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瞬變電磁探測技術及在潘一礦東區的應用
新聞作者:安徽淮南礦業集團潘一礦東區地測科 陳常興  發布時間:2017-01-06  查看次數:  放大 縮小 默認
安徽淮南礦業集團潘一礦東區地測科 陳常興
摘 要:瞬變電磁探測技術是近年來廣泛應用于煤礦井下地質探查工作的物探技術。本文在對瞬變電磁法探測原理的分析研究的基礎上,對瞬變電磁探測的工作方法進行了研究。該探測方法對低阻體反映靈敏,尤其是在礦井水文探測時,受全空間影響,信噪比提高,可對井下巷道頂底板及超前水體進行探測;利用YCS40(A)型礦井瞬變電磁儀在潘一礦東區的部分巷道進行賦水性探測,深度-電阻率反演結果的解釋與實際基本吻合,探測深度和解釋方法可供參考。為巷道掘進提供了及時可靠的理論依據,縮短了巷道工期,在礦井水文地質探測中具有廣泛的推廣應用前景。
關鍵詞:瞬變電磁礦井瞬變電磁富水性探測巷道超前探
0.引言
    水害是影響礦井安全生產的五大災害之一。在礦井開采過程中,查明采掘工作面前方及頂板富水異常區位置是煤礦安全生產亟待解決的水害問題。鉆探方法準確但速度慢、成本高,難以圈定富水區范圍,且打鉆時存在危險;傳統的直流電法等物探技術雖效率高、成本低,但因體積效應大等原因造成準確率和探測距離難以滿足生產需求;礦井瞬變電磁法是近幾年來發展起來的在煤礦井下巷道內探查其周圍空間不同位置、不同形態含水構造的礦井物探方法之一,瞬變電磁法存在著很多其他物探方法所不能比擬的優點,憑借其近距離觀測、體積效應小、方向性強、分辨率高、對低阻區敏感、施工快速的優點,可以有效地探測巷道周圍100m范圍內的老空水,已成為煤礦水害探測的最佳選擇。通過選擇合適的裝置形式,應用瞬變電磁法探測井下采掘工作面前方及頂板的含水性。本文主要在分析瞬變電磁理論的基礎上,通過時深轉換技術總結出在數據處理解釋中常見的問題的解釋技巧總結,最后通過給出一些井下瞬變電磁連續跟蹤超前探測的例子來說明上述問題。
1.礦井瞬變電磁原理
1.1 礦井瞬變電磁理論及其原理
    瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Method,簡稱TEM)是一種人工源的時間域電磁法。它的基本原理是利用不接地回線或電極向地下發送脈沖式一次電磁場,即在導電率為σ導磁率為μ的均勻各向同性大地表面敷設面積為零的矩形發射回線,在回線中供以 的階躍脈沖電流,將產生一個向地下傳播的一次瞬變磁場,在該磁場的激勵下,在地質體內產生渦流,其大小取決于地質體的導電程度。在一次場消失后,渦流不能立即消失,它將有一個過渡衰減過程,如圖1。

圖1 瞬變電磁二次場衰減示意圖
    隨之將產生一個衰變的感應電場(二次場)向地表傳播,在地表用接收線圈或接地電極所觀測到的二次場隨時間變化及剖面曲線特征,它將反映地下導電體的電性分布情況,從而判斷地下不均勻體的賦存位置、形態和電性特征。在瞬變過程的早期階段,頻譜中高頻成分占優勢,因此渦旋電流主要分布在地表附近,由于趨膚深度的高頻效應,阻礙電磁場向地下深部傳播,因此早期階段的瞬變場主要反映地層的淺部地質信息。在晚期階段,高頻成分被導電介質吸收,低頻成分占主導地位,在這一階段,局部地質體中的渦流,實際上全部消失,而各層產生的渦流磁場之間的連續相互作用使場平均化,這時瞬變場的大小主要依賴于地電斷面總的縱向電導。
1.2 時間深度轉換技術
    瞬變電磁法數據解釋是將回線組合測量到的不同時間感應電位函數換算成反映地下導電介質電性分布規律的不同時間視電阻率函數。根據換算出的時間視電阻率曲線只能解釋不同時間地下導電介質的電性分布特征,但不能反映地下電性介質的具體位置(深度),無法滿足實際需要。因此,必須將時間視電阻率曲線轉換成深度視電阻率曲線,對解決實際問題更具指導意義。由于地面各種噪聲的影響,地面瞬變電磁法探測極限深度一般為發射回線的2倍左右。井下一般采用2m左右的發射回線,根據地面探測極限深度只有4m左右,而實際井下采用多匝數、大電流測量,探測深度可達100m左右,由于礦井瞬變電磁法回線組合形式和背景干擾與地面不同,其探測深度與地面也不同。在計算深度時必須增加校正系數,通過理論模型和實際資料驗證,計算電磁場垂改擴散速度時加上0.4、0.6的校正系數,會取得十分理想的時間深度轉換。
    同時在時間深度轉換時存在幾種不同的轉換方式。常見的有3種時間深度轉換方式:
    ①全區間轉換單點轉換,每個測點分別轉換為各自的深度。
    ②特征點轉換。取所有測量點中一個點作為深度轉換點,把其深度作為整個測量工區所有測點的深度。
    ③區間轉換。
    取測區內一個范圍內點作為標準點,取其平均視電阻率作為轉換標準,并把其深度作為整個測量工區的深度。
2.礦井瞬變電磁法應用
    瞬變電磁在礦井探水,探測構造中的解釋原則:主要從電性上分析不同地層的電性分布規律。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,在原生地層狀態下,其導電性特征在縱向上固定的變化規律,而在橫向上相對比較均一。當斷層、裂隙和陷落柱等地質構造發育時,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律。這種變化規律的存在,表現出巖石導電性的變化。當存在構造破碎帶時,如果構造不含水,則其導電性較差,局部電阻率值增高;如果構造含水,由于其導電性好,相當于存在局部低電阻率值地質體,解釋為相對富水。根據MTEM視電阻率擬斷面圖,綜合地質和水文地質資料,可確定橫向水平深度和垂向深度電性變化情況。
3.礦井瞬變電磁法應用實例
    以淮南礦業集團潘一礦東區對FS2斷層和1252(1)軌順底板巷瞬變電磁連續超前跟蹤探測為例。
3.1 工程概況
    西一(11-2)采區軌道上山為潘一礦東區第一次揭露FS2斷層,三維地震解釋該斷層落差在10m左右,通過對巷道實際揭露資料分析,該斷層帶附近可能富水;1252(1)軌順底板巷為潘一礦東區首采面的主要巷道之一,在掘進過程中巷道出現短期淋滴水現象,初步分析該巷前方也可能富水。根據礦井安全生產要求,應做到“有疑必探,先探后掘”。為確保巷道安全掘進,需采用巷道超前探測,主要查明巷道前方及巷道周邊是否存在富水區,是否存在大的斷層導水通道。根據集團公司要求,應采用物探與鉆探相結合,水害威脅。本次探測采用瞬變電磁法勘探。
3.2 實地探測
    (1)2010年12月15日:西一(11-2)采區軌道上山探測結果:

圖2 西一(11-2)采區軌道上山掘進迎頭TEM超前探測視電阻率剖面圖

圖3 西一(11-2)采區軌道上山掘進迎頭TEM超前探測順層方向視電阻率剖面結合地質資料解釋
    本次探測共沿迎頭探測三個方向:為超前頂板方向、超前順層方向、超前底板方向。目的是為了探測迎頭三個方向的水文地質情況,F場采集點距0.2m;此次探測每個Tem物理點均采用2m×2m的重疊回線工作裝置,采集頻率為本安型瞬變電磁儀內設8.3Hz。
    本次數據處理時,以2010年12月15日巷道迎頭位置為零點,地測點G18前10米。以掘進方向為X軸正方向,建立空間坐標系,因此所得結果位置與掘進巷道實際控制一致。
    結論:對比三個方向視電阻率剖面圖可見,沿現在巷道掘進方向,頂板方向的視電阻率值略高于順層及底板方向的視電阻率值。頂板方向30~70m段偏左側視電阻率值低于6Ω.m;順層方向在34~70m段偏右側視電阻率值在4~6Ω.m之間,表現為相對低阻;底板方向在24~70m段偏右側巖體的視電阻率值較低,低于6Ω.m,局部小于4Ω.m,表現為低阻異常。
    此次探測結果表明:
    ①巷道前方偏左側30~70m范圍頂板方向電阻率值相對偏低,可能表現為砂巖層電性特征反映,預計該段巖體裂隙發育,局部含裂隙水。
    ②巷道前方偏右側24~70m范圍順層及底板方向電阻率值較低,可能相對富水。
通過鉆探及巷道實際揭露驗證,自探測迎頭位置向前100m范圍內巷道頂板有淋滴水現象,由于提前預報了該段頂板的富水性,所以在施工時加強了對頂幫的支護管理,對巷道成形起了較準確的指導意義,大大消除了因為頂板淋水對巷道的工期延誤。
    (2)2011年1月11日:1252(1)軌順底板巷
    本次探測與巷幫成40°仰角方向及與巷幫成8°仰角方向,目的是為了探測底板巷頂板方向水文地質情況。沿巷幫(左幫)由GD28號測點退后3m為物探起始位置,采集點距3m,數據采集量為23個,探測范圍:GD28-3m~GD28+63m,總長66m;此次探測每個Tem物理點均采用2m×2m的重疊回線工作裝置,采集頻率為本安型瞬變電磁儀內設8.3Hz。
    結論:瞬變電磁探測結果以電阻率成像圖表示,紅色(暖色調)為高電阻率值,藍綠色(冷色調)為低電阻率值,視電阻率值越低富水性越強。

圖4
    圖4(a)為與巷幫成40°仰角方向瞬變電磁探測結果剖面圖,圖4(b)為與巷幫成8°仰角方向瞬變電磁探測結果剖面圖,反映近巷幫前方巖體的視電阻率分布情況。
    圖4(c)為瞬變電磁結果地質解釋圖,為8°仰角方向的探測結果。本次探測有效深度為60m,巷幫前方0~10米為探測盲區。
    對比兩個方向視電阻率剖面圖可見,巷幫由GD28-3m~GD28+63m段有4個區域視電阻率值小于5Ω.m,為相對低阻異常,預計該區域巖體裂隙比較發育,含裂隙水。
    通過巷道實際揭露驗證,探測段巷道頂板裂隙發育,確有淋滴水現象,由于提前預報了該段頂板的富水性,所以在施工時采取了針對性的措施,加強了對頂幫的支護管理,對巷道掘進起了較準確的指導意義,大大消除了因為頂板淋水對巷道的工期延誤。
4.結束語
    本文通過礦井瞬變電磁理論推導和礦井水文地質探測研究與實踐,得出如下結論:
    (1)本文對瞬變電磁法的基本原理、水文地質探測的工作方法等進行了研究和技術總結,從而形成了一套較為完整的用于水文地質勘查的技術方法與路線。
    (2)對于資料解釋問題,本文重點總結了一些解釋的方法和技巧,通過各種數據的解釋和驗證,通過結果圖上視電阻率的分布變化情況,結合地質資料加以解釋,可做為以后解釋的參考。
    (3)最后的實例表明,瞬變電磁探測對煤礦生產具有一定的指導意義,從某種程度上大大縮短了施工工期,節省了較大的資源,該法的推廣使用也有著廣闊的前景。
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