11701工作面瞬變電磁報告

1、報告編號13-05-22永貴能源糯東煤礦11701工作面迎頭處瞬變電磁探測成果報告編制：審 核：部 長：總工程師：編制日期： 年 月 日1、工程地質(zhì)概況及探測任務(wù)1.1工程概況1）工作面位置11701工作面正下方為11901回風(fēng)順槽平均間距12m,下伏采空區(qū)為12001 采空區(qū)，平均間距20m,東鄰11703采空區(qū)；南側(cè)為一號回風(fēng)大巷；北距一采區(qū) 邊界約540m。2）工作面圍、面積11701采面在一采區(qū)北翼17號煤層中，上順槽開口位置在BGh導(dǎo)線點處（開 口坐標(biāo)為:x=2813199. 523, y=35487634. 039）,下順槽開口位置為北翼軌道BG4 號導(dǎo)線點前 10. 619m 處

2、（開 口坐標(biāo)為：x= 2799391.965, y=35496746. 321）,下 順槽為沿空掘巷（沿11703回風(fēng)順槽留5nl煤柱）采面順槽方位角為19° 10', 采面設(shè)計走向長445nb切眼長110m,可采儲量15. 3萬噸。3）四鄰及地表情況工作面均不受四鄰采掘活動影響。工作面對應(yīng)地面位置位于糯東村以東約 660m （平距），柏家西北方約830m （平距），駱馬山下方，工作面對應(yīng)地面無建 筑物，多為農(nóng)田、溝谷，地面標(biāo)高+1682+1833m,工作面埋深約420m。1.2地球物理勘探前提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

3、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)電性特征在縱向上有固定的變化規(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。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)的礦井瞬變電磁法探測提供了良好的地質(zhì)條件。2、瞬變電磁基本原理概述2.1 瞬變電磁法概述瞬變電磁法（Transient Electromagnetic Methods）,又稱時間域電磁法

4、（Time Domain Electromagnetic Methods）,簡稱 TEM 或 TDEM,它是利用不接地 回線或接地線源（電極）向地下發(fā)送一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場的間歇期間， 利用線圈或接地線源（電極）觀測二次渦流場的方法。該方法是近年來國外發(fā)展 得較快、地質(zhì)效果較好的一種電法勘探分支方法。它與其它測深方法相比，具有 探測深度大、信息豐富、工作效率高等優(yōu)點。自上世紀(jì)五十年代以來，該方法得 到迅速發(fā)展，特別是對探測高阻覆蓋層下的良導(dǎo)電地質(zhì)體取得了顯著的地質(zhì)效 果。它主要應(yīng)用于金屬礦勘查、構(gòu)造填圖、油氣田、煤田、地下水、地?zé)嵋约皟?土帶和海洋地質(zhì)等方面的研究，在國外已取得了令人矚

5、目的效果?？偨Y(jié)起來，影響礦井回采及巷道掘進(jìn)安全的地質(zhì)因素主要是構(gòu)造破碎帶、裂 隙發(fā)育區(qū)、巖溶、陷落柱等賦水區(qū)（體）對巷道的安全掘進(jìn)與生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅， 也是煤礦發(fā)生重大突水事故的主要原因。如何做到提前預(yù)報和及時防治，關(guān)鍵在 于有效的超前預(yù)測。多年來這一問題一直困擾著煤礦的基層技術(shù)人員和施工人 員。隨著當(dāng)今計算機(jī)水平與科學(xué)技術(shù)不斷提高和發(fā)展，對這一問題的解決也陸續(xù) 涌出了不少科學(xué)手段，主要包括三種手段：地質(zhì)分析法、水平鉆探法、物探測試 方法三大類：1）地質(zhì)分析法地質(zhì)類方法包括利用地質(zhì)工作的全部資料以及巷道掘進(jìn)過程中的地質(zhì)測繪、 地質(zhì)素描資料的分析，掌握巷道穿過段巖體的地質(zhì)格局，概略地預(yù)測地質(zhì)界線

6、、 大型斷層、主要涌水段、破碎巖體、圍巖類別等。主要方法有地質(zhì)投射法、地層 層序法、巷道地質(zhì)編錄法、斷層參數(shù)預(yù)報法、TV成像技術(shù)、不良地質(zhì)作用綜合 分析法、地下水觀測法等。2）水平鉆探法水平鉆探法是超前地質(zhì)預(yù)報最直接的一種方法，通過鉆探對學(xué)子面前方獲取 的地層巖性進(jìn)行鑒別，來確定其埋藏距離與厚度（或?qū)挾龋?，溶洞及充填的性質(zhì)， 能查明鉆探深度的地下水的賦存條件，可進(jìn)行水量、水壓的測定，當(dāng)為煤系與地 層時，可確定煤層厚度和進(jìn)行瓦斯含量測定，對超前地質(zhì)預(yù)報成果進(jìn)行驗證，同 時利用所取巖芯可進(jìn)行室試驗，測試巖石的物理力學(xué)性質(zhì)。因此在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜 地段，經(jīng)地質(zhì)、物探綜合手段超前地質(zhì)預(yù)報確認(rèn)的重點的地段，

7、應(yīng)施以水平鉆探 法確認(rèn)。3）物探測試方法物探類方法近幾年來發(fā)展很是迅速，與地下水有關(guān)的探測主要包括礦井直流 電法勘探技術(shù)、無線電波透視技術(shù)、音頻電透視技術(shù)、礦井瞬變電磁技術(shù)、紅外 探水等，其種類繁多。而在這些方法中，時間域瞬變電磁法以其本身固有的優(yōu)點 異軍突出，在國外備受青睞并得到很快的發(fā)展，特別是在對煤礦生產(chǎn)至關(guān)重要的 煤田水文地質(zhì)勘查方面，時間域瞬變電磁法已經(jīng)成為了首選的物探手段。應(yīng)用電磁場的偏振性質(zhì)，有利于確定缺陷的方向性，且對與水有關(guān)的缺陷比 較敏感，同時記錄的是時間系列，一般情況下，時間域電磁法（TDEM,簡稱TEM） 和頻率域電磁法（FDEM）相比，在相同的頻率圍情況下（主要指音頻

8、），TDEM的 分辨率比FDEM要高，這符合掌子面前方地質(zhì)缺陷及含水性精細(xì)超前預(yù)測的要求。2.2 瞬變電磁法探測原理地面瞬變電磁的基本工作方法是：于地面設(shè)置通以一定波形電流的發(fā)射線 圈，從而在其周圍空間產(chǎn)生一次磁場，并在地下導(dǎo)電巖礦體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，斷電后，感應(yīng)電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（見圖2-1）。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??；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。如圖2-1所示，在線圈以階躍電流， 在電流斷開之前，發(fā)射電流在回線

9、周圍的和 空間建立起一穩(wěn)定的磁場，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。一次場的這一劇烈變化通過空氣和地下導(dǎo)電介質(zhì)傳至回線周圍的中，并在 中激發(fā)出感應(yīng)電流以維持發(fā)射電流斷開之前存在的磁場，使空間磁場不會立即消 失。由于介質(zhì)的歐姆損耗，這一感應(yīng)電流將會迅速衰減，這種迅速衰減的磁場又 在其周圍的地下介質(zhì)中感應(yīng)出新的強(qiáng)度更弱的渦流，這一過渡場繼續(xù)下去，直至 的歐姆損耗將能量消耗完為止。這便是中的瞬變電磁過渡場，伴隨這一過渡場存 在的電磁場就是的瞬變電磁場。瞬變電磁法測量裝置由發(fā)射回線和接收回線兩部分組成，工作過程分為發(fā) 射、電磁感應(yīng)和接收三部分。當(dāng)發(fā)射回線以階躍電流I,發(fā)射

10、電流突然由I下 降到零，根據(jù)電磁感應(yīng)理論，發(fā)射回線中電流突然變化必將在其周圍產(chǎn)生磁場， 該磁場稱為一次磁場，一次磁場在周圍傳播過程中，如遇到地下良導(dǎo)電的地質(zhì)體， 將在其部激發(fā)產(chǎn)生感應(yīng)電流，又稱渦流或二次電流，由于二次電流隨時間變化， 因而在其周圍又產(chǎn)生新的磁場，稱為二次磁場。由于良導(dǎo)電地質(zhì)體感應(yīng)電流的熱 損耗，二次磁場大致按指數(shù)規(guī)律隨時間衰減，形成瞬變磁場，二次磁場主要來源 于良導(dǎo)電地質(zhì)體的感應(yīng)電流，因此它包含著與地質(zhì)體有關(guān)的地質(zhì)信息，二次磁場 通過接收回線觀測，并對觀測的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，對地下地質(zhì)體的相關(guān)物理 參數(shù)進(jìn)行解釋。2.3 礦井瞬變電磁的特點及優(yōu)點礦井瞬變電磁法和地面瞬變電磁法的

11、基本原理的一樣的，理論上也完全可以 使用地面電磁法的一切裝置和采集參數(shù)，但受井下環(huán)境的影響，礦井瞬變電磁法 與地面的TEM的數(shù)據(jù)采集與處理相比又有很大的區(qū)別。由于礦井軌道、高壓環(huán)境 及小規(guī)模線框裝置的影響，在井下的探測深度很受限制，一般可以有效解釋100m 左右。另外地面瞬變法為半空間瞬變響應(yīng)，這種瞬變響應(yīng)來自于地表以下半空間 層，而礦井瞬變電磁法為全空間瞬變響應(yīng)，這種響應(yīng)來自回線平面上下（或兩側(cè)） 地層，這對確定異常體的位置帶來很大的困難。實際資料解釋中，必須結(jié)合具體 地質(zhì)和水文地質(zhì)情況綜合分析。具體來說礦井瞬變電磁法具有以下特點：1）受礦井巷道的影響礦井瞬變電磁法只能采用邊長小于3nl的多

12、匝回線裝置， 這與地面瞬變電磁法相比數(shù)據(jù)采集勞動強(qiáng)度小，測量設(shè)備輕便，工作效率高，成 本低；2）采用小規(guī)?；鼐€裝置系統(tǒng)，因此為了保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量、降低體積效應(yīng)的 影響、提高勘探分辨率，特別是橫向分辨率，在布設(shè)測點時一定要控制點距，在 考慮工作強(qiáng)度的情況盡可能的使測點密集；3）井下測量裝置距離異常體更近，大大的提高測量信號的信噪比，經(jīng)驗表 明，井下測量的信號強(qiáng)度比地面同樣裝置及參數(shù)設(shè)置的信號強(qiáng)10-100倍。井下 的干擾信號相對于有用信號近似等于零，而地面測量信號在衰減到一定時間段接 被干擾信號覆蓋，無法識別有用的異常信號；4）地面瞬變電磁法勘探一般只能將線框平置于地面測量，而井下瞬變電磁 法可以

13、將線圈放置于巷道底板測量，探測底板一定深度含水性異常體垂向和橫向 發(fā)育規(guī)律，也可以將線圈直立于巷道，當(dāng)線框面平行巷道掘進(jìn)前方，進(jìn)行超前探 測；當(dāng)線圈平行于巷道側(cè)面煤層，探測工作面和頂?shù)装逡欢▏妥璁惓ｓw的發(fā)育規(guī)律;Q I圖2-3幾種不同的野外工作裝置另外礦井瞬變電磁法對高阻層的穿透能力強(qiáng)，對低阻層有較高的分辨能力。 在高阻地區(qū)由于高阻屏蔽作用，如果用直流電法勘探要達(dá)到較大的探測深度，須 有較大的極距，故其體積效應(yīng)就大，而在高阻地區(qū)用較小的回線可達(dá)到較大的探 測深度，故在同樣的條件下TEM較直流電法的體積效應(yīng)小得多。工作中根據(jù)實際情況采取不同的回線裝置，圖2-3為幾種中心裝置類型圖， 一類為

14、重疊中心裝置，一類為分離中心裝置，在本次探測過程中根據(jù)不同的探測 地質(zhì)體共選取了 “8”字形線框（使接收線框垂直于發(fā)射線框，使發(fā)射電流在發(fā) 射線框中形成“8”字形回路，故稱為“8”線框。這種裝置在鐵道部上常用，主 要是屏除鐵軌對瞬變響應(yīng)的影響）及重登回線裝置。3、技術(shù)工作方法 3.1儀器設(shè)備本次探測使用儀器為華虹智能科技開發(fā)有限責(zé)任公司研制的YCS256型瞬變 電磁測深儀，YCS256礦用瞬變電磁儀對低阻充水破碎帶反映特別靈敏、體積效 應(yīng)小、縱橫向分辨率高，且施工方便、快捷、效率高等優(yōu)點，既可以用于煤礦掘 進(jìn)頭前方，也可以用于巷道側(cè)幫、煤層頂、底板等探測，為煤礦企業(yè)在生產(chǎn)過 程中水患和導(dǎo)水構(gòu)造

15、的超前預(yù)測預(yù)報提供技術(shù)手段。在軟件設(shè)計上，集成了經(jīng)典的和專家的時間域瞬變電磁法勘探理論、技術(shù)與 方法，其一次場波形發(fā)射和二次磁場接收技 術(shù)和方法，可以進(jìn)行復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造勘 探。1）現(xiàn)場探測：集成了多樣式一次磁場 發(fā)射，高精度、高分辨率的二次磁場接收技 術(shù)與方法。圖3-1本安型礦用瞬變電磁儀2）文件管理：文件管理工具，可創(chuàng)建文件和刪除文件，創(chuàng)建和刪除當(dāng)前二次磁場記錄文件。3） 數(shù)據(jù)顯示：一次磁場波形發(fā)射顯示工具，接收二次磁場顯示。4）檢測處理：一次磁場發(fā)射時相對應(yīng)電流檢測，對模數(shù)轉(zhuǎn)換器校零，及對 二次渦流場增益檢測，手動設(shè)置增益。5） 便于操作：自動管理測點號和測線號及波形文件管理工具。3.2探

16、測布置3. 2.1裝置參數(shù)設(shè)計回線邊長響應(yīng)的關(guān)系比較復(fù)雜，一般依據(jù)被測對象的規(guī)模、埋深及電性來選 定。選擇的原則是長與異：回線邊長與探測對象的埋深大致相同，因為回線邊長 的增大對于局部導(dǎo)體的分辨能力變差，且受旁側(cè)地質(zhì)體的干擾增大。由于井下測 量環(huán)境與地表不同，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，本次探測采用的是邊長1m的多匝方形重疊回線裝 置。而探測的深度和裝置的發(fā)射磁距有直接的關(guān)系，要提高探測深度必然要使裝 置的磁距達(dá)到相應(yīng)的數(shù)值，而磁距又正比于線圈的匝數(shù)、發(fā)射電流、邊長（或有 效面積）因此要提高發(fā)射功率，增加探測的有效深度，可通過增加線圈

17、的匝數(shù)、 加大發(fā)射電流以提高信噪比，達(dá)到提高探測深度的目的。由于采用的是小線框， 點距更密，本次測量一般控制在10m左右，現(xiàn)場觀測淋水點或區(qū)時點距可再適當(dāng) 縮小。4. 2.2工作裝置的現(xiàn)場布設(shè)本次瞬變電磁（TEM）探測施工主要是針對11701工作面前方頂板45°進(jìn)行探 測。根據(jù)多匝小回線發(fā)射電磁場的方向性，可認(rèn)為線框平面的法線方向即為瞬變 電磁探測方向。因此，將發(fā)射、接收線框平面對準(zhǔn)工作面頂板45°方向進(jìn)行探測, 便可反映巷道前方和頂板巖層的水文地質(zhì)異常。根據(jù)這個原理結(jié)合本次的探測目 的，對頂板探測時可將重疊回線裝置平行于工作面頂板，使線框平面的法線與頂 板垂直。5. 2.3探測區(qū)域及完成工作量本次探測工作開展于2017年9月17日，現(xiàn)場探測時，于11701工作面運(yùn)輸 順槽煤巷段開口 10m開始，每隔20m向工作面頂板45。方向布置一個點，共布 置21個測點。4、數(shù)據(jù)解析及結(jié)果如圖4T所示，是11701工作面100m圍視電阻率的擬斷面圖，揭示了 100m 圍巖層電性的大致變化情況。圖中不同的視電阻率由不同的顏色標(biāo)注（色標(biāo)）， 不同的顏色代表不同的視電阻率，且色標(biāo)呈冷色調(diào)到暖色調(diào)代表阻值不斷升高的 規(guī)律。因此圖中不同的色彩組合實為迎頭前方巖層不同層位的視電阻率等值線的 分布。數(shù)據(jù)結(jié)果如下：42Cm400m 360m320m