地面瞬变电磁法（共11篇）
地面瞬变电磁法 篇1
摘要：介绍了利用地面瞬变电磁进行采空区充水区探测方法和原理, 在某煤矿采区疑似采空充水区域用该方法进行了探测。探测结果表明, 瞬变电磁能较准确的圈定老窑水体所在位置, 且施工方法方便灵活易于对矿区开采工作进行辅助性指导。但难以完全克服地形影响和地表人文干扰, 同时无法对老窑水藏水量进行定量解释。
关键词：瞬变电磁,老窑水,重叠回线
0 引言
山西是我国的煤炭资源大省，煤炭储量丰富，开采历史悠久，为国民经济建设做出了巨大的贡献，同时也为现代的煤炭生产留下了不少隐患。由于早期的管理不善和科技落后，一些小煤窑私挖乱采，造成了许多地质资料不明边界难以确定的采空区。矿井老窑水便是地下水聚积在这些采空区中形成的，其一般具有埋藏深度浅，年代久等特点，且开采情况，积水量、积水范围皆不易查明，一旦导通便会以“有压管道流”形式溃出，水量集中、来势迅猛异常，对煤矿生产和工人的人身安全带来极大的危害。近些年来瞬变电磁技术在煤矿探测方面得到了广泛应用[1,2]，特别是在老窑水探测方面因其对低阻体反应灵敏，又具有分辨能力强、工作效率高、受地形影响小等特点，越来越受到人们的重视。
1 测区地质情况及地球物理特征
本次探测目标区域位于山西省西北部，宁静向斜的南东边缘，地层由下古生界寒武系、奥陶系，上古生界石炭系、二叠系，中生界三叠系和新生界第三系、第四系组成。地层总体分布特征北北东-南南西走向，倾向北北西，由东向西即由盆地边缘向中间过渡，依次由老地层向新地层过渡，岩层倾角由陡变缓。区内地质构造简单，从地层出露及煤层底板等高线图上分析，井田构造形态总体为一单斜构造，倾向北西，倾角40°～52°，平均46°，浅部较陡，深部较缓。井田内断裂构造不发育，未发现陷落柱，无岩浆岩侵入。井田地质构造简单，为一类。
有可靠资料说明该煤田采区内存在废弃采空区，边界情况不明，埋深在地下100 m左右，且地表存在几处明显塌陷，有充水的可能性。拟采用瞬变电磁的方法对该地区进行探测，其电性特征为，地下充水处水体与周围导水通道相对围岩电阻率变低，成低阻异常;未充水处形成空洞或由于地下应力作用顶板冒落形成松散带，二者相对围岩皆成电性高阻，成高阻异常。这些为瞬变电磁法探测提供了地球物理前提。
2 瞬变电磁法的方法原理
瞬变电磁是利用不接地的回线向地下发射一次场，在脉冲电流的关断时间测量地下介质感应的二次场，通过分析二次场的衰减趋势来推断地质信息的一种非接触式的地球物理探测技术。其理论计算公式如下[3,4]：
等效电流
扩散半径
所在深度
向下传播速度
式中，t为时间，s;σ为电导率，s/m;μ为磁导率，h/m;μ0为空气的磁导率，4π×10-7 h/m;c2=0.546 479。
探测时通常在测线上等距布点，测量线框垂直于地面逐点测量，由以上公式可见最大勘探深度通常由线框边长决定，而采样窗口对应得到视电阻率对应的深度值可由采样时间计算得到。
3 实例分析
3.1 施工方法
本次测量采用重庆仪器厂生产的WDC-2B型瞬变电磁仪，20 m点距间隔对测区进行覆盖，用50 m×50 m的重叠回线进行数据采集，具体参数设置如下。
3.1.1 仪器设备
测量采用WDC-2B型瞬变电磁仪，与国内外同类设备比较有以下特点： (1) 配有深层、浅层、连续三种测量模块。深层模块时窗范围较宽，但采样密度较小;浅层模块时窗范围较窄，但采样密度较大。两种模块采样方式时间序列不一致。可根据不同的地质任务来选择不同测量模块，以取得满意的地质效果。 (2) 大屏幕显示现场观测数据Vt、V (t)/I衰减曲线以及多测道电压剖面;小屏幕显示发送电流。 (3) 各测道的时窗范围测量道数以及存储点数，通过改变不同发射周期来实现。 (4) 仪器工艺质量好、工作稳定性高、抗干扰能力强。
3.1.2 技术参数的选取
发射线圈：50 m×50 m重叠回线;发射周期：T=20 ms (1～17取样道);下降沿：Dn=100μs;延迟时间：De=210μs;采样时窗范围：0.15～15.8983 ms;叠加次数：St=64次;供电电流：7 A。
3.2 数据处理
瞬变电磁数据的处理可分为四部分： (1) 原始数据的录入; (2) 一次数据处理:包括数据编辑，数据滤波、均滑处理; (3) 二次数据处理：包括建立正、反演文件，磁源初步反演、磁源正、反演等; (4) 绘制图件。
在室内数据处理的基础上，绘制了基本分析图件： (1) 瞬变电磁各测线多测道剖面图; (2) 瞬变电磁各测线拟视电阻率断面图; (3) 某一深度拟视电阻率平面图。
瞬变电磁图件的绘制多测道电压剖面采用Grapher数据处理软件，平面图和断面图的处理采用winsurf数据处理软件，winsurf数据处理流程如图1所示。
3.3 资料解释
如图2、3所示为测线各测点的多测道剖面图和视电阻率断面图。
1～3号测点之间对应标高1 400～1 450 m处为低电阻异常，多测道剖面图上1～3号测点之间为高电压值异常，结合地质矿井资料综合分析认为，该异常为2#煤层采空区充水反映。
4～6号测点之间对应标高1 450～1 500 m处为低电阻异常，多测道剖面图上4～6号测点之间为高电压值异常，结合地质矿井资料综合分析认为，该异常为2#煤层采空区充水反映。
7～10号测点之间对应标高1 540～1 600 m处为高电阻异常，多测道剖面图上7～10号测点之间为低电压值异常，结合地质矿井资料综合分析认为，该异常为2#煤层采空区的反映。
4 结论
应用结果表明，瞬变电磁是一种对煤矿采空区特别是老窑水探测行之有效的物探方法。其方便灵活的探测方式能最大限度的克服地形起伏给数据采集带来的影响。
在资料解释处理上根据瞬变电磁各测线多测道电压剖面图上电动势等值线是否错位、有否双峰异常反映;瞬变电磁各测线视电阻率拟断面图上视电阻率等值线是否错位、断开，可以确定是否存在地质构造，当遇断层或陷落柱等构造时在多测道电压剖面图上表现为明显的双峰异常，随断层倾角变化双峰异常峰值也变化，在视电阻率拟断面图上表现为明显的视电阻率等值线错位、断开。当断层带较宽时表现为视电阻率等值线凌乱、电动势等值线多峰异常组合。
异常区充水较多时在多测道电压剖面图上表现为“高电压值异常”，在视电阻率拟断面图上表现为“低电阻异常”。采空区未充水时，在瞬变电磁多测道电压剖面图上表现为“低电压值异常”，在瞬变电磁拟视电阻率断面图上表现为“高视电阻率异常”。采空区充水较多时，在瞬变电磁多测道电压剖面图上表现为“高电压值异常”，在瞬变电磁拟视电阻率断面图上表现为“低视电阻异常”。视电阻率图上明显出现的高阻或低阻的闭合区域能有效的定位采空区所在的位置。
但同时应用还存在许多不理想的环节，首先地形的影响难以完全排除，在后期处理进行地形校正过程中同时加入了人文干扰。其次对于老窑水的水量难以进行定量。对于异常所处的深度也要结合地质资料进行进一步的确定。总之我们相信随着该技术的不断发展和完善，必将在煤矿水害的预报方面发挥更大的作用。
参考文献
[1]成剑文, 刘洪福, 等.瞬变电磁才划定煤矿采空区中的应用[J].科技情报开发与经济, 2007 (9) :140-141
[2]姜志海, 岳建华, 刘志新.矿井瞬变电磁法在老窑水超前探测中的应用[J].工程地球物理学报, 2007 (8) :291-294
[3]牛之琏.时间域电磁法原理[M].长沙:中南工业大学出版社, 1992
[4]蒋邦远.实用近区磁源瞬变电磁法勘探[M].北京:地质出版社, 1998
地面瞬变电磁法 篇2
关键词:积水范围;瞬变电磁法;断层
中图分类号:TD743文献标识码:A文章编号:1000-8136(2009)21-0008-02
郑煤集团盛源煤业有限责任公司井田范围内及周边分布有许多地方煤矿采空区,该矿自身由地方煤矿改造,地方煤矿的采掘方式较随意,又缺乏准确的采掘资料,对矿井的生产设计造成较大困难。此外,许多地方煤矿采空区由于开采时间较长,存有大量积水,对矿井安全生产造成极大的威胁。井田范围内断层等构造的含导水情况也会对矿井的安全生产造成影响。查明矿区内地下水、地下水岩溶管道的分布特征、采空区积水情况,可以为矿井预防水患指导生产提供参考。应用TEM瞬变电磁法能很好地探测矿区范围内地下水异常情况。[1]
1瞬变电磁法勘探原理
瞬变电磁法简称TEM,利用不接地回线或磁偶极子(或接地线源电偶极子)向地下发射脉冲电磁波作为激发场源(“一次场”),脉冲电磁波结束以后,探测目标体在激发场(“一次场”)的作用下会产生感生涡流,可以利用专门仪器观测这种涡流产生的电磁场(“二次场”)的强弱、空间分布特性和时间特性。针对
一次脉冲信号所激发的二次场信号表示为
二次场信号与ρ3/4、t5/4成反比。早期信号反映浅部地层地质信息,晚期信号反映深部地层地质信息,时间的早晚与探测深度的深浅具有对应关系。通过观测和研究“二次场”的空间分布特性和时间特性,可以推测解译地层或地质目标体的几何和物性特征。
2在盛源煤矿探放水中的应用中取得的地质成果
2.1视电阻率(ρs)反映特征
6线、8线、10线ρs视电阻率可反应这三条测线剖面电性分布特征,横向上看浅部自小号点至大号点方向视电阻率越来越高,6线和8线无大的低阻异常区,6线在21～22号测点之间、8线在8～10号测点和17～18号测点之间有小异常分布,而10线在8～14号测点之间有一较强低阻异常,编号为异常1。
12、14、16线ρs视电阻率反映了这三条测线纵向上电性分布规律:F3断层附近有明显低阻异常分布(异常2),应该是断层带含导水所致。此外12测线8～11号测点之间也分布着低阻异常1,但较10线分布范围略小。
2.2平面图反映特征
图1反映了测区内二1煤层附近的电性分布特征。该层位主要异常区的电性分布特征与二1煤层上20 m相似,本层视电阻率值在29.0 Ω.m到89.9 Ω.m之间变化,平均视电阻率值为59.5 Ω.m,标准偏差为9.5,根据划分异常标准 ,56.3 Ω.m的区域为相对低阻异常区(虚线圈定区域)。
3评 价
3.1异常区评价
异常1在8线、10线和12测线ρs拟断面图上都有分布,且在10线和12线上分布范围大,异常强度也较强。对照采掘工程平面图,异常区域内无构造存在,也无已知采空区分布,但从异常的分布形态和分布特征看,符合采空区积水特点,应为采空区局部积水引起的低阻异常。
异常2、3分布范围不大,异常强度也较强,在视电阻率异常平面图上该异常位于F3断层附近,在ρs拟断面图上可以看的更为清楚,即异常3位于F3断层带上,但在14线上看异常有自浅部向深部贯通的趋势。此外,异常的核心部位在浅部,由于该区域煤层底板等高线不太清楚,所以不能确定浅部异常的性质,但从浅部异常的形态看,有断层破碎带和采空区局部积水的可能性。所以,异常2浅部异常可能是断层破碎带和采空区局部积水引起的,深部异常是断层带含导水引起的。
异常4、5、7,分布范围较小,异常强度较弱,由于该区域缺乏详细的地质资料,从异常的分布形态上判断该异常应为局部地层裂隙含水引起的。
异常6、8从断面图上看,该异常与F3断层有联系,异常6应为F3断层破碎带在浅部含水导致的。
异常9、10、11对照采掘工程平面图可以看到该异常正好位于21121和22030局部已知采空区范围内,且该区域无其他构造和岩性变化,说明是采空区积水引起的。
3.2采空区积水评价
异常1、异常2浅部从异常分布形态和分布特征上看有采空区积水的特征,即分布区域集中,异常强度较强等。但从采掘工程平面图上看,无已知采空区存在,众所周知,小煤矿的采掘无规律性,采掘资料也不详细,不能排除未掌握采空区积水的可能性。
3.3断层含导水性评价
本次TEM测区内仅有F3一条较大断层,此外在测区东南平行于60测线有一排小断层。异常2、异常3与F3断层有密切地联系,从异常在断层带的分布特征看应为断层裂隙破碎带含水。从各个异常在整个F3断层带的分布规律看,F3断层带含导水性在延伸方向和纵向上都是不均一的。
3.4测区水文地质条件初步综合评价
二1煤及其顶底板顺层切片中蓝色虚线圈定区域为重点水文异常区,淡蓝色虚线圈定区域为次级水文异常区,测区内除上之外的区域为一般水文区。重点水文异常区为测区内富水性较强的区域,为水害威胁区域,需要引起特别重视;次级水文异常区为测区内富水性相对较强区域,发生水害威胁的可能性较低,但也要引起重视;一般水文区的富水性一般,在生产中应注意顶底板的保护。
4结论与建议
异常1为采空区局部积水引起的低阻异常;异常2浅部异常可能是断层破碎带和采空区局部积水引起的,深部异常是断层带含导水引起的;异常3是由F3断层带上局部含水造成的。
本次电法资料反映的是水的静态特性,在巷道掘进或煤层开采时,必须考虑顶板冒落、底板破碎等扩大原有裂隙通道或增加新导水通道的可能性。为保证井下采煤生产的安全,建议加强采掘前矿井水文物探工作,特别是在生产场地接近异常部位时应边探边掘,随时观察记录水文地质条件变化情况,以便实施针对性更强和更有效的防治水技术措施。
参考文献
1 姚 馨、雷忠林.瞬变电磁法在煤矿水患区预测中的应用[J].中国煤炭地质,2008(4):67～68、77
2 宋卫东、陶祥忠.瞬变电磁技术在巷道掘进工作面超前探测的效果[J].煤矿机械,2008(7):159～160
The Application of TEM in Exploration and Dewate-ring in Shengyuan Coal
Liu Rui,Sun ShuLin,Wang Huaixin,Tang Xiaqin
Abstract: Coal Mine in Henan Province Baofeng Shengyuan used transient electromagnetic exploration to explore the scope and boundaries of catchment. Besides, we could learn about the water contain in fault. The application of TEM provides an important guide for the safety in instruction.
瞬变电磁法在任楼煤矿的应用 篇3
1 瞬变电磁法的基本原理
瞬变电磁法或称时间域电磁法 (Timedomainelectromagnetic 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。
在电流断开之前, 发射电流在回线周围空间中建立起一个稳定的磁场 (如图1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2) 。
2 工程实践
任楼煤矿中六运输大巷, 位于中四采区北翼, 全岩巷道, 断面3.6m×3.3m, 锚梁网喷支护, 施工方位N304°。现已施工至Y23点前93m, 本区地质及水文地质基本情况如下:
2.1 构造
本区煤岩层为单斜构造, 巷道临近F2断层组, 预计小构造发育。
2.2 煤岩性 (巷道向前施工依次揭露)
1) 叶片状砂岩:深灰色, 分选性差, 薄层粉砂岩与灰白色细砂岩条带互层, 含炭质, 碎块状, 片状;2) 11煤:黑色, 碎块状, 结构简单, 煤厚0.3m±;3) 细砂岩:深灰~灰黑色, 质细, 性脆, 薄层状, 水平层理。
2.3 水文地质
本区距下部灰岩最小垂距13m±, 单孔最大出水量23m3/h, 说明此处灰岩富水性较弱。根据《煤矿防治水规定》计算此处安全隔水层厚度为17m, 为确保巷道安全掘进, 对巷道距太一灰小于17m段进行了注浆加固。本次探查、注浆加固及效果检验符合《安徽省煤矿防治水和水资源化利用管理办法》的规定, 并经专家论证, 具备掘进进尺条件。本区主要充水水源为顶底板砂岩裂隙水, 预计正常涌水量在0~5m3/h。
2.3.1 瞬变电磁法测线布置
超前探测点设计:巷道支护形式为锚梁网喷, 探测时迎头无前探梁。本次探测结合实际情况, 采用竖直剖面探测方式。竖直剖面探测方式:在迎头布置三个方向超前探测点, 分别为左帮45°、巷中、右帮45°, 每个探测方向从仰角60°至俯角60°, 每10°间隔做13个探测点 (如下图) ;共计39个物理点。
2.3.2 探测平面示意图:
2.4 数据处理与解释
井下瞬变电磁探测数据处理流程为:原始数据整理→数据转换与检查→数据处理与解释→拟二维剖面→surfer8成图。
通过以上步骤处理得到以下超前探测的成果图如下 (见附图) :
本次探测共获得物探成果对比图1张:附图为中六运输大巷迎头前方左前45°、正前方、右前45°三个方向竖直探测视电阻率等值线剖面图, 探测是从顶板仰角60°至底板俯角60°范围, 每10°间隔绘制的视电阻率等值线成果图。图中x轴坐标表示在巷道顶底方向勘探高度与深度;图中y轴坐标表示在巷道探测方向探测的长度。
从图中可以看出:探测范围内存在两处主要低阻异常区, 视电阻率值8~10Ω·m, 分别位于———左帮45°方向前方70~120m、顶板0~10°方向 (即距顶板0~20m) ;巷中方向前方60~120m、距巷道顶底板10m以浅范围;结合地质资料知2014-17#β=12°N=293°L=163m钻孔在126m位置出水, 水量20m3/h, 出水点位置与左帮45°方向前方探测到的低阻异常位置基本对应。综合分析认为低阻异常为受断层F2∠58°H=25~125m及其伴生断层局部发育含水裂隙体影响所致。
附图:
3 结论和建议
综合本次瞬变电磁法超前探测成果及掘进巷道水文地质资料分析, 得以下结论:
1) 本次瞬变电磁法探测最大有效距离为120m。
2) 综合分析认为本次探测的低阻异常为受断层F2∠58°H=25~125m及其伴生断层局部发育含水裂隙体影响所致。
3) 建议巷道施工过程中采用钻探控制, 加强顶底板管理及水文地质调查。
本次工作成果表明, 采用瞬变电磁法结合已有水文地质基础资料综合分析, 对掘进工作面超前探测行之有效, 同时对于复杂地质条件下的煤矿防治水工作具有重要的指导意义。
摘要：本文以任楼煤矿瞬变电磁法工程实践为例, 主要论述了顺便电磁勘探技术在矿井水害防治方面的应用。采掘实践证明, 瞬变电磁成果的应用基本消除了矿井水害风险。
关键词：瞬变电磁法,水害防治,应用
参考文献
地面瞬变电磁法 篇4
矿井瞬变电磁法在水文钻孔探测中的应用
探讨了用矿井瞬变电磁法探测采煤工作面内部和掘进巷道前方的水文钻孔的位置,对其富水性进行了定性评价,总结出水文钻孔在视电阻率断面图上的`响应特征,即在顺煤层方向呈圆形异常反映,而在煤层顶、底板方向呈狭长椭圆形特征.该方法在探测隐伏含水陷落柱构造方面也有较好的应用前景.
作 者：刘志新 于景村 郭栋 LIU Zhi-xin YU Jing-cun GUO Dong 作者单位：刘志新,于景村,LIU Zhi-xin,YU Jing-cun(中国矿业大学,江苏,徐州,221008)郭栋,GUO Dong(陕西省煤田地质局,物探测量队,陕西,西安,710005)
刊 名：物探与化探 ISTIC PKU英文刊名：GEOPHYSICAL AND GEOCHEMICAL EXPLORATION 年，卷(期)： 30(1) 分类号：P631 关键词：矿井瞬变电磁法 水文钻孔 富水性 超前探测地面瞬变电磁法 篇5
关键词:瞬变电磁法;一一井煤矿;采空区
中图分类号:TD743文献标识码:A 文章编号:1000-8136(2009)21-0023-02
郑煤集团(汝州)复盛矿业有限责任公司是郑煤集团一座资源整合矿井,区内老矿井较多,开采时间较长,对矿井的安全生产造成极大的隐患。
1瞬变电磁法勘探原理
瞬变电磁法属于时间域电磁法,以通电导线为场源,激励并探测目的物感生的二次电流,在脉冲间隙测量二次场随时间的变化响应,以此判断地下是否存在多层采空区,具有分辨率高、受地形影响小、工作效率高、灵敏度高、能穿透高阻覆盖层等优点。[1]
瞬变电磁法(简称TEM)是利用不接地回线或接地线圈向地下发送脉冲电流,以激励探测目标体感应二次电磁场,脉冲间歇期间,利用线圈或接地电极观测二次场随时间变化的响应。瞬变电磁的基本原理见图1,工作时,首先给发射线框供一直流电流,然后突然切断电源。线框内的电流将发生一个突变。根据麦克斯韦电磁理论,发射机电流突然降到零的过程中,将在发射线框附近产生一次脉冲磁场,该一次磁场又在地下产生感应涡流场,并产生衰变的二次磁场,随时间的推移不断向下、向外扩散。这种变化的电场和磁场交替产生,由近及远,扩散的速度与地下岩层的电阻率有关,不同时间扩散到不同深度。低电阻率地质体如导水断层、富水区、金属矿体等能引起较强且衰减慢的二次涡流场,而贫水区等高阻体引起较弱且衰减快的二次场。由于早期信号反映浅部地电特征,晚期信号反映较深部地电特征,这就可以达到测深的目的。[2]
2在复盛煤矿探放水中的应用中取得的地质成果
本次勘探施工区域面积约0.2 km2,野外工作采用二维测网布置为20(m)×20(m),即线距20 m,点距20 m,在测区范围内共布置测线23条,每条测线上坐标点不等。检查点按10%考虑,共设计工作量约为454个物理点。
瞬变电磁勘探施工采用规则测网观测系统,施工方法选择分辨率高的中心感应装置,采用360 m×360 m的单匝回线发射,有效面积200 m2中心探头进行接受采集,供电电流12安培以上,以每一发射回线中间1/9面积所包含的测点范围内施工。
2.1视电阻率(ps)拟断面图反映特征
7线、8线ps拟断面图反映了这两条测线剖面电性分布特征(图2),纵向上视电阻率值有高——低——高的趋势,与实际地质层位的电性分布规律是一致的,从总体上看,断面图视电阻率等值线分布变化剧烈,一是因为采空区塌陷造成的地层分布不连续引起的,二是受高压线影响造成的。从图上看,7线在14～18号测点之间及27～31号测点之间,8线在13～19号测点与27～31号测点之间有低阻异常区分布。
2.2平面图反映特征
在视电阻率异常平面图上,若地层含有相对低阻富水区和含、导水构造时,电性均匀分布规律被打破,反映在平面图上为低阻异常区呈现视电阻率值减小,等值线扭曲、变形为圈闭或呈密集条带状等。在上面的富水异常平面图上则低阻异常区更为直观,表现深灰色。
图3为二1煤附近视电阻率分布平面。阻异常区主要有:异常1、异常2和异常3。异常1位于测区东南部,大致于7～15线的11～31号测点之间,异常分布范围大,异常强度相对较强,分布区域煤层底板等高线扭曲、变化剧烈,有大面积采空区存在;异常2位于测区中部,大致在16～24线的23～28号测点之间,异常分布范围相对较小,异常强度较弱,也有采空区分布;异常3位于测区西北部井田边界附近,异常范围小,异常强度弱,也有采空区存在。
3评 价
3.1异常区评价
异常1在7线～15测线ρs拟断面图上都有分布,在各个层位异常平面图上分布都较强。异常1区域内有大面积采空区分布,但从异常分布形态、分布特征和采空区特征看采空积水区范围不会很大,从构造上看该区域有一条较大逆断层分布,断层上盘地层推覆在下盘地层之上,造成该区域地层分布组合相比其他区域发生了较大变化,造成断层带电性分布大范围的变化,引起了整个断层带的低阻异常反映。
异常2分布范围不大,异常强度较弱,在16线～23测线ρs拟断面图上都有分布。异常2区域内有12011工作面采空区分布,且异常区域内从二1煤底板等高线看变化平稳。异常2应为12011工作面采空区局部积水引起的。
异常3位于测区西北部,分布范围不大,异常强度较弱,异常区域内有采空区分布,且异常区正好分布于采空区低洼处,从采掘工程平面图看地层分布平缓,无其它构造分布。所以异常3是采空区低洼处积水引起的。二1煤下80m的异常4为二1煤底板下局部地层裂隙富造成的。
3.2采空区积水评价
瞬变电磁法对含、导水构造等低阻体反应敏感,而不含水的采空区大多是高阻,所以采用瞬变电磁法可以较为准确地圈出含水构造和积水采空区的边界和范围:异常1无法排除异常区域内局部积水的可能性;异常2应为12011工作面采空区局部积水引起的;异常3是采空区低洼区域积水引起的。
4结论与建议
通过本次电法勘探工作,基本查明了测区内二1煤层及其顶底板富水异常区、采空积水区的分布范围和相对强度、断层等构造的含导水性等。测区内共发现4个低阻异常区:异常1范围内采空区局部区域有积水的可能性;异常2应为12011工作面采空区局部积水引起的;异常3是采空区低洼处积水引起的;异常4为二1煤底板下局部地层裂隙富造成的。
为保证井下采煤生产的安全,建议加强采掘前矿井水文物探工作,特别是在生产场地接近异常部位时应边探边掘,随时观察记录水文地质条件变化情况,以便实施针对性更强和更有效的防治水技术措施。
参考文献
1 李成友、刘洪福.多层采空区调查中瞬变电磁法的应用[J].物探与化探,2007(31):108～110
2 孙吉益.煤矿井下瞬变电磁探测影响因素探讨[J].河北煤炭,2007(6):4～5
The Application of TEM in Exploration and Dewate-ring in Fusheng Coal
Zheng Yubin,Guo Lin,Yue Jianxin,Xin Changzhao
Abstract: The transient electromagnetic method(TEM)is used in Henan Province Baofeng Shengyuan coal to explore the goaf water distribution. Besides, we could learn about the water contain in fault. The application of TEM provides scientific basis for water-control.
瞬变电磁法在工程中的应用 篇6
几年来, 煤矿采空区富水调查被广泛开展, 目的是防治水害, 避免给煤炭生产带来安全隐患。同时, 由于瞬变电磁法具有探测深度大、分辨率高、信息丰富等特点[1], 从而又被应用于矿产资源勘查等领域。
由于电子技术的快速发展, 勘查市场的旺盛需求, 加之瞬变电磁法的自身优点, 使TEM方法从仪器到方法技术均获长足进展, 并被广泛应用于金属矿勘探、油气田勘探和煤田地质勘探[2]、工程地质勘察等多领域中。
2 方法原理
瞬变电磁法是一种时间域的电磁探测方法, 简称TEM。它是利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲电磁场, 介质在一次电流脉冲场激励下会产生涡旋电流:在脉冲间断期间涡旋电流不会随一次场消失而立即消失, 即有一个瞬变过程, 在其周围空间形成随时间衰减的二次磁场。二次磁场随时间衰减的规律主要取决于异常体的导电性、体积规模和埋深, 以及发射电流的形态和频率。因此, 利用线圈或接地电极观测二次磁场, 研究其与时间的变化关系, 从而确定地下导体的电性分布结构及空间形态[3]。
该方法是在关断一次场后观测纯二次场, 不存在一次场干扰的问题, 具有很多优点, 是目前在能源、矿产、水文、工程、环境等领域广泛应用的物探方法[4]。
3 工程实例
3.1 采空区积水调查
为查明采空区积水情况, 采用地面瞬变电磁测深技术探查、分析该测区内采空区积水范围及测区内断层的含导水性情况, 为该采区防治水工作的合理实施提供依据。
五虎山井田位于乌达矿务局矿区西南部, 井田内地层及构造情况分述如下: (1) 地层。井田内出露有上石炭统太原群下部 (C3T1) , 太原群上部 (C3T2) , 下二迭统山西组 (P1SH) , 上二迭统石盒子组 (P2S) 及第四系 (Q) 等地层。 (2) 构造。区内总的构造形式为产状平缓的向斜构造的一翼, 走向近乎南北, 受区域主要断层—乌达逆断层的控制。 (3) 煤层。本区煤层分层对比清楚, 沉积较稳定, 在井田范围内变化较小, 除不稳定煤层的局部块段外, 对比可靠。 (4) 井田水文地质条件。本井田地层岩性为黑灰色页岩、灰白、灰黄色砂岩, 灰黑色、黑色砂质页岩、煤层及薄层石灰岩等。砂岩裂隙发育, 透水性良好、性脆, 为本区的含水岩层。
典型测线视电阻率等值线图
由于原测线长度远远大于800m, 数量也比较大, 这里只用其中4线前800m及8线前600m作为一个解释的例子。由图1和图2并结合相关数据资料, 可见, 在-200m至-300m这个水平面上, 低阻异常 (图中绿色区域) 范围较大, 异常幅度也较大, 结合相关地质资料我们分析认为该低阻异常区应为最上面煤层采空区积水所致。
3.2 矿产资源勘查
金川镍矿区地处中朝克拉通西南边缘的龙首山隆起带。隆起带北侧与阿拉善台隆潮水断陷盆地相毗连, 南侧和祁连加里东褶皱带相接。测区内出露地层有上太古界白家嘴子组、下元古界塔马子沟组、上元古界震旦系烧火筒群、寒武系韩母山群、泥盆系、石炭系和第四系等。区内出露的地层主要为下元古界白家嘴子组的蛇纹石化白云质大理岩、黑云母片麻岩、条痕混合岩等深变质岩。地层走向N35OW, 倾向SW, 倾角40-70O。受区域性构造作用影响, 各岩性带呈近北西-南东向带状平行展布。各单元层内小的紧闭褶皱和断裂构造均十分发育, 并常发生局部倒转;甚至在较年轻的泥盆系内部也可见有形态不同的小褶曲。另外, 这里出露的老地层经历了长期的变质作用、其峰期达到高角闪岩相, 并伴有混合岩化, 地层中留下许多近熔融的柔流变形构造;这些均可导致地层的局部缺失或重复。
图3中TEM-1异常主要表现为双峰特征。在三条剖面的地电断面上, 上下低中间高的特征, 地电断面上表现出局部电阻率降低的复杂变化范围, 宽度达200m左右, 69线因TEM-1异常拱形特征的影响, 地电断面上表现为纯低电阻率, 不是伪视电阻率。
晚时道响应电位异常大于0.1, 68线和69线已超过0.6 (Co、Ni异常对应较好、地表见较厚的混合和大理岩) 。67线为对称宽双峰特征, 68线为不对称双峰特征, 69线为极不对称或拱形特征, 据此可以推测出三条剖面上低阻体的形态、产状和位置。从图3宏观上可以看出浅部近百米深度内为低阻层;下面两百多米深度为相对高电阻率地质体分布的范围, 高阻层位多与老地层有关;深部又渐变为低阻。从局部异常特征上看, 与响应电位双峰异常对应的电阻率异常, 则呈两侧低中间高的特征。对于重叠回线装置的瞬变电磁法, 响应电位高表明电阻率低, 响应电位低则表明电阻率高。对双峰特征的异常, 恰好是中间高阻两侧低阻。大功率TEM法已经在该三条剖面上发现一些低阻体的异常, 在地电断面上划分出一些断裂构造部位 (图3) 。
4 结论与建议
瞬变电磁法是近年来电法勘探领域发展较快的一种重要方法。相对于其它地球物理方法, 瞬变电磁法具有探测深度大、分辨率高、信息丰富等特点, 被广泛应用于工程的各个领域, 尤其是在煤矿采空区调查及资源勘查中更是得到了广泛的应用, 从而为防治地质灾害的发生、深部矿产资源的勘探提供必要的依据。
本文主要针对瞬变电磁法在煤矿采空区富水情况调查及在资源勘查方面的应用, 列举了部分工程实例, 从瞬变电磁法的实际应用中, 我们不难发现其优点, 也得到了很好的效果。
任何方法都有其局限性, 瞬变电磁法也不例外, 多解性为其主要特征, 因此, 我们必须加强与地质资料的结合程度, 尤其是钻探资料, 避免在资料解释中出现大的偏差与错误。
摘要：近年来, 由于瞬变电磁法具有多方面的优点, 加之工程建设的需要, 瞬变电磁法被广泛的应用到各个领域。本文简要介绍了其基本原理, 从瞬变电磁法的实际应用出发, 介绍了瞬变电磁法在野外工作中的应用, 取得了很好的效果, 同时也提出了一些建议供广大物探工作人员参考和借鉴。
关键词：瞬变电磁法,采空区,矿产勘查
参考文献
[1]张善法, 孟令顺, 杜晓娟.瞬变电磁法在山东某金矿尾矿库安全隐患排查中的应用[J].吉林大学学报 (地球科学版) , 2010, 40 (5) :1178-1182.
[2]刘树才, 刘志新, 姜志海.瞬变电磁法在煤矿采区水文勘探中的应用[J].中国矿业大学学报, 2005, 34 (4) :414-417.
[3]蒋邦远主编.实用近区磁源瞬变电磁法勘探.北京:地质出版社, 1998.
地面瞬变电磁法 篇7
1 陷落柱概况
经井下观测, 陷落柱边界线的走向为125°, 与巷道中心线的夹角约为60°。陷落柱与F16断层的最小距离为321.5 m, 边缘为锯齿状, 外围煤层未见明显的下沉弯曲, 陷落柱充填物与煤壁接触带紧密, 未见风化煤。陷落柱内部充填物似层状, 揭露的岩性以粗砂岩为主, 块体较大, 厚约1.0 m、长约3.5m, 块体间为镶嵌结构, 紧密, 块体的颜色和岩性差别明显。陷落柱内渗水, 锚杆钻孔流水, 充填物较松散, 块体间的泥质柔软, 具有明显的可塑性。该陷落柱对应的地面为被黄土覆盖的山坡, 无任何迹象。
2 探测方案与数据采集
此次探测使用PROTEM-47瞬变电磁系统, 它具有抗干扰、轻便、自动化程度高等特点, 适于此次掘进面陷落柱的探测[3]。该次勘探采用重叠回线装置, 发射和接收线框采用多匝2 m×2 m矩形回线。采样时窗为1~34, 叠加次数64, 时间采用标准时间序列。物探将分7个层面进行, 第1个层面沿着煤层探测, 每个层面的夹角为20°, 每个探测层面以放射状的形式布置测线, 每条测线的夹角为15°, 共布置12条测线, 以确保覆盖全部的陷落柱范围。7个层面内总测线数为84条 (图1) 。
在层面1上方和下方各布置3个探测层面, 各层面夹角为20°。其中探测层面1位于煤层的上方, 主要穿过的地层为陷落柱充填物和煤层顶板灰岩, 其目的是利用灰岩与陷落柱充填物的较大差异确保探测效果良好。位于煤层下方的3个探测层面的俯角分别为20°、40°和60°, 其中俯角为40°和60°测面的目的是穿过15#煤和其顶板灰岩, 利用煤层和灰岩与陷落柱充填物之间显著的电性差异以保证探测效果。其他测面都属于加密测面。
巷道掘进面采用了一种不共面同轴偶极方式 (图2) , 发射线圈 (Tx) 和接收线圈 (Rx) 分别位于前后平行的2个平面内, 二者相距一定距离并处于同一轴线上。观测时接收线圈贴近掌子面, 轴线指向探测方向。对于巷道掘进面来说, 探测方向分别对准巷道正前方, 正前偏左、偏右等不同方向, 这样可获得前方一个扇形空间的信息。
沿着煤层方向布置了12条测线, 方位角分别为125°, 140°, 155°, 170°, 185°, 200°, 215°, 230°, 245°, 260°, 275°, 290°。测试结果剖面如图3所示。图3中射线为探测线, 相邻测线间的夹角为15°, 测线185°和掘进方向一致。
3 探测结果分析
测试中心位于掘进面 (测试原点) , 在半径约10m的范围内为探测盲区。从图3可以看出, 探测剖面上存在着低阻闭合圈。在立体图上显示为低洼区, 低阻圈位于掘进面 (测试起点) , 低阻区边缘总体上是不规则的闭合圈, 图4中圆心附近的突起柱为探测盲区, 凹陷区为陷落柱, 根据地质资料低阻区为陷落柱的充填物, 高阻区为煤层。参照顺煤层钻进, 方位角为185°的钻孔资料, 在该方向约30 m处穿过陷落柱 (但未见煤) , 由此可以解释出陷落柱的边界线形态 (图5) 。可以看出陷落柱边界不规则, 长轴约65 m, 走向约135°, 短轴约35 m。
4 结论
(1) 由于充填物和围岩的视电阻率具有显著差异, 71209工作面运输巷掘进面的陷落柱在视电阻率剖面图上容易识别, 解释效果较好。
(2) 根据探测解释, 71209工作面运输巷掘进面的陷落柱在不同的深度边界线是不同的, 结合钻孔资料, 获得煤层切面内陷落柱边缘线为不规则的闭合圈, 长轴走向为135°, 长65 m, 短轴35 m。
(3) 建议对71209工作面运输巷掘进面施工取芯钻孔, 验证陷落柱的边界线和导水性。
(4) 由于充填物和围岩接触带的视电阻率具有过渡性, 加上干扰因素和物探结果的多解性以及瞬变电电磁法自身固有的物理条件限制与体积效应, 陷落柱的确切边界线难以准确确定, 因此解释的陷落柱边界线与实际存在一定的偏差。
摘要：山西某煤矿71209工作面运输巷在掘进巷道中揭露了一陷落柱。陷落柱充填物的强度较低, 含水, 边界和内部的导水性又无法进行确切判断, 给下一步掘进工程的防治水带来困难。因此, 采用瞬变电磁法对陷落柱进行了探测, 根据陷落柱充填物与周边煤层、灰岩的电性差异探查陷落柱的边界。实践表明, 该法对陷落柱的解释效果较好, 但由于条件限制, 与实际还存在一定偏差。
关键词：瞬变电磁法,陷落柱,电性差异
参考文献
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地面瞬变电磁法 篇8
1 瞬变电磁方法研究概述
瞬变电磁法是以接地导线或不接地回线通以脉冲电流作为场源, 以激励探测目的物感生二次电流, 在脉冲间隙测量二次场随时间变化的响应。上世纪50年代, 苏联基本建立了瞬变电磁法解释理论和野外施工技术方法, 50~60年代成功的完成瞬变电磁法的一维正反演。80年代以来, 欧美各国继续在瞬变电磁法的二、三维反演模拟技术方面做了大量的计算和研究工作, 但二、三维问题的正反演仍然不十分成熟。近年来, 瞬变电磁法仪器也由早期生产的单一方法使用的电磁仪器趋向于集成化、各种多功能电测系统。
国内瞬变电磁法研究自上世纪80年代初开始, 原长春地质学院、地质矿产部物化探研究所、中南大学等单位在方法理论、仪器及野外试验方面做了一定的工作。目前己建立了比较完整的一维正反演及方法技术理论, 并自行研制了一些仪器。近年来, 吉林大学成功的研制了ATEM-11瞬变电磁仪, 并于2003年成功研制了该瞬变电磁仪的软件, 在矿产普查、大型矿山潜力资源探查、地下水勘察、城市工程勘察和地下活断层调查、矿井透水预测等领域开展了示范性应用研究和探索。
2 瞬变电磁法勘探原理简述
瞬变电磁法是利用不同接地回线或电极向地下发送脉冲式一次电磁场, 在一次电磁场发射间歇期间, 用线圈或接地电极接收由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的一次电磁场, 通过观测一次场空间和时间的分布规律, 解决有关地质问题的时间域电磁法。
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。磁源常用的回线装置主要有重叠回线装置、同一回线装置、中心回线组合装置、大回线定源装置以及“8”字形回线装置。
3 瞬变电磁法在煤矿水文物中应用利弊分析
3.1 瞬变电磁法在煤矿水文物中应用的优点
近二十年来, 瞬变电磁法在国内外得到了广泛的应用, 它除了具有穿透高阻层能力强及人工源方法随机干扰影响小等优点外, 与其它电探方法相比, 还具有以下几个方面的主要优点。
由于观测的是纯异常, 因此自动消除了装置隅合噪声。可使用同点装置工作, 与煤矿水文物有最佳的藕合, 具有较高的探测能力, 且受旁侧地质体的影响也小, 同时, 对局部低阻体无静态效应。
可用加大发射功率的方法增强二次场, 提高信噪比, 从而增加勘探煤矿水文物深度。
通过多次脉冲激发, 场的重复测量叠加和空间域拟地震的多次覆盖技术应用提高信噪比和观测精度。
可通过选择不同的时间窗口进行观测, 有效地压制煤矿水文物的噪声, 可获得不同勘探深度的信息。
装置形态灵活多样, 可随不同工作任务的要求和施工场地的条件来选择合适的装置, 测量工作简单、工效高。
由于采用不接地回线, 不存在接地电阻问题, 具有施工方便、工作效率高及地质效果好等优点。
3.2 瞬变电磁法在煤矿水文物中应用的缺点
使用瞬变电磁法在煤矿水文物的勘探工作中, 有很多不同的装置, 在技术先进的同时也存在着很多的弊端。
当采用重叠回线装置时, 接收回线只能水平放置, 因此接收磁场垂直分量分辨率较低;设备笨重, 铺设线圈时比较麻烦, 难以避开十扰区。
当采用同一回线装置时, 发射磁矩小, 勘探深度浅。
当采用中心回线组合装置时, 由于煤矿水文物的不均匀性, 影响较重叠回线大。
4 结语
瞬变电磁法探测深度相对较大, 施工方便、工作效率高及地质效果好, 能够适应水文地质勘探工作要求。上述结果表明, 区内电阻率分布与实际地层具有较好的对应关系, 说明其能够反映出地下电性分布情况。所以根据瞬变电磁法资料和相关地质资料能够推断出对应深度富水情况, 满足煤矿水文地质工作需要, 指导矿井的建设和开采, 保证矿井的安全生产。
但是我们也应看到, 瞬变电磁法在煤矿水文地质勘探中的应用还处于一个初期阶段。要实现瞬变电磁法在这个领域的成熟应用, 还需要很长的一段过程。就需要我们对瞬变电磁法的理论和资料处理进行更深入的研究和探索, 从而更好的为煤矿水文地质勘探工作服务。
摘要：随着我国社会主义国民经济的不断发展, 对能源的需求越来越旺盛。现阶段我国的能源主要依靠煤炭, 在一次能源的总量中, 煤炭资源约占90%, 在一次能源的生产与消费构成中, 煤炭所占的比重长期保持在70%左右, 远高于世界26.5%的平均水平。从我国可利用的资源类别与其分布看, 以煤炭为主的能源格局较长时期内不会有根本的改变。
关键词：瞬变电磁法原理,勘探技术,水文地质
参考文献
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地面瞬变电磁法 篇9
1 瞬变电磁法探测原理
瞬变电磁法属时间域电磁感应方法, 其原理是利用不接地回线向探测方向发射一次脉冲磁场 (一次场) , 当发射回线中的电流突然断开时, 所探测介质中将激发二次涡流场 (二次场) 以维持在断开电流前产生的一次场, 并由接收回线接收二次场。二次场的大小及衰减特性取决于所探测介质的导电性质, 如果没有良导体存在, 将观测到二次场快速衰减的过程;当存在良导体时, 电源切断的瞬间, 在导体内部产生涡流以维持一次场, 所观测到的衰变速度将变慢, 从而发现良导体的存在 (图1) 。在一次场的间歇观测二次场随时间的变化特征, 经过处理后可以了解地下介质的电性、规模、产状等, 从而达到探测目标介质的目的[3]。
2 巷道超前探测
2.1 巷道地质条件
河南永城某矿-700 m水平大巷掘进过程中, 对巷道掘进产生威胁的是太原群灰岩岩溶裂隙水及富水导水断层带, 其中太灰岩溶裂隙水含水中等但不均一, 水压大。由于采掘活动及地质构造的影响, 岩石完整性遭到破坏且岩层强度降低, 高压岩溶裂隙水将以裂隙及断层为通道突入巷道, 威胁掘进生产安全[4]。
2.2 瞬变电磁法超前探测
采用YCS40 (A) 型矿井瞬变电磁仪进行巷道超前探测时, 受巷道断面的限制, 采用多匝小回线, 线框边长为2 m。由于发射和接收面可在任意可能的方向布设, 因而可以进行多方位探测, 可对巷道掘进前方一个类似半圆形区域进行探测, 巷道超前探测测点布置如图2所示。但由于受发射电流关断时间的影响, 早期测量信号畸变, 无法探测到浅层的地质异常体, 一般存在10 m左右的浅部探测盲区。根据实际采掘条件, 每一测点在巷道掘进面布置5个探测方向, 即仰角45°、20°方向, 水平方向, 俯角20°、40°方向, 对巷道掘进前方顶板、顺层、底板进行探测。根据探测结果演算成视电阻率等值曲线图, 数据处理使用配套的MTem2.0处理系统, 其主要流程为:数据上传→格式转换→数据滤波处理→计算晚期视电阻率→正反演计算→结果成图。岩层电阻率值高于10Ω·m, 表明该范围内岩层含水性差;电阻率值相对变低时, 推断为前方岩性变化或含水所致;当岩层电阻率值低于10Ω·m, 表明该范围内岩层富水性增强, 可能与断层等地质构造有关。
2.3 探测结果
由于对该掘进巷道是跟踪探测, 现取其中第11测站处顺层观测结果进行说明 (两测站间距70 m) , 测得结果如图3所示。
由图3可知:-600 m水平大巷掘进面前方120m范围内电阻率值相对较高, 岩层富水性较差;巷道右方距右帮60 m外电阻率值相对较低, 推断为岩性变化或含水所致;巷道左帮1号异常区位于掘进面前0~40 m, 内距帮部80 m范围外;2号异常区位于掘进面前方80 m, 距帮部50 m范围外, 岩层电阻率值明显变低, 表明该范围内岩层富水性增强, 推断可能与地质构造有关。
3 钻探验证及结果
3.1 钻孔施工原则
钻孔布置及施工要求严格按照探水措施规定施工, 针对每一异常区区域及范围选择钻孔角度。钻孔设计必须有利于积水区的排水, 并以最大限度排出积水为标准。施工时钻孔内要埋设套管, 防止水压过大钻孔产生破坏, 钻探时, 钻进和退钻应采用反压和防喷装置。在二级套管安装阀门和压力表, 以利于对水压和水量的统计。
3.2 钻孔布置
对第11测站左帮1、2号异常区及右帮低阻区进行钻探验证。2号异常区距巷道最近处50 m, 大于该矿探水措施规定的30 m安全距离, 确定在巷道继续掘进90 m后施工钻孔。由于第11测站探测的异常区域距巷道均较远, 对巷道掘进施工不产生直接威胁, 巷道正常掘进, 并在掘进面后方约15 m位置施工钻孔。根据钻孔施工原则, 在1号异常区及右帮分别施工一个水平钻孔, 确定含水后, 再在含水区补打排水钻孔。第11测站两帮钻孔布置如图4所示。钻孔探测证实, 1号异常区为岩溶水体, 巷道右帮岩层为褶曲构造, 同一标高岩层岩性变化为低电阻率泥岩所致。后期对2号异常区进行钻孔探测发现, 该范围内也为岩溶水体。由于-600 m水平尚在掘进中, 水体对生产影响较小, 排水需求也不急切, 为了不影响掘进速度及增加排水负担, 每一处含水区域施工钻孔数量均较少。一般施工2组钻孔, 每组包括1个水平及倾斜角度钻孔。
4 结语
瞬变电磁法在某矿的应用, 证明其在水文探测及辨别富水性强弱方面具有较好的效果。用于巷道掘进面前方地质构造及含水构造的超前探测时, 能较准确地确定异常区域的范围、距掘进面的实际距离。配合针对性的钻孔辅助探测, 实现对异常区域特别是含水构造的超前预报, 为制订合理的治理措施提供依据。合理运用瞬变电磁法及钻孔探测, 可以提高超前探测效率, 有利于巷道安全快速掘进。参考文献:
摘要：针对巷道掘进面前方水文地质条件的变化, 采用瞬变电磁法进行超前探测、辅助钻孔探测确定异常区的方法, 能对含水区域位置、范围等进行准确预报。瞬变探测技术的应用, 为制订合理防治水措施提供了依据。
关键词：瞬变电磁法,视电阻率,超前探测,防治水
参考文献
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地面瞬变电磁法 篇10
关键词:瞬变电磁法;一四井煤矿;采空区
中图分类号:TD743文献标识码:A文章编号:1000-8136(2009)21-0028-02
郑煤集团一四井有限公司井田周边分布有许多小煤矿,小煤矿采掘方式比较随意,又缺乏准确的采掘资料,且存在越界开采的可能性,有可能对一四井的工作面布置及生产安全造成威胁。此外,小煤矿采空区由于开采时间较长,采空区内存有大量积水,对矿井的安全生产造成极大威胁。
瞬变电磁法(TEM)是近年来发展很快并得到广泛应用的一种交流电法勘探方法。这种方法观测的是二次场,可在近区进行观测(可采用重叠回线装置),具有对低阻含水体特别灵敏、体积效应小、纵横向分辨率高,且施工方便、快捷、效率高等优点,在矿井水文地质勘探中有较大的应用价值,应用该方法及时查清煤矿采区范围内的小窑采空积水情况,排除煤矿的安全隐患,具有现实意义。
1瞬变电磁法勘探原理
瞬变电磁法利用导电介质在阶跃变化的电磁场激发下而产生的涡流场效应,用不接地回线、磁偶极子或接地线源电偶极子向地下发射脉冲电磁波作为激发场源(“一次场”),脉冲电磁波结束以后,大地或探测目标体在激发场(“一次场”)作用下,内部会产生感生涡流并逐渐减弱直至消失。可用专门仪器观测这种涡流产生的电磁场(“二次场”)的强弱、空间分布特性和时间特性。一次脉冲信号激发的二次场信号为: ,
二次场信号与p3/4、t5/4成反比。早期信号反映浅部地层地质信息,晚期信号反映深部地层地质信息,时间的早晚与探测深度的深浅具有对应关系。一般来说,探测目标的几何规模越大、埋藏越浅、导电性越好则二次场的信号越强、持续时间越长。通过观测和研究,“二次场”的空间分布特性和时间特性,可以推测解译地层或地质目标体的几何和物性特征。
与其他物探方法相比,瞬变电磁法具有穿透高阻覆盖层的能力;对高阻围岩中的低阻体反映敏感,有利于探测低阻地质目标体;地形影响小,测量简单,工作效率高。
煤层赋存于成层分布的煤系地层中。当开采面积较小且煤层顶板为塑型岩石并保存完整时,由于残留煤柱较多,压力转移到煤柱上,未引起地层塌落、变形,采空区以充水或不充水的空洞形式保存下来;但多数采空区在重力和地层应力作用下,顶板塌落,形成冒落带、裂隙带和弯曲带。[1]
在探测富水区或潜在导水通道的位置及其分布范围等方面,瞬变电磁法是最有效的方法之一,其物理基础是富水区或潜在导水通道相对于周围地层都有明显的电性差异。当存在局部异常体,如岩溶洞穴、煤矿采空区、断层、裂隙带等并有导电性水体存在的区段则出现局部低电阻率异常区;若断层带裂隙比较发育但没有充、导水或呈现孔穴时,表现为相对高阻异常区。这些不同条件下的电性变化,为以导电性差异为应用前提的各种电磁法探测技术的应用提供了良好的地球物理前提。
2一四井煤矿探放水实例
2.1原始数据采集
本次野外工作采用二维测网布置为20(m)×20(m),即线距20 m,点距20 m。按上述测网密度,在测区范围内共布置测线25条,每条测线上的坐标点不等,检查点按10%考虑,共设计工作量约为407个物理点。施工方法选择分辨率高的中心感应装置,采用360 m×360 m的单匝回线发射,有效面积200 m2中心探头进行接受采集,供电电流12A以上,以每一发射回线中间1/9面积所包含的测点范围内施工。
2.2数据处理
瞬变电磁仪野外观测的是垂直磁感应场的归一化感应电动势△V(t)/I值,其单位为μV/A;每个观测点记录的参数为:时间道、采样开始时间、采样窗口宽度、发射电流、归一化感应二次场、转换的磁感应强度值等。野外采集的数据处理前,首先对其逐点进行整理或预处理,即检查数据质量,剔除不合格数据,并对其进行编录,整理成专用数据处理软件所需要的顺序和格式,再对数据进行滤波,以滤除或压制干扰信号,恢复信号的变化规律,突出地质信息,再利用专用软件转换得到ps(视电阻率)和hs(视深度)等参数,在此基础上,根据有关测量、地质和钻探等资料再做必要的地形校正和高程校正等处理,最后将所得数据以平面等值线图的形式绘制出来。
2.3数据资料的解释
图1是二1煤层附近视电阻率异常分布平面图,反映了二1煤层水平附近的电性分布特征。本层视电阻率值在1.92Ω.m到85.1Ω.m之间变化,平均视电阻率值为33.3Ω.m,标准偏差为13.2,根据划分异常标准 ,应该为30Ω.m的区域为
相对低阻异常区(灰色虚线圈定区域),异常范围较大的有3处区域,在图中以异常1~异常3标识。
在该层位上异常1的分布范围略大,异常强度依然较强,低阻区跨过F22断层向西部有一些延伸;异常2和异常3的分布范围和异常强度比40 m水平略小一些,从图上看,异常2和异常3明显分离。异常1位于测区东北角,在水平平面图上分布范围和异常强度均较大。对照采掘工程及有关图件,该区域一四井自身并无巷道延伸至此,更无已知采空区分布,根据现场施工条件看,该区域房屋建筑物及电线较多,原始资料受到了一定影响,但从异常分布位置和形态上看,存在采空区积水的可能性,所以在生产工作靠近该区域时应引起重视。异常2和异常3分布范围较大,异常强度中等,对照有关图件和现场施工条件看,异常2和异常3区域内有多个废弃小煤矿井筒,如小王庄井和大圈井等,低阻异常区围绕在这几个废弃井筒的周围,此外从异常的分布形态看也符合小煤矿采空区积水的特征。所以异常2和异常3应是由小王庄井和大圈井等废弃小矿采空区积水引起的。
3结论与建议
通过本次探放水工作,基本查明了测区内煤系地层富水区域、采空积水区的分布范围和相对强度,测区内共发现3个低阻异常区。异常1为干扰引起低阻异常的可能性存在,存在采空区积水的可能性,在生产工作靠近该区域时应引起重视;异常2和异常3由小王庄井和大圈井等废弃小矿采空区积水而引起的。
本次电法资料反映的是水的静态特性,在巷道掘进或煤层开采时,必须考虑顶板冒落、底板破碎等扩大原有裂隙通道或增加新导水通道的可能性。此外,还应考虑到地表降水不断补给采空区造成采空区积水量继续增大可能性。为保证井下采煤生产的安全,建议加强采掘前矿井水文物探工作,特别是在生产场地接近异常部位时应边探边掘,随时观察记录水文地质条件变化情况,以便实施针对性更强和更有效的防治水技术措施。
参考文献
1 高宇平.瞬变电磁法探测煤矿采空积水区[J].大同大学学报(自然科学版),2008(4):35～36、42
2 牛之琏.时间域电磁法原理[M].长沙:中南工业大学出版社,1992.4:5
3 蒋邦远.实用近区磁源瞬变电磁法勘探[M].北京:地质出版社,1998.3:4
The Application of TEM in the Coal Mining Area Detection in YiSi Jing
Niu Baocai,Han XueZhang,Tang xiaqin,Wang Lei
Abstract: The transient electromagnetic method(TEM)is used in the territory of Xinmi coal to explore the goaf water distribution, the water contain of the fault. The results may provide scientific basis for water-control.
地面瞬变电磁法 篇11
建矿以来我矿共发生3起水灾事故, 分别为:a.时间:1993年10月14日, 地点:水采区在一水平南17层11段溜煤道。突水原因:区内F19断层导通第四系砂层, 第四系砂层水通过F19断层涌入井下, 造成突水事故, 死亡5人。b.时间2008年4月9日14时30分, 地点:二水平北30层一、二区轨道下山上部车场。突水原因:一开拓区912队施工的二水平北30层一二区轨道下山上部车场与北33层二分层边界上山误透。无人员伤亡。c.时间:2010年1月17日。地点:二水平南17层一区水采采后闭。突水原因:水采采空区积水、采后闭不坚固、采后闭周围围岩破碎、受外力作用, 地质构造应力重新分布造成突水事故, 死亡2人。因此, 水灾水害预防对我矿建设高产高效矿井、本质安全型矿井凸显的尤为重要。瞬变电磁法 (Transient Electromagnetic Method, 简称TEM) 是利用不接地回线或电极向地下发送脉冲式一次电磁场, 用线圈或接地电极观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场的空间分布, 来解决有关地质问题的时间域电磁法。近年来, 在煤矿采空区水害防治中, 得到了广泛的应用。2010年10月由我矿地测大队, 组织技术人员对一水平南21-1层区域进行赋水性探测, 为分析该区域水情提供技术依据, 进而制定南21-1层区域防治水规划。
1 探测区域水文地质概况:
一水南21-1层区域, 区内21-1层煤为初次开采, 南部为F19断层, 北部为F6断层, 本区上方有第四纪砂层, 砂层厚度40~47m, 砂层底板标高180~190m, 砂层水尚未疏干, 残余水头高度为0~12m。本区上覆17层煤与21-1煤层间距为52米~63米, 于1998年回采结束, 开采方式为水采一次性采全高。本区下伏21层煤与21-1煤层间距为2米~16米, 21层上块于2003年回采结束, 开采方式为水采一次性采全高。下块于2004回采结束, 开采方式为机采, 只开采了一个分层。区内21层下部22-1层煤、22-2层煤、23层煤均已开采结束 (22-1层于2005年回采结束, 22-2层于2007年回采结束, 23层于2008年回采结束) 。
2 仪器参数
电流波型:偶极方波, 正、负方波之间可设置50%占空系数。基本频率:30, 75, 285Hz, (60Hz工频时) ;25, 62.5, 237.5Hz, (50Hz工频时) ;关断时间:40×40m发射线圈, 3A发射电流时, 2.5μs;发射线圈尺寸:5m×5m (8匝) 到100m×100m (单匝) ;输出电压:0到9V连续变化, 最大发射电流3A;同步:电缆同步;工作温度:-40℃-+60℃;电源:12伏可充电电瓶, 在2A输出时可连续工作5小时;加强型TEM47HP供电电源为24伏或36伏, 最大发射电流10A;重量:5.3Kg;尺寸:10.5×24×32cm;
现场参数:测线3组
测点59个
测线总长度200米
3 施工方案
3.1 测线布置 (见图1)
3.2 完成工程量 (见表1)
3.3 探测结果 (见图2-4)
4 综合分析
经过本次探测, 发现机道开门点内16米上覆赋水异常区。分析赋水异常原因:为区内21-1层下伏22-1层煤、22-2层煤、23层煤均已开采结束 (22-1层于2005年回采结束, 22-2层于2007年回采结束, 23层于2008年回采结束) 。其中22-1层、22-2层、23层停采线正均位于赋水异常区下部, 该区域受停采线分布原因导致机道上覆岩层裂隙较发育, 因此探测结果为赋水异常区。
5 结论
截止到2011年1月, 根据瞬变电磁探测结果, 施工的探放水钻孔放水效果良好。目前南21-1层已安全结束回采。
通过我矿南21-1层区域探放水效果, 证明瞬变电磁法能够有效的探测采空区积水、构造水等赋水因素, 对我矿井下水灾水害预报提供了技术依据和理论基础。
目前除一水平南21-1层区域外, 二水平南三区17层区域、二水平北11层区域均已进行瞬变电磁法探测。
瞬变电磁法在我矿井下防治水应用过程中作用明显, 但使用过程中受机电设备、金属等干扰因素影响, 探测结果均会受到不同程度的影响。受现场生产、安全因素制约, 各种干扰因素无法排出。因此提高瞬变电磁法对干扰因素的分辨能力将成为急需解决的问题。此外, 实际操作过程中人为误差也是影响探测结果的重要因素, 提高操作人员的专业技能也是急需解决的问题。
随着瞬变电磁法的不断完善, 技术装备不断更新, 瞬变电磁法的应用前景也将更加广泛, 我矿也应站在煤矿防治水技术的前沿, 加大瞬变电磁法在我矿的应用, 为我矿建设高产高效矿井、本质安全型矿井提供防治水方面技术保障。
参考文献
[1]王永红, 深文.中国煤矿水害预防及治理.