煤矿瞬变电磁法超前探实验报告

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瞬变电磁法超前探实验报告

一、物探勘探任务及目的

为了避免巷道掘进中直接揭露含水构造，根据现场巷道施工情况，需对////巷迎头处采用矿井瞬变电磁探测技术进行超前探测，探测顶板斜向上30°方向、顺层方向及底板斜向下30°方向前方100m范围内含水构造发育情况；为布置探放水钻孔设计提供依据。结合我矿已有的水文地质资料，对巷道外侧的富水性分布进行分析。主要任务及目的如下：

1、探测////巷迎头顶板、顺层及底板方向的低阻体异常及分布范围

。

2、对测区内煤层开采或水害治理提供物理探测技术依据。

3、为布置探放水钻孔设计提供依据。

二、矿井瞬变电磁（TEM）的原理及工作方法

2.1矿井瞬变电磁（TEM）的原理

矿井瞬变电磁和地面瞬变电磁法的基本原理的一样的，理论上也完全可以使用地面电磁法的一切装置及采集参数，但受井下环境的影

响，矿井瞬变电磁法与地面的TEM 的数据采集与处理相比又有很大的区别。由于矿井轨道、高压环境及小规模线框装置的影响，在井下的探测深度很受限制，一般可以有效解释100m 左右。另外地面瞬变法为半空间瞬变响应，这种瞬变响应来自与地表以下半空间层，而矿井瞬变电磁法为全空间瞬变响应，这种响应来自回线平面上下（或两侧）地层，这对确定异常体的位置带来很大的困难。实际资料解释中，必须结合具体地质和水文地质情况综合分析。

瞬变电磁法或称时间域电磁法(Time domain electromagnetic methods)，简称TEM ，它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲电磁场，在一次脉冲电磁场间歇期间，利用不接地线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。其基本工作方法是：于地面或井下设置通以一定波形电流的发射线圈，从而在其周围空间产生一次磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电流。断电后，感应电流由于热损耗而随时间衰减。衰减过程一般分为早、中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小; 而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。

在导电率为σ、导磁率为0μ的均匀各向同性大地表面铺设面积为S 的矩形发射回线，在回线中供以阶跃脉冲电流)(t I ，

()⎩⎨⎧≥<=I 000t t I t （1）

电导率σ=0.1S/m

T 发射回线均匀半空间

"烟圈"

图1 瞬变电磁法工作原理示意图

在电流断开之前，发射电流在回线周围的大地和空间中建立起一个稳定的磁场（如图2所示）。在t=0时刻，将电流突然断开，由该电流产生的磁场也立即消失。一次磁场的这一剧烈变化通过空气和地下导电介质传至回线周围的大地中，并在大地中激发出感应电流以维持发射电流断开之前存在的磁场，使空间的磁场不会即刻消失。由于介质的热损耗，直到将磁场能量消耗完毕为止（见图3）。

图2 瞬变电磁法感应电磁场转换原理示意图

由于电磁场在空气中传播的速度比在导电介质中传播的速度大得多，当一次电流断开时，一次磁场的剧烈变化首先传播到发射回线周围地表各点，因此，最初激发的感应电流局限于地表。地表各处感应电流的分布也是不均匀的，在紧靠发射回线一次磁场最强的地表处感应电流最强。随着时间的推移，地下的感应电流便逐渐向下、向外扩散，其强度逐渐减弱，分布趋于均匀。研究结果表明，任一时刻地下涡旋电流在地表产生的磁场可以等效为一个水平环状线电流的磁场。在发射电流刚关断时，该环状线电流紧挨发射回线，与发射回线具有相同的形状。随着时间推移，该电流环向下、向外扩散，并逐渐变形为圆电流环。等效电流环象从发射回线中“吹”出来的一系列“烟圈”，因此，人们将地下涡旋电流向下、向外扩散的过程形象地称为“烟圈效应”（如图4所示）。

“烟圈”的半径r 、深度d 的表达式分别为： ()202/8a t c r +⋅=σμ （2）

0/4πσμt d = （3）

图3 瞬变电磁场的烟圈效应

式中a 为发射线圈半径。发射线圈半径相对于“烟圈”半径很小时， “烟圈”将沿倾斜锥面扩散，其向下传播的速度为：

t t d v 02πσμ=∂∂= （4）

从“烟圈效应”的观点看，早期瞬变电磁场是由近地表的感应电流产生的，反映浅部电性分布；晚期瞬变电磁场随时间的变化规律，可以探测大地电性的垂向变化。

2.2、 矿井瞬变电磁（TEM ）的特点

1、受矿井巷道的影响矿井瞬变电磁法只能采用边长1.5m 的多匝回线装置，这与地面瞬变电磁法相比数据采集劳动强度小，测量设备轻便，工作效率高，成本低；

2、采用小规模回线装置系统，因此为了保证数据的质量、降低体积效应的影响、提高勘探分辨率，特别是横向分辨率；

3、井下测量装置距离异常体更近，大大的提高测量信号的信噪比，经验表明，井下测量的信号强度比地面同样装置及参数设置的信号强很多；

4、地面瞬变电磁法勘探一般只能将线框平置于地面测量，而井下瞬变电磁法可以将线圈放置于巷道底板测量，探测底板一定深度内含水性异常体垂向和横向发育规律，也可以将线圈直立于巷道内，当线框面平行巷道掘进前方，可进行超前探测；当线圈平行于巷道侧面煤层，可探测工作面内和顶底板一定范围内含水低阻异常体的发育规

律；

5、矿井瞬变电磁法对高阻层的穿透能力强，对低阻层有较高的分辨能力。在高阻地区如果用直流电法勘探要达到较大的探测深度，须有较大的极距，故其体积效应就大，而在高阻地区用较小的回线可达到较大的探测深度，故在同样的条件下TEM较直流电法的体积效应小得多。

2.3、矿井瞬变电磁法地球物理特征

在探测富水区的位置及其分布范围等方面，瞬变电磁法是目前最有效的方法之一，其物理基础是富水区相对于周围地层有明显的电性差异。理论上讲，干燥岩石的电阻率值很大，但实际上地下岩石孔隙、裂隙总是含水的，并且随着岩石的湿度或者含水饱和度的增加，电阻率急剧下降，即赋水性的不均匀程度在瞬变电磁参数图件上反映为电阻率的高低变化；当岩层完整时其电阻率较高，受构造运动或地下水作用的影响，部分地段岩层破碎或裂隙发育，破碎程度及其含水的饱和度越大（砂岩、灰岩富水性增强），岩石的导电性会显著增强，地层电阻率会明显降低，断面图上会有明显的低阻异常反映。正常情况下，各层位电性在横向上是相对均一的。当存在局部低阻异常体（裂隙带、富水区等）时，在断面上就会出现局部低电阻率异常区。正常地层的电阻率是依次继增的，当岩层富水时，其电阻率会降低，和围岩相比较形成低阻反映。为以导电性差异、电性感应差异作前提的瞬变电磁法探测技术的运用提供了良好的地球物理前提。