第3章 矿井瞬变电磁法,1998年起，中国矿业大学开始从事矿井瞬变电磁法的试验、应用工作，在实践中形成了多匝小回线重叠装置和分离装置等矿井瞬变电磁测深技术。矿井瞬变电磁法是一类非接触式探测技术，属于时间域电磁法，它利用不接地回线向采掘空间周围的煤岩体中发射一次场，通过在发射间歇测量煤岩体中电性不均匀体感应产生的二次场随时间的变化，来达到查明各种地质目标体的目的。 由于根据采掘空间断面的大小选择发射和接收回线边长后，仍可通过加大发射功率和接收回线匝数的方法增强二次场信号的强度，从而增大瞬变电磁法的顺层或垂直勘探深度，因此该方法在克服井下施工空间的局限性方面具有明显的优势。 矿井瞬变电磁法可用于探测煤层顶、底板及巷道石门揭煤和掘进工作面前方的隐伏地质构造，采煤工作面内瓦斯富集区和隐伏地质构造等。,3.1 矿井瞬变电磁法基本原理,3.1.1 基本原理,在瞬变过程的早期阶段，频谱中高频成分占优势，因此涡旋电流主要分布在地表附近，由于趋肤深度的高频效应，阻碍电磁场向地下深部传播，因此早期阶段的瞬变场主要反映地层的浅部地质信息。在晚期阶段，高频成分被导电介质吸收，低频成分占主导地位，在这一阶段，局部地质体中的涡流，实际上全部消失，而各层产生的涡流磁场之间的连续相互作用使场平均化，这时瞬变场的大小主要依赖于地电断面总的纵向电导。,瞬变电磁场是指在发射回线中阶跃变化电流作用下，地中产生的过渡过程的感应电磁场（一次场）在导电介质内产生的其结构和频率在时间与空间上均连续变化的涡旋交变电磁场（二次场）。按过渡过程可分为过程的早期和晚期两个阶段，在两个阶段中场所提供的信息不同，其用途也不同。,3.1.1 基本原理,3.1 矿井瞬变电磁法基本原理,瞬变电磁法的激励场源主要有两种，一种是载流线圈或回线形式的磁源，另一种是接地电极形式的电流源。,发射的电流脉冲波形主要有矩形波、梯形波和半正弦波，不同波形有不同的频谱，激发的二次场频谱也不相同。,图10.4.1矩形波,3.1 矿井瞬变电磁法基本原理,均匀大地的瞬变电磁响应过程,在导电率为、导磁率为的均匀各向同性大地表面敷设面积为零的矩形发射回线在回线中供以,的阶跃脉冲电流。,3.1.1 基本原理,3.1 矿井瞬变电磁法基本原理,矩形框磁力线,穿过Tx中心的横断面内电流密度等值线 Tx=800400m,3.1.1 基本原理,3.1 矿井瞬变电磁法基本原理,瞬变电磁场烟圈,3.1 矿井瞬变电磁法基本原理,半空间等效涡流环,等效电流环很象从发射回线“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”。,“烟圈”的半径r、深度d 的表达式分别为：,式中a为发射线圈半径，当发射线圈半径相对于“烟圈”半径很小时。可得 ：,3.1 矿井瞬变电磁法基本原理,3.1.2 矿井瞬变电磁法基本原理,全空间瞬变电磁场的传播,矿井瞬变电磁法同样面临全空间电磁场分布的问题。因煤层通常为高阻，电磁波易于通过，所以煤层对TEM来说就没有像对直流电场那样的屏蔽性，故TEM所测信号为线框周围全空间岩石电性的综合反映。但可利用小线框体积效应小、电磁波传播具有方向性的特点，通过改变线框平面方向并结合地质资料来判断地质异常体的空间位置。,3.1 矿井瞬变电磁法基本原理,垂直层面激发,五层地电断面,3.1 矿井瞬变电磁法基本原理,低阻陷落柱,第一层500m 第二层 50m，厚80m 第三层100m，厚80m 第四层 50m，厚80m 第五层500m。,陷落柱： 高240m，直径40m，电阻率1m，距激发源的垂直距离40m。,3.1 矿井瞬变电磁法基本原理,高阻陷落柱,第一层500m 第二层 50m，厚80m 第三层100m，厚80m 第四层 50m，厚80m 第五层500m。,陷落柱： 高240m，直径40m，电阻率200m，距激发源的垂直距离40m。,3.1 矿井瞬变电磁法基本原理,3.2 矿井瞬变电磁井下施工方法技术,3.2.1 装置参数设置,矿井瞬变电磁法工作装置主要有重叠回线和偶极装置两种： 重叠回线装置或中心回线测量，其优点是地质异常响应大、施工方便；缺点是线圈互感、自感效应强，一次场影响严重。 偶极装置优点是收发线圈互感影响小，消除了一次场影响；缺点是二次场信号弱，施工不方便。,矿井瞬变电磁法在井下巷道中采用多匝数小回线装置测量，参数选择是否合理直接影响测量结果。矿井瞬变电磁法测量参数主要有：回线边长大小、回线匝数、时间序列、叠加次数、终端窗口和增益等。 根据不同的地质任务，选择回线边长与匝数是不同的。由于井下的工作环境所限制，矿井巷道宽度只有几米，因此回线边长不能太大，否则不便于施工，也降低工作效率。地面上的瞬变电磁勘探边长可长达200米不等，能勘探较深部位的地质体。但井下的工作任务不同，施工环境所限，只能选择较小的边长，通过具体的实验，一般在23米。但边长太小，就影响发射功率，使得勘探深度大大降低。,3.2 矿井瞬变电磁井下施工方法技术,3.2.2 测点布置及施工方法,矿井瞬变电磁法在煤矿井下巷道内进行，测点间距220m之间。根据多匝小线框发射电磁场的方向性，可认为线框平面法线方向即为瞬变探测方向。因此，将发射接收线框平面分别对准煤层顶板、底板或平行煤层方向进行探测，就可反映煤层顶、底板岩层或平行煤层内部的地质异常 。,3.2 矿井瞬变电磁井下施工方法技术,3.2.3 超前探测技术,3.2 矿井瞬变电磁井下施工方法技术,3.2.4 井下干扰问题,影响井下瞬变电磁法超前探测中主要人文设施有：（1）巷道底板上的铁轨；（2）工字钢支护；（3）锚杆支护；（4）运输皮带支架等各种金属设施。这些金属设施在井下瞬变电磁法探测中能产生很强的瞬变电磁响应，如在巷道底板下采用重叠回线组合测量时，有铁轨地段比无铁轨地段瞬变电磁响应应强几倍。 因此，系统研究井下瞬变电磁超前探测中各种噪声的瞬变电磁响应特征，对矿井瞬变电磁法数据采集、资料处理和解释工作有着重要的实际意义。,3.3 矿井瞬变电磁法应用实例,3.3.1 煤层顶底板富水区探测,材料道：如上图所示，分别在联络巷起点至离联络巷150m、210360m之间以及420560m之间出现三个连通的低阻异常带，高度在顶板上30100m左右，又因为此三处低阻异常带异常幅度大，分布范围广且连通性好，推断为富含水区。,3.3.1 煤层顶底板富水区探测,溜子道：从图6-1-7中可以看出，顶板上方低阻异常带之间连通性也较好、分布范围较大集中在距联络巷210270m、350400m以及450550m三个区域中，其异常深度较浅，异常范围不大，大部位于顶板向上50m以内，只是在240m处顶板深度75m、和120m存在一个深度较大的异常。溜子道相邻为34221工作面，该工作面已回采完毕，其顶板因采动冒落，裂隙发育，且位于深部，所以其上方及相邻顶板水量减小。所以推断溜子道上方岩层弱富水。,3.3 矿井瞬变电磁法应用实例,3.3.2 巷道掘进迎头超前探实例,潞安环保能源开发股份有限公司屯留煤矿S2采区2#回风巷部分地段积水较多，积水区域长度超过100m，深度大于0.5m。为试验矿井瞬变电磁法超前探测技术对巷道积水的反映，在距离积水区边界35m远的地方进行矿井瞬变电磁法超前探测,3.3 矿井瞬变电磁法应用实例,3.3.2 巷道掘进迎头超前探实例,权台煤矿超前探,3.3 矿井瞬变电磁法应用实例,3.3.2 巷道掘进迎头超前探实例,3.3 矿井瞬变电磁法应用实例,（1）无高阻煤层屏蔽影响，能探测顶、底板岩层内地质异常。 （2）测量装置轻便，工作效率高，适应性强：对于其他矿井物探方法无法施工的巷道（巷道长度有限或巷道掘进迎头超前探测等），可采用测量装置小、轻便的矿井瞬变电磁法探测。 （3）采用小线圈测量，点距更密（一般为220m），可降低体积效应，提高勘探的横向分辨率。,矿井瞬变电磁法特点：,（4）利用矿井瞬变电磁法小线框发射电磁波的方向性，可分别用于探测巷道底板下一定深度内含水异常体垂向和横向发育规律、顶板一定范围内含水低阻异常体的发育规律及巷道掘进迎头超前探测等。 （5）由于瞬变电磁法关断时间的影响，与其它物探方法相比无法探测到更浅部的异常体，在浅部形成20m左右的盲区。,（6）矿井瞬变电磁法勘探受井下金属仪器设备（采煤机械、 变压器、金属支架等）的影响较大，需要在资料处理解释中进行校正或剔除。 （7） 多解性问题。,