礦井瞬變電磁法探測技

1、礦井瞬變電磁法探測技術 1 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用 五、問題分析 礦井瞬變電磁法探測技術 2 一、研究背景 20062006年有關煤礦透水事故總計年有關煤礦透水事故總計3636起，起，死亡死亡256256人人，死亡超過，死亡超過1010 人的特大透水事故人的特大透水事故5 5起，在查明透水原因的透水事故中，透水點大起，在查明透水原因的透水事故中，透水點大 多發(fā)生于巷道掘進工作面多發(fā)生于巷道掘進工作面。 20072007年有關煤礦透水事故總計年有關煤礦透水事故總計3030起，起，死亡死亡348348人人，死

2、亡超過，死亡超過1010 人的特大透水事故人的特大透水事故6 6起，大部分透水事故亦發(fā)生于巷道掘進工作面，起，大部分透水事故亦發(fā)生于巷道掘進工作面， 其中其中3 3月月1010日重慶永川縣紅爐鎮(zhèn)金源煤礦與日重慶永川縣紅爐鎮(zhèn)金源煤礦與7 7月月2626日山西呂梁地區(qū)孝日山西呂梁地區(qū)孝 義市慶平煤礦透水事故恰發(fā)生在義市慶平煤礦透水事故恰發(fā)生在探水作業(yè)探水作業(yè)期間，金源煤礦透水事故期間，金源煤礦透水事故 造成造成4 4人死亡，人死亡，1 1人下落不明，慶平煤礦造成人下落不明，慶平煤礦造成8 8人被困。人被困。 2008年年彭水縣蘆塘煤礦發(fā)生透水事故。造成彭水縣蘆塘煤礦發(fā)生透水事故。造成7 7人人死亡

3、死亡, ,兩人下兩人下 落不明落不明 。 煤礦水害約占煤礦安全事故總數(shù)的煤礦水害約占煤礦安全事故總數(shù)的1/31/3。 國家煤礦安全監(jiān)察局在認真總結各方面教訓、歸納提煉各地成國家煤礦安全監(jiān)察局在認真總結各方面教訓、歸納提煉各地成 功經(jīng)驗、組織專家廣泛論證基礎上，提出了煤礦水害防治功經(jīng)驗、組織專家廣泛論證基礎上，提出了煤礦水害防治“預測預預測預 報，有疑必探，先探后掘，先治后采報，有疑必探，先探后掘，先治后采”的十六字原則。目前礦井防的十六字原則。目前礦井防 治水技術已列入國家科技支撐計劃，進行重點科技攻關。治水技術已列入國家科技支撐計劃，進行重點科技攻關。 礦井瞬變電磁法探測技術 3 一、研究背

4、景 根據(jù)煤炭安全規(guī)程，掘進工作面遇到下列情況之一時， 必須確定探水線進行探水： 接近水淹或可能積水的井巷、老空或相鄰煤礦時；接近水淹或可能積水的井巷、老空或相鄰煤礦時； 接近含水層、導水斷層、溶洞和導水陷落柱時；接近含水層、導水斷層、溶洞和導水陷落柱時； 打開隔離煤柱放水時；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；時； 接近有出水可能的鉆孔時；接近有出水可能的鉆孔時； 接近有水的灌漿區(qū)時；接近有水的灌漿區(qū)時； 接近其他可能突水區(qū)時接近其他可能突水區(qū)時 礦井瞬變電磁法探測技術 4 一、研究背景

5、 目前探水技術 鉆探（接觸式） 物探（非觸式） 礦井直流電法、礦井瞬變電磁法、礦井直流電法、礦井瞬變電磁法、 彈性波法彈性波法 鉆探鉆探 礦井瞬變電磁法探測技術 5 中國礦業(yè)大學 重疊小回線重疊小回線 一、研究背景 PROTEM-47 偶極偶極- -偶極偶極 長安大學（李貅、武軍杰李貅、武軍杰 2005、2006） 隧道超前探測隧道超前探測 探頭屏蔽、隧道背景校正探頭屏蔽、隧道背景校正 西南交通大學（代剛代剛 2006） Ansys 模擬含巷道空間的瞬變電磁場模擬含巷道空間的瞬變電磁場 煤科總院西安分院 直流電法超前探直流電法超前探 應用 礦井瞬變電磁法探測技術 6 1 基本原理 在導電率為在

6、導電率為、導磁率為、導磁率為的均勻各向同性大地表面敷設面積為的均勻各向同性大地表面敷設面積為S的矩的矩 形發(fā)射回線，在回線中供以形發(fā)射回線，在回線中供以階躍脈沖電流階躍脈沖電流 （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 個個穩(wěn)定的磁場穩(wěn)定的磁場，如下圖所示。，如下圖所示。 二、礦井瞬變電磁法原理 00 0 )( t tI tI 00 0 )( t tI tI 礦井瞬變電磁法探測技術 7 1 基本原理 二、礦井瞬變電磁法原理 Tx t0 z x 圖 矩形框磁力線 礦井瞬變電磁法探測技術 8 1 基本原理 二、

7、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電介質傳至回線周圍的大地中，并在大 地中激發(fā)出感應電流以維持發(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。 由于介質的歐姆損耗，這一感應電流將迅速衰減，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中感應出新的強度 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。 礦井瞬變電磁法探測技術 9 1 基本原理 二、礦井瞬變電磁法應用 應該指出，當

8、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)的感應電流局限于地表。地表各處感 應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 電流最強。隨著時間的推移，地下的感應電流便逐漸向下、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” 。 礦井瞬變電磁法探測技術 10 1 基本原理 二、礦井瞬變電磁法原理 從“煙圈效應”的觀點看，早期瞬 變電磁場是由近

9、地表的感應電流產(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。 電 導 率 =0.1S/m T 發(fā) 射 回 線 均 勻 半 空 間 煙 圈 圖 瞬變電磁場煙圈 礦井瞬變電磁法探測技術 11 1 基本原理 瞬變電磁法也稱時間域電磁法瞬變電磁法也稱時間域電磁法(Time domain electromagnetic methods)，簡，簡 稱稱TEM，它是利用，它是利用不接地回線不接地回線或或接地線源接地線源向地下發(fā)射向地下發(fā)射一次脈沖磁場一

10、次脈沖磁場，在一次脈，在一次脈 沖磁場間歇期間，利用線圈或接地電極觀測沖磁場間歇期間，利用線圈或接地電極觀測二次渦流場二次渦流場的方法。簡單地說，瞬的方法。簡單地說，瞬 變電磁法的基本原理就是變電磁法的基本原理就是電磁感應定律電磁感應定律。 二、礦井瞬變電磁法原理 礦井瞬變電磁法探測技術 12 2 應用 根據(jù)瞬變電磁法對低阻體反應敏感的特點，將其用于煤礦井下水文根據(jù)瞬變電磁法對低阻體反應敏感的特點，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。瞬變電磁法是一種極具發(fā)展前景的方法，可查 明含水地質如明含水地質如巖溶洞穴與通道、煤礦采空

11、區(qū)、深部不規(guī)則水體巖溶洞穴與通道、煤礦采空區(qū)、深部不規(guī)則水體等。等。 二、礦井瞬變電磁法原理 礦井瞬變電磁法探測技術 13 由于礦井瞬變電磁勘探在井下巷道中進行，采用非接觸式、多匝數(shù)、小回線由于礦井瞬變電磁勘探在井下巷道中進行，采用非接觸式、多匝數(shù)、小回線 工作裝置進行探查，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工作裝置進行探查，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：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 礦井瞬變電磁法探測技術 14 采用邊長小于

12、采用邊長小于3m的多匝數(shù)、小回線工作裝置。因此，與地面的多匝數(shù)、小回線工作裝置。因此，與地面 瞬變電磁法勘探比瞬變電磁法勘探比 較具有數(shù)據(jù)采集較具有數(shù)據(jù)采集速度快速度快、工作裝備、工作裝備輕便輕便、工作、工作效率高效率高，成本低成本低等優(yōu)點；等優(yōu)點； 由于采用小回線裝置測量，點距更密（一般為由于采用小回線裝置測量，點距更密（一般為210m）體積效應小體積效應小，勘探，勘探分辨分辨 率高率高； 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的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的 影響因素（線圈匝數(shù)增加）；影響因素（線圈匝數(shù)增加）； 三、礦井瞬變

13、電磁法特點 礦井瞬變電磁法探測技術 15 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)盲區(qū)增大；增大； 井下工作裝置距離異常體更近，且為全空間響應，實際測井下工作裝置距離異常體更近，且為全空間響應，實際測 量結果表明，井下測量結果表明，井下測 量信號的強度比地面同樣有效面積的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相同工作裝置信號強10100倍，具有倍，具有高信高信 噪比噪比； 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迎頭超前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迎頭超前 探查

14、等），可采用工作裝置小、輕便的礦井瞬變電磁法探查探查等），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 礦井瞬變電磁法探測技術 16 礦井瞬變電磁法可采用全空間探測技術：礦井瞬變電磁法可采用全空間探測技術： 地面瞬變電磁法勘探一般只能將回線鋪設地面測量，而井下瞬變電磁法可以地面瞬變電磁法勘探一般只能將回線鋪設地面測量，而井下瞬變電磁法可以 根據(jù)探查目標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根據(jù)探查目標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行探查體垂向和橫向發(fā)育規(guī)律，可將回線布置在巷道

15、底板上進行探查; 也可將工作裝置也可將工作裝置 直立于巷道內，當回線面平行巷道掘進前方，可進行掘進巷道前方含水構造的超直立于巷道內，當回線面平行巷道掘進前方，可進行掘進巷道前方含水構造的超 前探查；當回線面平行于巷道側幫，可探查工作面頂?shù)装搴妥璁惓ｓw的發(fā)育前探查；當回線面平行于巷道側幫，可探查工作面頂?shù)装搴妥璁惓ｓw的發(fā)育 規(guī)律規(guī)律 三、礦井瞬變電磁法特點 礦井瞬變電磁法探測技術 17 礦井瞬變電磁法探測受巷道空間內金屬體影響較大：礦井瞬變電磁法探測受巷道空間內金屬體影響較大： 1） 巷道空間內各種金屬體的瞬變電磁響應特征不同；巷道空間內各種金屬體的瞬變電磁響應特征不同； 2） 金屬體（

16、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；方法； 三、礦井瞬變電磁法特點 礦井瞬變電磁法探測技術 18 四、礦井瞬變電磁法應用 1）井下進行探水實驗研究；）井下進行探水實驗研究； 2）形成了較為完善的礦井瞬變電磁技術體系，并逐步在煤礦上推廣使用；）形成了較為完善的礦井瞬變電磁技術體系，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）目前，皖北、淮北、淮南、徐州、永煤、兗 州、新汶、潞安、峰峰、金牛州、新汶、潞安、峰峰、金牛 等礦務集團的等礦務集團的 80%以上的礦井在采用礦井瞬變電磁法進

17、行煤礦防治水探測工作；以上的礦井在采用礦井瞬變電磁法進行煤礦防治水探測工作； 礦井瞬變電磁法探測技術 19 四、礦井瞬變電磁法應用 以超前探測為例：以超前探測為例： 礦井瞬變電磁法進行超前探時，要求掘進巷道掘進礦井瞬變電磁法進行超前探時，要求掘進巷道掘進迎頭斷面整齊迎頭斷面整齊，巷道空間，巷道空間 高度大于高度大于2米，距離巷道迎頭米，距離巷道迎頭5米范圍內沒有較大的金屬體（如掘進機械等），米范圍內沒有較大的金屬體（如掘進機械等）， 以減少其對瞬變電磁場的影響。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，一般分

18、鐘，一般3天天內能夠內能夠 提供初步的探測成果。因此，可利用工人換班時間進行工作，不影響巷道掘進提供初步的探測成果。因此，可利用工人換班時間進行工作，不影響巷道掘進 工作的正常進行。工作的正常進行。 礦井瞬變電磁法探測技術 20 四、礦井瞬變電磁法應用 礦井瞬變電磁法探測技術 21 四、礦井瞬變電磁法應用 礦井瞬變電磁法探測技術 22 四、礦井瞬變電磁法應用 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異常響應強、施工方便，但線圈間存在 較強的互感，一次場影響嚴重；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

19、，不易于地質異常體識別。 礦井瞬變電磁法探測技術 23 四、礦井瞬變電磁法應用 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。 礦井瞬變電磁法探測技術 24 四、礦井瞬變電磁法應用 3 施工方法 礦井瞬變電磁法在煤礦井下巷道內進行，測點間距220m之間。根據(jù)多 匝小線框發(fā)射電磁場的方向性，可認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煤層頂板、底板或平行煤層方向進行探測， 就可反映煤層頂、底板巖層或平行煤層內部的地質異常（見下圖）。其線框所

20、 在平面與頂?shù)装鍔A角視探測要求與煤層傾角而定。 礦井瞬變電磁法探測技術 25 四、礦井瞬變電磁法應用 3 施工方法 （a） 煤層頂板 巷道 600 探測方向 發(fā)射線框 煤層 （b） 煤層頂板 巷道 探測方向 發(fā)射線框 煤層 煤層頂板 巷道 450 探測方向 發(fā)射線框 工 作 面 450 巷道 探測方向 （c） 圖 瞬變電磁法探測方向示意圖 礦井瞬變電磁法探測技術 26 四、礦井瞬變電磁法應用 4 工作面頂?shù)装甯凰裕▽Ш畼嬙欤?針對工作面頂?shù)装甯凰曰蝽數(shù)装搴畼嬙斓奶綔y，探測測點通常布置于工 作面已貫通的兩巷以及切眼（聯(lián)絡巷）中，一般10m一個點距，在巷道揭露構造 的地方，測點可以適當加密

21、，如5m一個點距。針對不同探測任務，每個測點可 以進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。 礦井瞬變電磁法探測技術 27 四、礦井瞬變電磁法應用 4 工作面頂?shù)装甯凰裕▽Ш畼嬙欤?K8403工作面預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工作面進風巷與高抽巷內，設計測點點距10m。 K8403工作面 頂板 D1 D3 D2 底板 進風巷 高抽巷 D4

22、切巷 D5 D6 礦井瞬變電磁法探測技術 28 四、礦井瞬變電磁法應用 4 工作面頂?shù)装甯凰裕▽Ш畼嬙欤?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 指導礦方在異常區(qū)打鉆疏水，礦方在切巷距進風巷約20米處設計了一個放水 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。 礦井瞬變電磁法探測技術 29 四、礦井瞬變電磁法應用 5 掘進頭超前探測 針對掘進巷道前方富水性或含水構造的探測，探測測點通常布置于掘進 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。 礦井瞬變電磁法探測技術 3

23、0 四、礦井瞬變電磁法應用 5 掘進頭超前探測 針對不同探測任務，每個測點可以進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過程中，瓦斯孔出現(xiàn)涌水情況，為了安 全掘進，需要查明工作面前方是否有導含水構造，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、 左前方、正前方、右前方、右側的超前探測。 同時也實現(xiàn)了對順層、頂板與底板方向的探測。 礦井瞬變電磁法探測技術 31 四、礦井瞬變電磁法應用 5 掘進頭超前探測 -110-90-70-50-30-101030507090110 新元煤礦

24、南區(qū)膠帶下山超前探測視電阻率等值線剖面圖（順層方向） 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 礦井瞬變電磁法探測技術 32 四、礦井瞬變電磁法應用 5 掘進頭超前探測 -110-90-70-50-30-101030507090110 新元煤礦南區(qū)膠帶下山超前探測視電阻率等值線剖面圖（頂板方向） 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 礦井瞬變電磁法探測技術 33 四、礦井瞬變電磁法應用 5 掘進頭超前探測 -110-90-70-50-30-101030507090110 新元煤礦南區(qū)膠帶下山超前探測視電阻率等值線剖面圖（底板方向）

25、 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 礦井瞬變電磁法探測技術 34 四、礦井瞬變電磁法應用 5 掘進頭超前探測 根據(jù)掌子面瓦斯鉆孔涌水情況，結合已有的水文地質資料，推測迎頭左 前方第4第6掃描線間存在一條充水裂隙帶，該裂隙帶向煤層頂板與底板延 伸，其走向與掌子面煤層節(jié)理走向基本一致。后經(jīng)巷道掘進驗證，實際揭露 情況與探測結果相吻合。 礦井瞬變電磁法探測技術 35 四、礦井瞬變電磁法應用 5 掘進頭超前探測 山西潞安局某礦附近小煤礦較多，這些小煤礦的無規(guī)律開采形成的積水采 空區(qū)對該礦的生產(chǎn)帶來了潛在的安全隱患。在礦區(qū)邊界，為了查明掘進巷道前 方是否存在采空積水

26、區(qū)，采用礦井瞬變電磁法進行超前探測。 礦井瞬變電磁法探測技術 36 四、礦井瞬變電磁法應用 5 掘進頭超前探測 -120-110-100-90-80-70-60-50-40-30-20-100102030405060708090100110120 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 巷 道 掘 方 向 礦井瞬變電磁法探測技術 37 四、礦井瞬變電磁法應用 通過以上瞬變電磁方法在煤礦應用的具體實例，我們可以看出，瞬變電 磁法適合探測煤礦頂?shù)装甯凰惓^(qū)以及頂?shù)装咫[伏的導含水構造，在對巷 道掘進迎頭富水性或者含水構造超前探測方面，具有其獨特的優(yōu)勢。 根據(jù)瞬變電

27、磁法對低阻體反應敏感的特點，可以將其用于煤礦井下水文 勘查。最近幾年多家單位在不同礦區(qū)的實際應用也證明了該方法可行。但是 也要看到它還有很多實際問題亟待科研工作者密切合作加以解決。 礦井瞬變電磁法探測技術 38 謝謝各位專家 懇請批評指正！ 礦井瞬變電磁法探測技術 39 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用 五、問題分析 礦井瞬變電磁法探測技術 40 一、研究背景 根據(jù)煤炭安全規(guī)程，掘進工作面遇到下列情況之一時， 必須確定探水線進行探水： 接近水淹或可能積水的井巷、老空或相鄰煤礦時；接近水淹或可能積水的井巷、老空或相鄰煤礦時； 接近含水