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(yīng)用五、問題分析第2頁/共40頁3一、研究背景

2006年有關(guān)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(jìn)工作面。

2007年有關(guān)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(jìn)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(rèn)真總結(jié)各方面教訓(xùn)、歸納提煉各地成功經(jīng)驗、組織專家廣泛論證基礎(chǔ)上，提出了煤礦水害防治“預(yù)測預(yù)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(shù)已列入國家科技支撐計劃，進(jìn)行重點科技攻關(guān)。

第3頁/共40頁4一、研究背景

根據(jù)《煤炭安全規(guī)程》，掘進(jìn)工作面遇到下列情況之一時，必須確定探水線進(jìn)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(dǎo)水?dāng)鄬印⑷芏春蛯?dǎo)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(shù)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(xué)

重疊小回線一、研究背景PROTEM-47

偶極-偶極長安大學(xué)（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(xué)（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(yīng)用第6頁/共40頁71

基本原理

在導(dǎo)電率為σ、導(dǎo)磁率為μ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

（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(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，使空間的磁場不會即刻消失。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(zhì)中感應(yīng)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(yīng)用

應(yīng)該指出，當(dāng)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(yīng)電流局限于地表。地表各處感應(yīng)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(yīng)電流最強。隨著時間的推移，地下的感應(yīng)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(yīng)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(yīng)”。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(yīng)”的觀點看，早期瞬變電磁場是由近地表的感應(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(yīng)定律。二、礦井瞬變電磁法原理第12頁/共40頁132

應(yīng)用

根據(jù)瞬變電磁法對低阻體反應(yīng)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(zhì)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(jìn)行，采用非接觸式、多匝數(shù)、小回線工作裝置進(jìn)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(yīng)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(guān)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(yīng)，實際測量結(jié)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(jìn)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(shù)：地面瞬變電磁法勘探一般只能將回線鋪設(shè)地面測量，而井下瞬變電磁法可以根據(jù)探查目標(biāo)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(jìn)行探查;也可將工作裝置直立于巷道內(nèi)，當(dāng)回線面平行巷道掘進(jìn)前方，可進(jìn)行掘進(jìn)巷道前方含水構(gòu)造的超前探查；當(dāng)回線面平行于巷道側(cè)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(yīng)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(yīng)用1）井下進(jìn)行探水實驗研究；2）形成了較為完善的礦井瞬變電磁技術(shù)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(wù)集團的80%以上的礦井在采用礦井瞬變電磁法進(jìn)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(yīng)用以超前探測為例：礦井瞬變電磁法進(jìn)行超前探時，要求掘進(jìn)巷道掘進(jìn)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(jìn)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(jìn)行工作，不影響巷道掘進(jìn)工作的正常進(jìn)行。第20頁/共40頁21四、礦井瞬變電磁法應(yīng)用第21頁/共40頁22四、礦井瞬變電磁法應(yīng)用第22頁/共40頁23四、礦井瞬變電磁法應(yīng)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(zhì)異常響應(yīng)強、施工方便，但線圈間存在較強的互感，一次場影響嚴(yán)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(zhì)異常體識別。第23頁/共40頁24四、礦井瞬變電磁法應(yīng)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(jié)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(yīng)用3

施工方法

礦井瞬變電磁法在煤礦井下巷道內(nèi)進(jìn)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(rèn)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(zhǔn)煤層頂板、底板或平行煤層方向進(jìn)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(zhì)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(yīng)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(yīng)用4

工作面頂?shù)装甯凰裕▽?dǎo)含水構(gòu)造）

針對工作面頂?shù)装甯凰曰蝽數(shù)装搴畼?gòu)造的探測，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(luò)巷）中，一般10m一個點距，在巷道揭露構(gòu)造的地方，測點可以適當(dāng)加密，如5m一個點距。針對不同探測任務(wù)，每個測點可以進(jìn)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(yīng)用4工作面頂?shù)装甯凰裕▽?dǎo)含水構(gòu)造）K8403工作面預(yù)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(jìn)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(jìn)風(fēng)巷與高抽巷內(nèi)，設(shè)計測點點距10m。第28頁/共40頁29四、礦井瞬變電磁法應(yīng)用4工作面頂?shù)装甯凰裕▽?dǎo)含水構(gòu)造）經(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(dǎo)礦方在異常區(qū)打鉆疏水，礦方在切巷距進(jìn)風(fēng)巷約20米處設(shè)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(yīng)用5掘進(jìn)頭超前探測

針對掘進(jìn)巷道前方富水性或含水構(gòu)造的探測，探測測點通常布置于掘進(jìn)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(yīng)用5掘進(jìn)頭超前探測

針對不同探測任務(wù)，每個測點可以進(jìn)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(jìn)過程中，瓦斯孔出現(xiàn)涌水情況，為了安全掘進(jìn)，需要查明工作面前方是否有導(dǎo)含水構(gòu)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(cè)、左前方、正前方、右前方、右側(cè)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(yīng)用5掘進(jìn)頭超前探測

第32頁/共40頁33四、礦井瞬變電磁法應(yīng)用5掘進(jìn)頭超前探測第33頁/共40頁34四、礦井瞬變電磁法應(yīng)用5掘進(jìn)頭超前探測第34頁/共40頁35四、礦井瞬變電磁法應(yīng)用5掘進(jìn)頭超前探測