清鎮市新橋煤礦7101運輸巷、7102回風巷迎頭礦井瞬變電磁法超前探測報告

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清鎮市新橋煤礦7101運輸巷、7102回風巷迎頭礦井瞬變電磁法超前探測報告























貴州鑄安礦山科技股份有限公司
二零一一年五月



目 錄
1 前言····································································································································· 1
2 礦井水文物探技術············································································································· 2
2.1 礦井物探方法選擇及依據··························································································· 2
2.2 瞬變電磁法基本原理··································································································· 2
2.3 礦井瞬變電磁法的特點······························································································· 4
2.4 礦井瞬變電磁法工作方法技術··················································································· 5
2.5 礦井瞬變電磁法的資料解釋方法··············································································· 8
3 井下現場數據采集············································································································· 9
3.1 礦井瞬變電磁法裝置形式及其參數選擇··································································· 9
3.2 工作進度······················································································································· 9
3.3 測點布置與勘探工作量······························································································· 9
3.4 井下幹擾····················································································································· 10
4 資料解釋··························································································································· 11
4.1 數據解釋流程············································································································· 11
4.2新橋煤礦7101運輸巷迎頭超前探測解釋成果························································ 12
4.3新橋煤礦7102回風巷迎頭超前探測解釋成果························································ 14
5 結論與建議······················································································································· 17


1 前言
新橋煤礦7101運輸巷、7102回風巷前方有可能存在隱伏的導水構造或老窯及廢棄巷道，對巷道安全掘進產生一定威脅。為確巷道的安全掘進，設立7101運輸巷、7102回風巷迎頭瞬變電磁掘進頭超前探測項目，查明掘進頭前方富水區域，為巷道掘進過程中的防治水工作提供科學依據。
貴州鑄安公司於2011年5月采用礦井瞬變電磁法對7101運輸巷、7102回風巷迎頭進行了超前探測的井下實測工作，經過室內的數據處理及資料解釋形成本報告，供礦方用於指導生產過程中礦井防治水工作。
本項目自始至終得到了新橋煤礦有關領導和技術人員的大力支持，在此一並表示感謝。

2 礦井水文物探技術
2.1 礦井物探方法選擇及依據
瞬變電磁法（Transient Electromagnetic Method，簡稱TEM）是利用不接地回線或電極向地下發送脈衝式一次電磁場，用線圈或接地電極觀測由該脈衝電磁場感應的地下渦流產生的二次電磁場的空間和時間分布，來解決有關地質問題的時間域電磁法。
瞬變電磁法與其它電法相比，具有以下特點：
（1）觀測斷電後的純二次場，克服了複雜的一次場補償問題，受地形影響較小；
（2）單脈衝激發就可得到多信息的整條瞬變電場衰減曲線，通過加大發射功率和多次疊加，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，適宜於各種地理環境下的野外工作；
（4）由於瞬變電磁法的探測深度僅取決於大地電阻率和儀器的采樣時間，故可通過調節發送功率、儀器采樣時間，方便地控製探測範圍；
（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，可通過流水作業達到極高的工作效率；
（7）在高阻圍岩地區不會產生地形起伏的假異常，在低阻圍岩區，由於是多道觀測，早期場的地形影響也較易分辨。
統計03manbetx 以前探測資料可知，不同岩性地層電阻率大小關係大致為：泥岩＜泥質粉砂岩＜細砂岩＜粗砂岩＜煤層＜灰岩。煤係地層的富水性對其導電性影響最為關鍵。當岩石裂隙發育且不含水時，電阻率將明顯增大，而岩石裂隙發育且含水時，電阻率將明顯減小，可達十倍。綜上所述，煤層頂板砂岩構造裂隙發育且含水時與不含水砂岩電性差異明顯，富水性和構造裂隙發育程度對導電性影響很大。該煤礦工作麵具備采用礦井瞬變電磁法勘探煤層富水異常區的條件。
2.2 瞬變電磁法基本原理
瞬變電磁法的激勵場源主要有兩種，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。下麵以均勻大地的瞬變電磁響應為例，來討論回線形式磁偶源激發的瞬變電磁場，從而闡述瞬變電磁法測深的基本理論。
在導電率為σ、導磁率為μ的均勻各向同性大地表麵敷設麵積為S的矩形發射回線，在回線中供以階躍脈衝電流
（2-1）
在電流斷開之前（ 時），發射電流在回線周圍與大地空間中建立起一個穩定的磁場。
在t=0時刻，將電流突然斷開，由該電流產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，並在大地中激發出感應電流以維持發射電流斷開之前存在的磁場，使空間的磁場不會即刻消失。
由於介質的歐姆損耗，這一感應電流將迅速衰減，由它產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。

圖2-1 穿過Tx中心的橫斷麵內電流密度等值線
應該指出，由於電磁場在空氣中傳播的速度比在導電介質中傳播的速度大得多。當一次電流斷開時，一次磁場的劇烈變化首先傳播到發射回線周圍地表各點，因此，最初激發的感應電流局限於地表。地表各處感應電流的分布也是不均勻的，在緊靠發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，分布趨於均勻。美國地球物理學家M．N．Nabghan對發射電流關斷後不同時刻地下感應電流場的分布進行了研究，研究結果表明，感應電流呈環帶分布，渦流場極大值首先位於緊挨發射回線的地表下，隨著時間推移，該極大值沿著與地表成30°傾角的錐形斜麵向下、向外移動、強度逐漸減弱。圖2-1中示出了不同時刻穿過發射回線中心的橫斷麵上地下感應電流密度等值線。
任一時刻地下渦旋電流在地表產生的磁場可以等效為一個水平環狀線電流的磁場。在發射電流剛關斷時，該環狀線電流緊接發射回線，與發射回線具有相同的形狀。隨著時間推移，該電流環向下、向外擴散，並逐漸變形為圓電流環。
圖2-2給出了發射電流關斷後不同時刻地下等效電流環的示意分布。從圖中可以看到，等效電流環很象從發射回線中“吹”出來的一係列“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”。
從“煙圈效應”的觀點看，早期瞬變電磁場是由近地表的感應電流產生的，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律，可以探測大地電位的垂向變化。

圖2-2 瞬變電磁場煙圈
2.3 礦井瞬變電磁法的特點
礦井瞬變電磁法基本原理與地麵瞬變電磁法基本原理相同。所不同的是，礦井瞬變電磁法是在井下巷道內進行，瞬變電磁場呈全空間分布，全空間效應成為礦井瞬變電磁法固有的問題。煤層一般情況下為高阻介質，電磁波易於通過，所以煤層對TEM來說就沒有像對直流電場那樣的屏蔽性，故接收線圈接收到的信號是來自發射線圈周圍全空間岩石電性的綜合反映。因而在判定異常體空間位置時，需根據線圈平麵的法線方向並結合地質資料加以綜合03manbetx 確定。
由於特殊的井下施工環境，礦井瞬變電磁法與地麵瞬變電磁法以及其它的礦井物探方法有很大的不同，主要有以下幾方麵的特點：
（1）受井下巷道施工空間所限，無法采用地表測量時的大線圈（邊長大於50m）裝置，隻能采用邊長小於3m的多匝小線框，因此與地麵瞬變電磁法相比具有測量設備輕便，工作效率高，成本低等優點，可用於其他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測等）。
（2）由於采用小線圈測量，點距更密（一般為2~20m），體積效應降低，橫向分辨率提高，再者測量裝置靠近目標體，異常體感應信號較強，具有較高的探測靈敏度。
（3）利用小線框發射電磁波的方向性，可以探測采煤工作麵頂、底板含水異常體的空間分布，探測巷道迎頭掘進前方隱伏的導（含）水構造。
（4）受發射電流關斷時間的影響，早期測量信號畸變，無法探測到淺層的地質異常體，一般存在20m左右的淺部探測盲區。
（5）井下施工時，測量數據容易受到金屬物（采煤機械、變壓器、金屬支架、排水管道等）的幹擾，需要在資料處理解釋中進行校正或剔除。
目前，礦井瞬變電磁法主要用於解決煤層頂板（或底板）岩層內部的富水異常區探測、巷道掘進迎頭前方的突水構造預測、含水陷落柱勘查等水文地質問題。

圖2-3 全空間瞬變電磁場的傳播
2.4 礦井瞬變電磁法工作方法技術
目前，礦井瞬變電磁法經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—偶極裝置收發線圈互感影響小，消除了一次場影響，但二次場信號弱，不易於地質異常體識別。
2.4.1 裝置參數的設計
目前，礦井瞬變電磁法經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—偶極裝置收發線圈互感影響小，消除了一次場影響，但二次場信號弱，不易於地質異常體識別。
礦井瞬變電磁法在井下巷道中采用多匝數小回線裝置測量，參數選擇是否合理直接影響測量結果。礦井瞬變電磁法測量參數主要有：回線邊長大小、回線匝數、時間序列、疊加次數、終端窗口和增益等。
根據不同的地質任務，選擇回線邊長與匝數是不同的。回線在一定的範圍內線框越小，其體積效應也越小，其橫向直、縱向分辨率也愈高。信號的強弱可通過選擇中心探頭的檔位和調整發送電流的大小進行控製。由於井下的工作環境所限製，礦井巷道寬度隻有幾米，因此回線邊長不能太大，否則不便於施工，也降低工作效率。地麵上的瞬變電磁勘探邊長可長達200m不等，能勘探較深部位的地質體。但井下的工作任務不同，施工環境所限，隻能選擇較小的邊長，通過具體的實驗，一般在2～3m。
要提高發射功率，可通過增加回線匝數、加大發射電流來增大發射磁矩，以此提高信噪比，增大有效探測深度。
其它參數在井下實際測量中，正式工作前通過試驗即可確定。回線大小一定，一般回線匝數愈多，發射磁矩愈大，發射功率也愈大，接受回線感應信號也愈強。有效麵積增大，發射磁矩愈大，發射功率也愈大，探測深度增大，接受回線感應信號也愈強，但會增加裝置移動的難度。實際測量中，由於井下巷道空間的限製，為了增大回線的有效麵積，有時可采用矩形回線組合進行測量，以滿足實際探測工作的需要。總之，礦井瞬變電磁法在實際測量中應根據探測任務的要求和井下實際人文設施情況，選擇合理的回線邊長大小和回線匝數，不僅能有效完成探測任務，同時可提高實際探測的工作效率和減小測量中的勞動強度。
2.4.2 測點布置及施工方法
1）掘進迎頭測點布置
測點布置在巷道迎頭空間位置（見如圖2-4），即從巷道迎頭左側開始，首先使發射、接收天線的法線垂直巷道左側麵進行測量（圖2-4中的1號測點），然後旋轉天線，使天線的法線方向與巷道的左側分別成60°，45°和30°的夾角進行探測（圖2-4中的2，3和4號測點）；當天線的法線方向與巷道迎頭界麵垂直時，根據其主迎頭斷麵的寬度布置2~3個測點（圖2-5中的5，6和7號測點）；到巷道迎頭右側時再旋轉天線，使法線方向與巷道右側分別成30°，45°，60°和90°的夾角進行探測（圖2-4中的8，9，10和11號測點）。即在多個角度采集數據，從而獲得盡可能完整的前方空間信息。

圖2-4超前探測測點布置示意圖
在實際工作過程中對於圖1中的每個發射點，可調整天線的法線與巷道底板的夾角大小，以探測巷道頂板、順層和底板方向的圍岩變化情況，其探測方向如圖2-5所示。這樣可得到位於巷道迎頭前方一個錐體範圍內地層介質的電性變化情況。

圖2-5 探測方向示意圖
2.4.3 井下幹擾問題
礦井瞬變電磁法測量環境位於井下巷道內，離地麵深度一般大於500m，因此地麵瞬變電磁法測量中的各種幹擾對井下瞬變電磁法測量響很小可不予考慮。但礦井瞬變電磁法除了其電磁響應為全空間場外，還具有回線組合的尺寸比地麵小得多（一般為2m左右），加上井下鐵軌、工字鋼支護、錨網支護和運輸皮帶支架等人文設施的影響，使得礦井瞬變電磁超前探測比地麵複雜得多。
通過井下實際測量03manbetx ，影響井下瞬變電磁法超前探測中主要人文設施有：（1）巷道底板上的鐵軌；（2）工字鋼支護；（3）錨杆支護；（4）運輸皮帶支架等各種金屬設施。這些金屬設施在井下瞬變電磁法探測中能產生很強的瞬變電磁響應，如在巷道底板下采用重疊回線組合測量時，有鐵軌地段比無鐵軌地段瞬變電磁響應應強幾倍。因此，係統研究井下瞬變電磁超前探測中各種噪聲的瞬變電磁響應特征，對礦井瞬變電磁法數據采集、資料處理和解釋工作有著重要的實際意義。
巷道內鐵軌、錨網支護、運輸皮帶及各種電纜在瞬變電磁中是一種低阻響應，使得實測視電阻率減小幾個數量級，但此類影響在測線方向往往是均一的，可作為一種背景異常進行校正。對於巷道內的其它孤立的金屬機電設備（如變壓器、電機、密集鋼梁支護等），在實測時應偏移測點位置盡量避開，同時做好記錄，以便在資料解釋時排除此類影響。
2.5 礦井瞬變電磁法的資料解釋方法
瞬變電磁法的資料解釋步驟是首先對采集到的數據進行去噪處理，根據晚期場或全期場公式計算視電阻率曲線，然後進行時深轉換處理，得到各測線視電阻率斷麵圖。最後，根據探測區的地球物理特征、TEM響應的時間特性和空間分布特征並結合礦井地質資料進行綜合解釋，劃分地層富水區分布範圍。
根據礦井瞬變電磁法基本原理和大量應用實例，可以得出如下對礦井瞬變電磁法應用條件和應用效果的一些認識：
（1）礦井瞬變電磁法是時間域電磁感應法的重要補充和完善。由於發射線圈和接收線圈布置在井下巷道中，全空間效應和巷道影響是巷道圍岩介質中瞬變電磁場的兩個基本特征，因此巷道影響下的全空間瞬變電磁場分布變化規律是礦井瞬變電磁法理論基礎。
（2）在巷道有限斷麵內，發射和接收線圈的尺寸受到限製，為提高瞬變電磁場的強度，一般采用增加線圈匝數以擴大發射和接收麵積的方法，實踐表明這種做法在提高探測信號信噪比方麵確實有效，但隨之帶來因線圈自感和互感增大致使視電阻率計算值偏低的問題（在10-2～10-4數量級）與實際情況相差很大，需要進行校正。
（3）巷道金屬支護材料，鐵軌電纜和采掘機電設備等對觀測結果產生較大影響，合理選擇測點位置，采用多次疊加技術是保證井下觀測質量的重要措施。
（4）根據探測目標體的空間方位，合理地選擇發射和接收線圈的位置，對於提高地質應用效果至關重要。
（5）應用實例表明，礦井瞬變電磁法對充水構造或充水岩溶等反映靈敏，加之巷道施工空間的選擇餘地較直流電法大。建立巷道影響下全空間瞬變電磁場的正演理論，係統研究采煤工作麵不同方位地質目標體的地電異常特征，將大大擴大礦井瞬變電磁法的應用領域，具有良好的應用前景。


3井下現場數據采集
3.1 礦井瞬變電磁法裝置形式及其參數選擇
本次使用澳大利亞產Terra-TEM型儀器。該儀器是目前比較先進的輕型專業TEM儀器之一，具有采樣自動化程度高、壓製幹擾能力強、實時監控等特點，數據采集由微機控製，自動記錄和存儲，與微機連接可實現數據回放。
礦井瞬變電磁法勘探采用重疊回線裝置，發射和接收線框采用多匝1.5m×1.5m矩形回線，發射線框60匝，接收線框70匝。采樣時窗為：1~34，疊加次數：64，時間采用標準時間序列。
3.2 工作進度
新橋煤礦7101運輸巷、7102回風巷迎頭於2011年5月1日完成井下數據采集工作，5月1日～5月6日對瞬變電磁資料進行初步的處理解釋，並於5月6日提交了井下探測的解釋成果。
3.3 測點布置與勘探工作量
該次探測測點布置於巷道掘進迎頭，具體探測方式與測點布置（見圖3-1）如下：

圖3-1 掘進頭探測測點示意圖
從迎頭左側開始布置測點，至迎頭右側為止，實際布置測點數見表3-1，實現對迎頭區域覆蓋。探測順煤層方向的煤岩層電性變化情況。
表3-1勘探工作量表
工作麵名稱 測點數（個） 測量數據（個）
7101運輸巷迎頭 11 33
7102回風巷迎頭 11 33
總計 22 66

3.4 井下幹擾
實際測量過程中對一些幹擾因素注意避讓，采集的數據質量較為可靠。



4資料解釋
4.1 數據解釋流程
瞬變電磁數據處理，利用相關計算公式及采區的基本資料計算視電阻率、視深度等一些基本參數，根據資料的實際情況應進行濾波、一維反演處理，直至獲得合適的解釋數據。處理流程如下圖4-1所示。

圖4-1 瞬變電磁數據處理流程圖
本次資料解釋將堅持：“水文地質研究與物探資料解釋相結合，定性解釋與定量解釋相結合”的基本原則，采用綜合處理與解譯技術，減少多解性，提高解釋可靠性。資料解釋的基本流程如圖4-2所示。
礦井TEM視電阻率等值線斷麵圖橫坐標為測點坐標，縱坐標為沿探測方向上深度坐標，結合地質和水文地質資料，確定探測區域內橫向、水平深度和垂向深度上岩層電性變化情況。
說明：探測過程中采用多匝線圈天線裝置，由於線圈自感和互感的影響，礦井瞬變電磁法采用該裝置將會產生約25米的探測盲區，探測的有效範圍一般為25~113米。

圖4-2 瞬變電磁資料解釋流程圖
4.2新橋煤礦7101運輸巷迎頭超前探測解釋成果
圖4-3、圖4-4和圖4-5為新橋煤礦7101運輸巷迎頭處分別沿底板、順層和頂板三個方向探測的視電阻率等值線圖。
從這三個視電阻率等值線圖中可知，在新橋煤礦7101運輸巷迎頭處在探測範圍內視電阻率等值線變化較為均勻，對應範圍內頂板和底板探測視電阻率等值線圖也無明顯大的異常擾動。說明在巷道迎頭在探測範圍內煤層連續性較好，底板和頂板對應範圍也無明顯賦含水構造。
巷道迎頭正前方在頂板和底板視電阻率等值線圖上40米到60米存在一個相對封閉的高阻異常，從視電阻率值的相對大小03manbetx ，該異常區可能為空的采空區。需要引起注意, 但不排除其他幹擾因素造成的影響。

圖4-3 底板方麵視電阻率等值線圖

圖4-4 順層方向視電阻率等值線圖

圖4-5 頂板方向視電阻率等值線圖
4.3新橋煤礦7102回風巷迎頭超前探測解釋成果
圖4-6、圖4-7和圖4-8為新橋煤礦7102回風巷迎頭處分別沿底板、順層和頂板三個方向探測的視電阻率等值線圖。
從這三個視電阻率等值線圖中可知，在新橋煤礦7102回風巷迎頭處在探測範圍內視電阻率等值線變化較為均勻，對應範圍內頂板和底板探測視電阻率等值線圖也無明顯大的異常擾動。說明在巷道迎頭在探測範圍內煤層連續性較好，底板和頂板對應範圍也無明顯賦含水構造。
巷道迎頭正前方在順層和底板視電阻率等值線圖上40米到60米存在一個相對封閉的高阻異常，從視電阻率值的相對大小分析，該異常區可能為空的采空區。需要引起注意, 但不排除其他幹擾因素造成的影響。

圖4-6 底板方麵視電阻率等值線圖

圖4-7 順層方向視電阻率等值線圖

圖4-8 頂板方向視電阻率等值線圖






















5 結論與建議
綜合分析新橋煤礦7101運輸巷、7102回風巷迎頭瞬變電磁的超前探測結果，得出如下結論：
在新橋煤礦7101運輸巷迎頭處在探測範圍內視電阻率等值線變化較為均勻，對應範圍內頂板和底板探測視電阻率等值線圖也無明顯大的異常擾動。說明在巷道迎頭在探測範圍內煤層連續性較好，底板和頂板對應範圍也無明顯賦含水構造。在巷道迎頭正前方在頂板和底板視電阻率等值線圖上40米到60米存在一個相對封閉的高阻異常，從視電阻率值的相對大小分析，該異常區可能為空的采空區。需要引起注意, 但不排除其他幹擾因素造成的影響。
在新橋煤礦7102回風巷迎頭處在探測範圍內視電阻率等值線變化較為均勻，對應範圍內頂板和底板探測視電阻率等值線圖也無明顯大的異常擾動。說明在巷道迎頭在探測範圍內煤層連續性較好，底板和頂板對應範圍也無明顯賦含水構造。在巷道迎頭正前方在順層和底板視電阻率等值線圖上40米到60米存在一個相對封閉的高阻異常，從視電阻率值的相對大小分析，該異常區可能為空的采空區。需要引起注意, 但不排除其他幹擾因素造成的影響。
同時在掘進過程中加強揭露資料的收集工作，特別注意巷道前方的水文觀測，根據水文條件的變化，采取合理措施或再次進行電法的超前探測，以利於物探資料和實際揭露情況相互印證，進一步提高物探定性和定量解釋的精度和準確率，從而保證煤礦的安全生產。

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