煤礦水害源電磁法探測技術(shù)及應用

煤礦電法勘探技術(shù)與應用

一、前言〔一〕我國煤礦水害類型我國礦井水害的類型很多，按水的來源大體上可分為五類：1.地表水體水害;2.老空水水害;3.煤層頂?shù)装迳皫r孔、裂隙水水害;4.巖溶水水害;5.廢棄井口、采后冒裂帶、巖溶地面塌陷坑〔洞〕、陷落柱、斷層帶及煤層頂?shù)装寤蚍饪撞涣嫉呐f鉆孔都會成為可能的含〔導〕水通道。當采煤工作面或掘進巷道接近或溝通老空區(qū)時，極易發(fā)生老空水水害。

一、前言

〔二〕地球物理勘探物理依據(jù)(電磁法)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，其導電性特征在縱向上固定的變化規(guī)律，而在橫向上相比照較均一。當存在構(gòu)造破碎帶時，如果構(gòu)造不含水，那么其導電性較差，局部電阻率值增高;如果構(gòu)造含水，由于其導電性好，相當于存在局部低電阻率值地質(zhì)體。綜上所述，當斷層、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，為以巖石導電性差異為物理根底的電磁法探測方法提供了良好的地質(zhì)條件。 〔一〕地面電法勘探地質(zhì)任務(1)探明礦區(qū)主要含水層和隔水層的埋深、層厚、產(chǎn)狀和隱伏導水通道的位置；(2)探明采區(qū)主要控水構(gòu)造及巖溶、裂隙發(fā)育帶、陷落柱的位置，并對其富水性進行評價；(3)探明采煤工作面頂、底板巖層或掘進巷道前方隱伏導水通道和含水體的位置；(4)探明老窯采空區(qū)，圈定采空區(qū)積水范圍；(5)探查采動巖體裂隙發(fā)育規(guī)律和承壓水原始導升高度；(6)防治水工程質(zhì)量評價，如注漿效果檢測等。二、地面電法勘探技術(shù)

〔二〕方法簡介直流電法勘探和電磁法勘探是水資源勘查和水文地質(zhì)條件評價的主要物探方法。二、地面電法勘探技術(shù)方法特點主要應用范圍直流電法

1）理論方法成熟，施工技術(shù)簡單，抗干擾。2）體積效應影響大，隨著勘探深度的增大，分辨率急劇下降；3）施工效率低，工作量大。

主要用于淺部（小于500米）的水文勘探工作，如：第四系含水層、覆蓋層厚度、斷層裂隙帶、巖溶等的勘查。

瞬變電磁測深法

1）體積效應小、分辨力高、施工效率高；2）能穿透高阻屏蔽層，勘探深度大；3）抗干擾能力比直流低；4）受地表人文設施干擾大。5）存在淺部勘探盲區(qū)。

主要用于中深部（小于1000米）水文勘探工作，如：砂巖富水區(qū)、斷層裂隙帶、巖溶裂隙等的勘查。

〔二〕方法簡介方法特點主要應用范圍可控源音頻大地電磁測深法

1）能穿透高阻屏蔽層，勘探深度大；2）橫向分辨力高、施工效率高；3）受地表不均勻體影響大（靜態(tài)效應）；4）存在過渡區(qū)；5）資料處理解釋復雜。

可用于中深部（可達1500米）水文勘探工作，如：砂巖富水區(qū)、斷層裂隙帶、巖溶裂隙、地熱等的勘查。

EH4大地電磁測量系統(tǒng)

1）天然場與人工場相結(jié)合工作方式；2）發(fā)射裝置輕便，便于野外移動；3）時間域多次迭加采集數(shù)據(jù)，提供了豐富的地質(zhì)信息；4）實時數(shù)據(jù)分析，確保觀測質(zhì)量；5）現(xiàn)場給出連續(xù)剖面的擬二維反演結(jié)果，較直觀；6）勘探深度較大，分辨率高?？碧缴疃?0~1000米，巖土電導率分層、地下水探測、基巖埋深調(diào)查、煤田高分辯率勘探、工程地質(zhì)和環(huán)境調(diào)查及咸淡水分界面劃分等

二、地面電法勘探技術(shù)〔一〕電阻率法根本理論與方法1、地下電流場分布、探測深度及探測體積概念

三、地面電法勘探方法根本原理

2.地下高阻和低阻異常體對電流的吸引和排斥作用

3.視電阻率概念及計算

三、地面電法勘探方法根本原理〔二〕垂向電測深法1.垂向電測深法原理〔對稱四極裝置〕三、地面電法勘探方法根本原理2．三極測深法特點：相對于對稱四極測深法，三極測深法具有以下特點：〔1〕工作方便靈活，無窮遠供電電極的位置確定后只需移動近測點供電電極，單向布置電極受地面地物的影響最小，測線端的測量“盲區(qū)〞最短；〔2〕三極測深是非對稱裝置，它對地下地電異常體的電性響應最強，其異常分辨能力比對稱裝置高，可通過加大電極距密度，提高電法勘探的分辨能力；〔3〕測量可采用固定MN方式，這樣既可以減小地表不均勻體的干擾，又能提高勘探精度。特別適合于探測中淺部發(fā)育巖溶的分布情況?！?〕由于用單極供電，MN間信號較弱，需要大電流供電。〔二〕垂向電測深法〔三〕電剖面法1.原理電剖面法是用以研究地電斷面橫向電性變化的一類方法。一般采用固定的電極距并使整個電極裝置沿著測線平移，這樣便可觀測到在一定深度范圍內(nèi)視電阻率沿著剖面的橫向變化。相對于電測深而言，電剖面法更適用于探測產(chǎn)狀陡立的高、低阻體，如劃分不同巖性的接觸帶、追索斷層及構(gòu)造破碎帶等。2.裝置類型：聯(lián)合剖面法、對稱四極剖面法和復合對稱四極剖面法等三、地面電法勘探方法根本原理3.應用實例〔三〕電剖面法橫穿古河道的對稱四極剖面曲線1-砂礫巖；2-堅硬砂巖低阻體上對稱四極剖面與聯(lián)合剖面曲線的關系〔四〕高密度電阻率法1.高密度電阻率法勘探系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖三、地面電法勘探方法根本原理(四)高密度電阻率法2.密度電阻率法的裝置形式〔四〕高密度電阻率法3．高密度電阻率法特點〔1〕由于電極布設是一次完成的，這不僅減少了因電極設置而引起的故障和干擾，而且為野外數(shù)據(jù)的快速和自動測量奠定了根底?！?〕能有效的進行多種電極排列方式的掃描測量，因而可以獲得較豐富的關于地電斷面結(jié)構(gòu)特征的地質(zhì)信息?！?〕野外數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)了自動化或半自動化，不僅數(shù)據(jù)采集速度快，而且防止了由于手工操作所出現(xiàn)的錯誤?！?〕可以對資料進行預處理并顯示剖面曲線形態(tài)，脫機處理后還可自動繪制和打印各種成果圖件?！?〕與傳統(tǒng)的電阻率法相比，高密度電阻率法本錢低、效率高，信息豐富，解釋方便，勘探能力顯著提高?！?〕由于高密度電阻率法采用自動讀數(shù)，在工業(yè)流散電流干擾較大的礦區(qū)工作時不易保證觀測質(zhì)量，特別是大極距時更是如此。〔7〕高密度電阻率法主要用于勘探淺部的電性異常體，在水文物探中常用于淺部裂隙帶、采空區(qū)等的精細勘探?！参濉乘沧冸姶欧?.原理瞬變電磁法〔TransientElectromagneticMethod，簡稱TEM〕是利用不接地回線或電極向地下發(fā)送脈沖式一次電磁場，用線圈或接地電極觀測由該脈沖電磁場感應的地下渦流產(chǎn)生的二次電磁場的空間和時間分布，來解決有關地質(zhì)問題的時間域電磁法。2.電磁感應原理三、地面電磁法勘探方法根本原理〔五〕瞬變電磁法

瞬變電磁場煙圈〔五〕瞬變電磁法

2.瞬變電磁測深的裝置形式〔a〕重疊回線裝置和中心回線裝置〔b〕偶極裝置〔五〕瞬變電磁法

1〕重疊回線裝置重疊回線裝置是發(fā)送回線與接收回線相重合敷設，但由于有互感現(xiàn)象，故在野外施工時將兩者分開1～2m的距離。TEM方法的供電和測量在時間上是互相分開的，因此發(fā)送回線與接收回線可以共用一個回線，稱之為共圈回線。重疊回線裝置是頻率域方法無法實現(xiàn)的裝置，它與地質(zhì)探測對象有最正確耦合，重疊回線裝置響應曲線形態(tài)簡單，具有較高的接收電平、較好的穿透深度及異常便于分析解釋等特點?！参濉乘沧冸姶欧?/p>

2〕中心回線裝置是使用小型多匝接收線圈〔或探頭〕放置于邊長為L的發(fā)送回線中心觀測的裝置，常用于探測1km以內(nèi)的中、淺層測深工作。中心回線裝置和重疊回線裝置都屬于同點裝置。因此，它具有和重疊回線裝置相似的特點，但由于其線框邊長較小，縱橫向分辨率高，受外部人文噪聲的干擾較小，對環(huán)境要求較低，適應面較寬?！参濉乘沧冸姶欧?/p>

3〕偶極源裝置偶極裝置是保持發(fā)射線圈和接收線圈的距離不變，整個系統(tǒng)沿測線逐點移動觀測，偶極裝置具有輕便靈活的特點，它可以采用不同位置和方向去激發(fā)導體及觀測多個分量，對礦體有較好的分辨能力。由于收、發(fā)線圈別離，消除了兩互感作用。但是，偶極裝置是動源裝置，發(fā)送磁距不可能做得很大，因此探測深度受到限制。另外，偶極裝置所觀測到的時間特性曲線復雜，給解釋帶來一定的困難。瞬變電磁法與其它電法相比，具有以下特點：〔1〕觀測斷電后的純二次場，克服了復雜的一次場補償問題，同時受地形影響較?。弧?〕單脈沖激發(fā)就可得到多信息的整條瞬變電場衰減曲線，通過加大發(fā)射功率和屢次疊加，可大幅度地提高信噪比，加大勘探深度；〔3〕采用不接地回線裝置，適宜于各種地理環(huán)境下野外工作；〔4〕由于瞬變電磁法的探測深度僅取決于大地電阻率和儀器的采樣時間，故可通過調(diào)節(jié)發(fā)送功率、儀器采樣時間，方便地控制探測范圍；〔5〕采用不同的裝置形式，可以相應地提高橫向、縱向分辨能力；〔6〕對發(fā)送回線的形狀、方位和點位要求不嚴，測地工作簡單，可通過流水作業(yè)到達極高的工作效率；〔7〕在高阻圍巖地區(qū)不會產(chǎn)生地形起伏的假異常，在低阻圍巖區(qū)，由于是多道觀測，早期場的地形影響也較易分辨。三、地面電磁法勘探方法根本原理〔六〕可控源音頻大地電磁法(CSAMT)1.概況可控源音頻大地電磁法(CSAMT)是20世紀70～80年代在大地電磁法(ＭＴ)和音頻大地電磁法(AMT)的根底上開展起來的可控源頻率測深方法，它具有探測深度大、橫向分辨能力較強、觀測效率高、兼有測深和剖面研究雙重特點，是研究深部地質(zhì)構(gòu)造、尋找隱伏礦和地下水資源勘查的一種有效手段。CSAMT是一種利接地水平電偶源作為信號源的一種人工電磁測深法。其原理和常規(guī)大地電磁測深法類似。近年來，由于CSAMT法抗干擾性能強，能在工業(yè)游散電流極強的礦區(qū)工作，加之其勘探深度相對較大、不受高阻層屏蔽以及工作的本錢低廉等優(yōu)點，在深部煤礦采區(qū)水文勘查中也得到較多應用并取得了良好效果〔六〕可控源音頻大地電磁法(CSAMT)2.CSAMT野外工作方法

在煤礦采區(qū)水文勘探中，其主要參數(shù)一般為：AB>=1000m，r>=3000m，MN=20或40m，點距等于MN的大小，測線距離一般為點距的2～3倍?！擦晨煽卦匆纛l大地電磁法(CSAMT)3.CSAMT測量儀器現(xiàn)在國內(nèi)主要應用的是由美國ZONGE公司GDP-32Ⅱ和加拿大PHOENIX公司生產(chǎn)的V6〔現(xiàn)已經(jīng)推出V8型〕多功能電法儀。4.CSAMT法的特點CSAMT法同直流電法勘探相比有以下優(yōu)點：〔1〕使用可控制人工場源，它的信號強度比天然場要大得多，而且測量參數(shù)為電場與磁場的比值，減少了外來的隨機干擾，因此可在較強干擾區(qū)的礦區(qū)及外圍或在城市及城郊開展工作?！?〕基于電磁波的趨膚深度原理，利用改變頻率而非改變幾何尺寸進行不同深度的電測深，大大提高了工作效率，減輕了勞動強度，一次發(fā)射，可同時完成7個點的電磁測深?！?〕橫向分辨率高，可靈敏地發(fā)現(xiàn)斷層。除方法本身的原因外，通過增加接收頻點和采用整條斷面反演，可有效提高分辨能力?！?〕地形相對影響小。如對原始數(shù)據(jù)作必要的數(shù)據(jù)處理，可使地形影響降至最低；〔5〕勘探深度范圍大，可達1～2ｋｍ(不同儀器系統(tǒng)的探測深度不同)。CSAMT的儀器是具有實時處理的數(shù)字化儀，頻率范圍要求從0.1到200Hz為了使用更為有效，儀器應為多道。最高采樣率要求到達0.25ms。每道都要有去假頻濾波器和抑制電源干擾的濾波器，同時整機的特性必須噪聲低、輸入阻抗高，道間干擾小。圖1GDP-32Ⅱ儀器照片〔六〕可控源音頻大地電磁法(CSAMT)〔6〕高阻屏蔽作用小。CSAMT法使用的是交變電磁場，因而它可以穿過高阻層，特別是高阻薄層。有些無法用直流電法探測到的高阻薄層下的地質(zhì)體，而用CSAMT法能得到很好反映。盡管CSAMT法有上述優(yōu)點，但該法依然有自身的缺點，主要表現(xiàn)在兩個方面：〔1〕存在近場區(qū)問題：由于CSAMT法的儀器設備發(fā)送功率有限，為保持足夠強度的觀測信號，收發(fā)距相對趨膚深度不是很大時，電磁場進入過渡區(qū)或近區(qū)。然而，卡尼亞電阻率計算公式是根據(jù)遠區(qū)(或稱波區(qū))條件導出的。在過渡區(qū)或近區(qū)，卡尼亞視電阻率發(fā)生畸變，即使在均勻大地條件下，算出的也明顯偏離大地的真電阻率，這稱為非波區(qū)場效應或近場效應。為了克服這一現(xiàn)象，需要對原始數(shù)據(jù)進行近場校正?！?〕存在靜態(tài)效應：靜態(tài)效應是由于地表淺層存在較大的電性差異而引起的一系列高阻或低阻密集帶，需要通過空間濾波的方法進行靜態(tài)改正。

三、地面電磁法勘探方法根本原理(七)EH4電磁成像系統(tǒng)1.EH-4工作原理EH4的測量頻段為10Hz～100KHz，其探測深度大致在10m～1000m。500Hz以上用可控源發(fā)射，500Hz以下利用天然電磁場。因此EH4是天然和人工場源并存的雙源型大地電磁測量儀。目的是加強高頻信號，補償高頻天然訊號的缺乏，增加采集數(shù)據(jù)的可靠性和提高分辨率。EH-4發(fā)射裝置示意圖EH-4接受裝置示意圖(七)EH4電磁成像系統(tǒng)2.EH-4電磁成像系統(tǒng)特點(與其它物探方法比較)：〔1〕采用人工場源與天然