瞬變電磁探測(cè)

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***工作面掘進(jìn)超前瞬變電磁探測(cè)成果報(bào)告一、基本原理瞬變電磁法的激勵(lì)場(chǎng)源主要有兩種，一種是回線形式（或載流線圈）的磁源，另一種是接地電極形式的電流源。下面以均勻大地的瞬變電磁響應(yīng)為例，來討論回線形式磁偶源激發(fā)的瞬變電磁場(chǎng)，從而闡述瞬變電磁法測(cè)深的基本理論。在導(dǎo)電率為。、導(dǎo)磁率為u的均勻各向同性大地表面敷設(shè)面積為S的矩形發(fā)射回線在回線中供以階躍脈沖電流[/r<0I。E0（1）在電流斷開之前（，<。時(shí)），發(fā)射電流在回線周圍的大地和空間中建立起一個(gè)穩(wěn)定的磁場(chǎng)，如圖1-1所示。圖1-1矩形框磁力線在t=0時(shí)刻，將電流突然斷開，由該電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)也立即消失。一次磁場(chǎng)的這一劇烈變化通過空氣和地下導(dǎo)電介質(zhì)傳至回線周圍的大地中，并在大地中激發(fā)出感應(yīng)電流以維持發(fā)射電流斷開之前存在的磁場(chǎng)、使空間的磁場(chǎng)不會(huì)即刻消失。由于介質(zhì)的歐姆損耗，這一感應(yīng)電流將迅速衰減，由它產(chǎn)生的磁場(chǎng)也隨之迅速衰減，這種迅速衰減的磁場(chǎng)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。這一過程繼續(xù)下去，直至大地的歐姆損耗將磁場(chǎng)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(chǎng)便是大地的瞬變電磁場(chǎng)。任一時(shí)刻地下渦旋電流在地表產(chǎn)生的磁場(chǎng)可以等效為一個(gè)水平環(huán)狀線電流的磁場(chǎng)。在發(fā)射電流剛關(guān)斷時(shí)，該環(huán)狀線電流緊接發(fā)射回線，與發(fā)射回線具有相同的形狀。隨著時(shí)間推移，該電流環(huán)向下、向外擴(kuò)散,并逐漸變形為圓電流環(huán)。圖1-2給出了發(fā)射電流關(guān)斷后不同時(shí)刻地下等效電流環(huán)的示意分布。從圖中可以看到，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(kuò)散的過程形象地稱為“煙圈效應(yīng)”?！盁熑Α钡陌霃絩、深度d的表達(dá)式分別為:(2)Q,.一——2=0.546479式中：a為發(fā)射線圈半徑，-勿當(dāng)發(fā)射線圈半徑相對(duì)于“煙圈”半徑很小時(shí)。可得

tan0=tan0=—q1.07.0a47c，故“煙圈”將沿47。傾斜錐面擴(kuò)散，其向下傳播del2V=——=/徹g"（4）從（2）到（4）式可以看出，地下感應(yīng)渦流向下、向外擴(kuò)散的速度與大地導(dǎo)電率有關(guān)。導(dǎo)電性越好，擴(kuò)散速度越慢，這意味著在導(dǎo)電性較好的大地上，能在更長的延時(shí)后觀測(cè)到大地瞬變電磁場(chǎng)。從“煙圈效應(yīng)”的觀點(diǎn)看，早期瞬變電磁場(chǎng)是由近地表的感應(yīng)電流產(chǎn)生的，反映淺部電性分布；晚期瞬變電磁場(chǎng)主要是由深部的感應(yīng)電流產(chǎn)生的，反映深部的電性分布。因此，觀測(cè)和研究大地瞬變電磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化規(guī)律，可以探測(cè)大地電位的垂向變化，這便是瞬變電磁測(cè)深的原理。瞬變電磁場(chǎng)的探測(cè)深度主要由測(cè)量時(shí)間和地下介質(zhì)的電阻率來確定。當(dāng)?shù)叵聻榫鶆蚪橘|(zhì)時(shí)，地面發(fā)送線圈中的電流被切斷后，感應(yīng)電流隨時(shí)間向地下擴(kuò)散，電流被關(guān)斷后某一時(shí)刻地下最大渦流所在深度由下式計(jì)算V為（5）當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)的平均電阻率為15。，〃，測(cè)量時(shí)間取20ms,探測(cè)深度即達(dá)218m。至于發(fā)送回線（接收回線）與探測(cè)深度的關(guān)系，只是為了保證接收線框內(nèi)有足夠的信號(hào)強(qiáng)度。同時(shí)，由于回線在一定的范圍內(nèi)線框越小，其體積效應(yīng)也越小，其橫向、縱向分辨率也愈高。當(dāng)發(fā)射機(jī)Tx和和接收機(jī)Rx開機(jī)并由參考電纜連接時(shí)，Tx便在Tx

回線中產(chǎn)生重復(fù)的電流。圖1?3表示這種電流的一個(gè)循環(huán)圖形。一個(gè)循環(huán)的時(shí)間稱為Tx周期并用T表示。媛?泰裝XE-T/0TimeTx周期(T)TxPeriod(T)MQasuremontPeriod(T/4)測(cè)量周期T/4媛?泰裝XE-T/0TimeTx周期(T)TxPeriod(T)MQasuremontPeriod(T/4)測(cè)量周期T/4[MeasuremmtPeriod(T/4)測(cè)量周期T/4time時(shí)間在循環(huán)的開始，Tx回線中的電流從0上升到由“電流控制旋鈕”所設(shè)定值，并保持該值不變，然后經(jīng)l/4Tx周期后，電流終止，并在Tx關(guān)斷時(shí)(T/OTime)電流降至0。Tx的關(guān)斷時(shí)間，即T/Otime在圖4中用T/OTime表示。圖3表明，關(guān)斷時(shí)間的形狀近似于線性斜坡。該斜坡的長短由Tx回線的尺寸決定。Tx電流在下一個(gè)T/4間隔內(nèi)要保持為0o這個(gè)間隔我們稱之為測(cè)量周期(measurementperiod)o在測(cè)量周期的末端，下半周Tx循環(huán)開始;下半周循環(huán)包含著與上述相同的序列，即電流上升、穩(wěn)態(tài)、關(guān)斷，接著進(jìn)入測(cè)量周期。下半周循環(huán)的唯一特點(diǎn)是Tx回線中的電流沿反方向流動(dòng)。在T/0時(shí)間內(nèi)回線中電流的跌落，使得在Tx回線周圍形成隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)。這個(gè)磁場(chǎng)在地下感應(yīng)出渦流。在T/0時(shí)間之后的瞬間，該渦流被限制在Tx回線之下的地表附近。隨著時(shí)間的增加，渦流從Tx回線向下和向外擴(kuò)散。同時(shí)，這種擴(kuò)散的渦流又形成了衰變的二次磁場(chǎng)。這樣，不斷測(cè)量這種衰變的二次磁場(chǎng)，就可以逐漸增加對(duì)地下的勘探深度。由于Tx在地下感應(yīng)的渦流迅速衰減，并形成隨時(shí)間變化的二次磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)在Rx接收線圈中感應(yīng)出衰變的電壓（瞬變電壓）。信號(hào)電纜把此瞬變電壓傳輸給接收機(jī)Rx的輸入端。Rx接收機(jī)按20個(gè)（或30個(gè)）時(shí)間序列間隔，對(duì)上述瞬變場(chǎng)進(jìn)行采樣，并分析和記錄該瞬變場(chǎng)的特點(diǎn)，如圖1-4所示。僅僅在Tx電流降至0的時(shí)間，門才開始測(cè)量瞬變電壓。門是自動(dòng)設(shè)間隔的，以便填滿測(cè)量周期。門的寬度和瞬變電壓由圖5所示。門的寬度隨時(shí)間按指數(shù)增加。早期門（1,2,3…）是窄的，以便在瞬變場(chǎng)變化最快的早期階段能精確地測(cè)量它。后續(xù)的門（…，18,19,20）是很寬的，因?yàn)樵谕砥陔A段瞬變場(chǎng)衰減的慢。理想上，應(yīng)該在T/O斜坡之后，立即就開啟第一門。然而，由于Tx電流要有一個(gè)很短的輔加時(shí)間才能降至0,所以采樣要在T/0之后略晚一點(diǎn)開始。.門的編號(hào)1Gatervuumbertzrrze時(shí)間圖1-4接收的Rx電壓隨時(shí)間變化曲線礦井瞬變電磁法基本原理與地面瞬變電磁法一樣，采用儀器和測(cè)量數(shù)據(jù)的各種裝置形式和時(shí)間窗口也相同。由于礦井瞬變電磁法勘探環(huán)境的限制，測(cè)量線圈大小有限，其勘探深度不如地面深，一般深度在120m左右。地面瞬變電磁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地層；而礦井瞬變電磁法為全空間瞬變響應(yīng)，這種瞬變響應(yīng)是來自于回線平面上下（或兩側(cè)）地層，這對(duì)確定異常體的位置帶來困難。實(shí)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。礦井瞬變電磁法與地面瞬變電磁法相比具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：（1）由于井下測(cè)量環(huán)境不同與地表，不可能采用地表測(cè)量時(shí)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，因此數(shù)據(jù)采集工作量小，測(cè)量設(shè)備輕便，工作效率高，成本低；（2）由于采用小線圈測(cè)量，點(diǎn)距更密（一般為10m）,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。（3）井下測(cè)量裝置距離異常體更近，大大提高測(cè)量信號(hào)的信噪比，實(shí)際測(cè)量結(jié)果說明，井下測(cè)量信號(hào)的強(qiáng)度比地面同樣有效面積的相同裝置測(cè)量的信號(hào)強(qiáng)10-100倍。井下的干擾信號(hào)相對(duì)有用信號(hào)近似等于零（大于30ms時(shí)間段），而地面測(cè)量信號(hào)在衰減到一定時(shí)間段（一般小于15ms）就被干擾信號(hào)覆蓋，無法識(shí)別有用異常信號(hào)。（4）地面瞬變電磁法勘探一般只能將線圈平置于地面測(cè)量，而井下瞬變電磁法可以將線圈置于巷道底板測(cè)量，探測(cè)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)線圈面平行巷道掘進(jìn)前方，可進(jìn)行超前探測(cè)；當(dāng)線圈面平行于巷道側(cè)面煤層，可探測(cè)工作面內(nèi)和頂、底板一定范圍內(nèi)含水低阻異常體的發(fā)育規(guī)律。

二、采用儀器及參數(shù)為了探測(cè)煤層頂板賦水情況，采用加拿大產(chǎn)PR0TEM47瞬變電磁系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，BTEM專門軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和解釋。PROTEM47接收機(jī)PROTEM47發(fā)射機(jī)本次探測(cè)技術(shù)指標(biāo)：電流波型：偶極方波，正、PROTEM47接收機(jī)PROTEM47發(fā)射機(jī)本次探測(cè)技術(shù)指標(biāo)：電流波型：偶極方波，正、負(fù)方波之間可設(shè)置50%占空系數(shù)。基本頻率：25Hz,功率傳輸線為50Hz時(shí)。關(guān)斷時(shí)間：2X2m發(fā)射線圈1A發(fā)射電流時(shí)，93.4Uso發(fā)射線圈：采用2X2m的64匝線圈。電源：12伏可充電電瓶，在1A輸出時(shí)可連續(xù)工作8小時(shí)三、施工技術(shù)及方法

圖3-1巷道掘進(jìn)頭TEM超前探測(cè)方式探測(cè)方向圖3-2探測(cè)方向角度示意圖圖3-1巷道掘進(jìn)頭TEM超前探測(cè)方式探測(cè)方向2011年4月29日，對(duì)***工作面掘進(jìn)風(fēng)道迎頭頂板、斜向上45°方和正前方向進(jìn)行了瞬變電磁探測(cè)（圖3.1、3-2）o!1!探測(cè)結(jié)果解釋如圖4.1所示，迎頭正前方120m范圍內(nèi)視電阻率基本上都表現(xiàn)為較高阻特征，其中前方5-10m段和30-44m相對(duì)較低，可能受構(gòu)造破碎帶!1!探測(cè)結(jié)果解釋影響，但賦水程度不強(qiáng)，掘進(jìn)施工時(shí)可能有淋水現(xiàn)象。120AuAMUAAMU_■_■_■_■_■_■_■_■_■_■_■_■_■_■_■_■ffi限isisBsiM-Bsm120AuAMUAAMU_■_■_■_■_■_■_■_■_■_■_■_■_■_■_■_■ffi限isisBsiM-Bsm3豪裘璧Ji3f?aWWIgiKBl&aHJ=?swmss置Bi燮120

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roAuAMU曲頭圖4-1迎頭正前方視電阻率分布圖如圖4-2所示迎頭前方45。方向探測(cè)成果圖，其中前方14.25m段（即距迎頭正前方10?18m,頂板高度10~18m范圍）和40-60m（即距迎頭正前方29?43m,頂板高度29?43m范圍）為相對(duì)低阻區(qū)域，但賦水程度不強(qiáng)。roAu迎頭■MAU買曉w、一?■&!■■mroAu迎頭■MAU買曉w、一?■&!■■m?9?IHfiH1001101200102030405060708090圖4-2迎頭斜上45°方向視電阻率分布圖100110120如圖4.3所示，迎頭頂板60m以上，視電阻率相對(duì)較高,而6?12m和46-58H1段視電阻率相對(duì)較低，其中46-58m段相對(duì)賦水。Au7/AnuAHVAAAMUAu7,AnuAHVA-圖4-3迎頭頂板方向視電阻率分布圖五、結(jié)論Au7/AnuAHVAA