煤礦突水構(gòu)造礦井瞬變電磁探測(cè)技術(shù)研究

1、煤礦突水構(gòu)造礦井瞬變電磁探測(cè)技術(shù)研究重點(diǎn)推廣項(xiàng)目編號(hào)：AQT-3-66主要完成單位：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、山東棗莊礦業(yè)集團(tuán)公司高莊煤礦項(xiàng)目?jī)?nèi)容：本項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容屬應(yīng)用地球物理學(xué)科領(lǐng)域，為礦井地球物理探測(cè)技術(shù)在煤礦防治水中的應(yīng)用。項(xiàng)目研究采用井下試驗(yàn)、理論分析、物理模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)不同地質(zhì)條件下采煤工作面頂、底板突水構(gòu)造的全空間瞬變電磁響應(yīng)特征進(jìn)行了深入研究，為礦井瞬變電磁數(shù)據(jù)處理和解釋工作奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)為煤礦防治水工作提供了有效技術(shù)手段。主要研究?jī)?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(jiǎn)稱TEM）是利用不接地回

2、線或電極向地下發(fā)送脈沖式一次電磁場(chǎng)，用線圈或接地電極觀測(cè)由該脈沖電磁場(chǎng)感應(yīng)的地下渦流產(chǎn)生的二次電磁場(chǎng)的空間和時(shí)間分布，來解決有關(guān)地質(zhì)問題的時(shí)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(cè)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(cè)量，其視電阻率定義利用垂直磁偶極源耦合晚期測(cè)量的場(chǎng)與電阻率為1的半空間測(cè)量場(chǎng)之比進(jìn)行的。重疊回線組合晚期場(chǎng)視電阻率表達(dá)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(cè)量的垂直磁偶源磁場(chǎng)垂直分量對(duì)時(shí)間偏導(dǎo)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。

3、由于礦井瞬變電磁法感應(yīng)場(chǎng)為全空間瞬變響應(yīng)，視電阻率表達(dá)式與地面視電阻率表達(dá)式應(yīng)有所區(qū)別，將礦井瞬變電磁法視電阻率表達(dá)式定義為：式中，同上式，C為常數(shù)。 式中M=S×N×I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(qiáng)度。所以有：當(dāng)接受回線面積為s，雜數(shù)為n，介質(zhì)中感應(yīng)的渦流場(chǎng)在接受回線中產(chǎn)生的感應(yīng)電位為：由于礦井瞬變電磁法測(cè)量接收回線中的感應(yīng)電位為全空間響應(yīng)，可得到礦井瞬變電磁法視電阻率計(jì)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?yàn)榈V井瞬變電磁法實(shí)際測(cè)量中，由于一次場(chǎng)關(guān)斷效應(yīng)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

4、，而巷道尺寸一般小于5m，且巷道空間充滿空氣（高阻），因此，對(duì)測(cè)量結(jié)果不如礦井直流電法勘探影響大，實(shí)際勘探中一般忽略其影響。1）礦井瞬變電磁法時(shí)間深度換算技術(shù)由電磁場(chǎng)“煙圈效應(yīng)”理論可知，電磁場(chǎng)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(shí)間有關(guān)，因此，可定義電磁場(chǎng)傳播深度為時(shí)間的函數(shù)：式中為地下介質(zhì)電阻率，t為時(shí)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，如果已知電磁場(chǎng)的傳播速度，即可計(jì)算不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的深度。對(duì)于地下半空間為不均勻分布的導(dǎo)電介質(zhì)或任意導(dǎo)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(chǎng)垂直擴(kuò)散速度與均勻介質(zhì)情況擴(kuò)散

5、速度滿足一定比例關(guān)系，即任意導(dǎo)電介質(zhì)分布情況下電磁場(chǎng)垂直擴(kuò)散速度和深度D為： 式中 ，為時(shí)刻對(duì)應(yīng)視電阻率值，為換算系數(shù)，通過理論模型和實(shí)際資料驗(yàn)證，系數(shù)值在0.40.6范圍內(nèi)。發(fā)射回線的尺寸a對(duì)電磁場(chǎng)的擴(kuò)散速度（深度）也產(chǎn)生影響，為了研究這種影響規(guī)律，指導(dǎo)實(shí)際測(cè)量選擇合理的回線尺寸。對(duì)電阻率為1的導(dǎo)電半空間中，發(fā)射回線為正方形回線，邊長(zhǎng)b分別為2m（相當(dāng)于偶極源）、50m、100m、200m的各種回線邊長(zhǎng)的變化，四條曲線的電磁場(chǎng)擴(kuò)散速度并不相同，說明回線邊長(zhǎng)不同，影響電磁場(chǎng)的擴(kuò)算速度，即影響時(shí)間深度換算結(jié)果。隨著發(fā)射回線邊長(zhǎng)的逐漸增大，曲線之間重合部分減少，分離愈明顯。在較晚時(shí)間段，四條曲線趨

6、于重合，說明大回線中心電磁場(chǎng)擴(kuò)散速度比同樣速度的小回線時(shí)間來得晚，這是因?yàn)殡姶艌?chǎng)由回線邊傳播到回線中心，小回線所需時(shí)間比大回線少。因此，實(shí)際進(jìn)行時(shí)間深度換算時(shí)，回線大小不能忽略。2、礦井瞬變電磁法觀測(cè)系統(tǒng)研究由于礦井瞬變電磁法測(cè)量環(huán)境與地面差別很大，回線組合觀測(cè)系統(tǒng)不能按地面條件選擇。一是井下目的物距離測(cè)點(diǎn)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種回線組合觀測(cè)系統(tǒng)（一般邊長(zhǎng)100m左右）在井下測(cè)量，只能采用邊長(zhǎng)在2m左右的回線組合觀測(cè)系統(tǒng)測(cè)量。為了保證有足夠的發(fā)射功率和能感應(yīng)到足夠強(qiáng)的有用的信息，采用多雜數(shù)的小回線組合觀測(cè)系統(tǒng)測(cè)量。礦井瞬變電磁法應(yīng)用于井下主要為

7、了探測(cè)巷道不同位置和不同形態(tài)的含水構(gòu)造，而礦井突水構(gòu)造主要為導(dǎo)水?dāng)鄬樱ㄒ话銉A角較大）、含水巖溶、富水陷落柱和老窯水等，這些突水構(gòu)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(shí)驗(yàn)和井下試驗(yàn)，提出礦井瞬變電磁法在井下探測(cè)主要采用重疊回線組合和雙回線組合兩種觀測(cè)系統(tǒng)。3、礦井瞬變電磁井下干擾瞬變響應(yīng)特征研究井下瞬變電磁測(cè)量巷道中，周圍金屬物主要有鐵軌、工字鋼、錨桿、巷道側(cè)幫排水管道和運(yùn)輸皮帶支架等，井下實(shí)際測(cè)量結(jié)果說明，這些金屬設(shè)施會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的瞬變電磁響應(yīng)，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(cè)量均受到影響，通過選擇合理的回線組合、回線大

8、小和觀測(cè)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(duì)50Hz和60Hz的交流電磁場(chǎng)干擾有自動(dòng)壓制功能，因此，無論是地面或井下對(duì)工業(yè)用電電壓不太高的交流電磁場(chǎng)的影響可忽略。創(chuàng)新點(diǎn)：1、首次將瞬變電磁法應(yīng)用于煤礦井下探測(cè)突水構(gòu)造，建立了礦井瞬變電磁法的技術(shù)體系；2、從地面瞬變電磁場(chǎng)理論出發(fā)，得出了全空間瞬變電磁場(chǎng)特點(diǎn)和典型地電模型的全空間瞬變響應(yīng)特征；3、從理論上分析重疊回線和雙圈回線瞬變電磁場(chǎng)分布特征，通過物理模擬和井下試驗(yàn)研究，提出了礦井瞬變電磁井下觀測(cè)系統(tǒng)，建立了礦井瞬變電磁法的井下施工技術(shù)；4、首次研究了巷道內(nèi)各種金屬設(shè)施瞬變電磁響應(yīng)特征，提出了這些干擾剔

9、除的數(shù)學(xué)模擬和方法技術(shù)；5、導(dǎo)出了礦井瞬變電磁法視電阻率計(jì)算和時(shí)間深度換算公式；6、總結(jié)了礦井瞬變電磁探查井下不同方位、不同形態(tài)突水構(gòu)造的視電阻率異常特征，建立了資料解釋方法。應(yīng)用情況：1998年起，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)利用SIROTEM-3型瞬變電磁儀從事礦井瞬變電磁法的試驗(yàn)、應(yīng)用工作。近幾年來，在徐州礦務(wù)集團(tuán)、大屯煤電公司、兗州礦務(wù)集團(tuán)有限公司、淮北礦業(yè)集團(tuán)公司、皖北煤電有限公司、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(zé)任公司等礦務(wù)局的四十多對(duì)礦井應(yīng)用于圈定底板導(dǎo)（含）水?dāng)鄬?、裂隙發(fā)育帶等垂直導(dǎo)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(jìn)巷道超前探測(cè)等，均取得較好的應(yīng)用效果，獲得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。2005年采用礦井瞬變電磁法先后對(duì)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(tuán)公司等煤礦煤層頂、底板富水構(gòu)造進(jìn)行探測(cè)，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。完成探測(cè)測(cè)線長(zhǎng)度約56000m，工作面在未做礦井瞬變電磁探測(cè)工作前一般在巷道內(nèi)每隔50m布置一個(gè)鉆孔對(duì)頂、底板進(jìn)行