點看，早期瞬變電磁場是由近地表的感應電流產(chǎn)生的，反映淺部電性分布；晚期瞬變電磁場主要是由深部的感應電流產(chǎn)生的，反映深部的電性分布。因此，觀測和研究大地瞬變電磁場隨時間的變化規(guī)律，可以探測大地電位的垂向變化，這便是瞬變電磁測深的原理。圖瞬變電磁場煙圈第11頁/共40頁121

基本原理

瞬變電磁法也稱時間域電磁法(Timedomainelectromagneticmethods)，簡稱TEM，它是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間，利用線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法。簡單地說，瞬變電磁法的基本原理就是電磁感應定律。二、礦井瞬變電磁法原理第12頁/共40頁132

應用

根據(jù)瞬變電磁法對低阻體反應敏感的特點，將其用于煤礦井下水文勘查還是近幾年的事情。瞬變電磁法是一種極具發(fā)展前景的方法，可查明含水地質如巖溶洞穴與通道、煤礦采空區(qū)、深部不規(guī)則水體等。二、礦井瞬變電磁法原理第13頁/共40頁14

由于礦井瞬變電磁勘探在井下巷道中進行，采用非接觸式、多匝數(shù)、小回線工作裝置進行探查，井下噪聲、資料處理和解釋方法與地面瞬變電磁法和礦井直流電法勘探不同，因此，礦井瞬變電磁法勘探主要有以下幾個方面的特點：三、礦井瞬變電磁法特點第14頁/共40頁15采用邊長小于3m的多匝數(shù)、小回線工作裝置。因此，與地面瞬變電磁法勘探比較具有數(shù)據(jù)采集速度快、工作裝備輕便、工作效率高，成本低等優(yōu)點；由于采用小回線裝置測量，點距更密（一般為2～10m）體積效應小，勘探分辨率高；由于小線框使用探測距離變小，要增加探測探度則需要改變與探測深度有關的影響因素（線圈匝數(shù)增加）；三、礦井瞬變電磁法特點第15頁/共40頁16多匝數(shù)的發(fā)射天線裝置將有較強的自感和互感現(xiàn)象，使探測盲區(qū)增大；井下工作裝置距離異常體更近，且為全空間響應，實際測量結果表明，井下測量信號的強度比地面同樣有效面積的相同工作裝置信號強10～100倍，具有高信噪比；相對于其它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查等），可采用工作裝置小、輕便的礦井瞬變電磁法探查三、礦井瞬變電磁法特點第16頁/共40頁17礦井瞬變電磁法可采用全空間探測技術：地面瞬變電磁法勘探一般只能將回線鋪設地面測量，而井下瞬變電磁法可以根據(jù)探查目標體相對巷道位置不同來布置工作裝置，如探查巷道底板下含水異常體垂向和橫向發(fā)育規(guī)律，可將回線布置在巷道底板上進行探查;也可將工作裝置直立于巷道內(nèi)，當回線面平行巷道掘進前方，可進行掘進巷道前方含水構造的超前探查；當回線面平行于巷道側幫，可探查工作面頂?shù)装搴妥璁惓ｓw的發(fā)育規(guī)律三、礦井瞬變電磁法特點第17頁/共40頁18礦井瞬變電磁法探測受巷道空間內(nèi)金屬體影響較大：

1）巷道空間內(nèi)各種金屬體的瞬變電磁響應特征不同；

2）金屬體（工字鋼、鐵軌和金屬錨網(wǎng)）對瞬變電磁場分布的影響規(guī)律及校正方法；三、礦井瞬變電磁法特點第18頁/共40頁19四、礦井瞬變電磁法應用1）井下進行探水實驗研究；2）形成了較為完善的礦井瞬變電磁技術體系，并逐步在煤礦上推廣使用；3）目前，皖北、淮北、淮南、徐州、永煤、兗州、新汶、潞安、峰峰、金牛等礦務集團的80%以上的礦井在采用礦井瞬變電磁法進行煤礦防治水探測工作；第19頁/共40頁20四、礦井瞬變電磁法應用以超前探測為例：礦井瞬變電磁法進行超前探時，要求掘進巷道掘進迎頭斷面整齊，巷道空間高度大于2米，距離巷道迎頭5米范圍內(nèi)沒有較大的金屬體（如掘進機械等），以減少其對瞬變電磁場的影響。利用礦井瞬變電磁法超前探測，每次的施工時間約40分鐘，一般3天內(nèi)能夠提供初步的探測成果。因此，可利用工人換班時間進行工作，不影響巷道掘進工作的正常進行。第20頁/共40頁21四、礦井瞬變電磁法應用第21頁/共40頁22四、礦井瞬變電磁法應用第22頁/共40頁23四、礦井瞬變電磁法應用1

工作方式

目前，礦井瞬變電磁法經(jīng)常使用的工作裝置形式主要有重疊回線和偶極—偶極兩種。重疊回線裝置形式地質異常響應強、施工方便，但線圈間存在較強的互感，一次場影響嚴重；偶極—偶極裝置收發(fā)線圈互感影響小，消除了一次場影響，但二次場信號弱，不易于地質異常體識別。第23頁/共40頁24四、礦井瞬變電磁法應用2

裝置參數(shù)

礦井瞬變電磁法在井下巷道中采用多匝數(shù)小回線測量裝置，參數(shù)選擇是否合理直接影響測量結果。其裝置參數(shù)主要有：回線邊長大小、回線匝數(shù)、疊加次數(shù)、終端窗口和增益等。

第24頁/共40頁25四、礦井瞬變電磁法應用3

施工方法

礦井瞬變電磁法在煤礦井下巷道內(nèi)進行，測點間距2～20m之間。根據(jù)多匝小線框發(fā)射電磁場的方向性，可認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)部的地質異常（見下圖）。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。第25頁/共40頁26四、礦井瞬變電磁法應用3

施工方法圖瞬變電磁法探測方向示意圖第26頁/共40頁27四、礦井瞬變電磁法應用4

工作面頂?shù)装甯凰裕▽Ш畼嬙欤?/p>

針對工作面頂?shù)装甯凰曰蝽數(shù)装搴畼嬙斓奶綔y，探測測點通常布置于工作面已貫通的兩巷以及切眼（聯(lián)絡巷）中，一般10m一個點距，在巷道揭露構造的地方，測點可以適當加密，如5m一個點距。針對不同探測任務，每個測點可以進行一個到三個方向的瞬變電磁發(fā)射。下面以山西某煤礦的頂板探測實例加以具體說明。第27頁/共40頁28四、礦井瞬變電磁法應用4工作面頂?shù)装甯凰裕▽Ш畼嬙欤㎏8403工作面預計受三個方面充水因素的影響，即：K8404工作面同層采空積水、上部9#煤層采空積水及15#煤層頂板巖層水，故在K8403工作面回采之前需要進行水文物探，以查明頂板富水情況，以便回采之前有針對性的采區(qū)疏放措施。探測測點擬布置于K8403工作面進風巷與高抽巷內(nèi)，設計測點點距10m。第28頁/共40頁29四、礦井瞬變電磁法應用4工作面頂?shù)装甯凰裕▽Ш畼嬙欤┙?jīng)過先期井下數(shù)據(jù)采集，后期實驗室數(shù)據(jù)解釋，劃出一個含水異常區(qū)R-1，并指導礦方在異常區(qū)打鉆疏水，礦方在切巷距進風巷約20米處設計了一個放水鉆孔，放出1萬多方頂板老空積水。有效排除了工作面回采過程中頂板老空水的影響。第29頁/共40頁30四、礦井瞬變電磁法應用5掘進頭超前探測

針對掘進巷道前方富水性或含水構造的探測，探測測點通常布置于掘進巷道的迎頭附近，一般從迎頭后方10m開始布置測點，實現(xiàn)從巷道左邦到迎頭正前方再到巷道右邦的扇形掃描。第30頁/共40頁31四、礦井瞬變電磁法應用5掘進頭超前探測

針對不同探測任務，每個測點可以進行一個到三個方向的瞬變電磁發(fā)射。下面以某煤礦的超前探測實例加以具體說明。該礦南區(qū)膠帶下山巷道迎頭掘進過程中，瓦斯孔出現(xiàn)涌水情況，為了安全掘進，需要查明工作面前方是否有導含水構造，提前采取措施。本次探測布置在南區(qū)膠帶下山迎頭處按左圖所示布置了19條掃描線，分別形成對迎頭左側、左前方、正前方、右前方、右側的超前探測。同時也實現(xiàn)了對順層、頂板與底板方向的探測。第31頁/共40頁32四、礦井瞬變電磁法應用5掘進頭超前探測

第32頁/共40頁33四、礦井瞬變電磁法應用5掘進頭超前探測第33頁/共40頁34四、礦井瞬變電磁法應用5掘進頭超前探測第34頁/共40頁35四、礦井瞬變電磁法應用5掘進頭超前探測