瞬变电磁法矿井超前探测.pdf

第 6卷 第 1 期 2 0 0 9年 2月 工程 球物理季 赧 CHI NES E J OURNAI OF ENGI NEERI NG GEOPH YS I CS Vo 1 ． 6， N0 ．1 Fe b ．，20 09 文章 编号 1 6 7 2 7 9 4 0 2 0 0 9 O 1 O 0 2 8 一O 5 瞬变 电磁 法矿 井超 前 探 测 王扬州 ，于景邮 ，刘 建 ，曾晓波 ，汤金云 中国 矿 业 大 学 资 源 学 院 ，徐 州 2 2 1 1 1 6 摘 要 介绍了瞬变电磁法在井下运用的基本原理和该方法在巷道超前探测上的原理、 技术 、 方法及应用。 巷道超前探测 、 超前预报对于煤矿的安全掘进有着非常重要的作用 。瞬变电磁法作为一种快速 、 高效 、 方便的 探 测方法 ， 可以很好的满足矿井巷道超前预测 、 预报 的要求 。在实 际工程勘探 中， 该方法可以准确反映出巷道 前方地质体 的空间特 征， 为矿井防治水害提供了依据 。 关键 词 矿井瞬变电磁法； 巷道超前探测；构造赋水性 中图分类 号 P 6 3 1 ． 3 文献 标识 码 A 收稿 日期 2 0 0 8 --1 1 1 9 Ap pl i c a t i o n o f Tr a ns i e n t El e c t r o ma g ne t i c M e t h o d i n Adva nc e d De t e c t i o n W a n g Ya n g z h o u ，Yu J i n g c u n，Li u J i a n ，Z e n g Xi a o b o，Ta n g J i n y u n S f t 0 0 l o f Re s o u r c e s Ea r t h S c i e n c e ，Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g Te c h n o l o g y，Xu z h o u Ji a n g s u 2 2 1 1 1 6，Ch i n a Ab s t r a c t Th e p r i nc i pl e，t e c hn ol o gy， me t h od a n d a pp l i c a t i o n of t r a ns i e nt e l e c t r oma g ne t i c me t h od i n m i n e r o a d wa y l e a d i ng p r os p e c t i ng a r e i n t r o duc e d i n t hi s p a p e r ． I t i s v e r y i m p or t a n t f or s a f e l y t u nn e l i n g o f r oa d wa y t o ap pl y a d v a nc e d f or e c a s t i n g t e c hn o l o g y．TEM ha s t he a d va nt a g e of e xp e d i t i o n，g r e a t e f f i c i e nc y，c o nv e ni e nc e，wh i c h i s a n e f f e c t i v e wa y f or t h e r e qu e s t of m i ne r o a d wa y l e a d i n g p r os pe c t i ng．I n a p r os pe c t i ng l i vi n g e xa mpl e，t he s pa t i a l f e a t ur e o f a no ma l y bo d y c a n b e r e f l e c t e d e x a c t l y us i n g t he TEM i n a d va n c e d d e t e c t i on，t hu s i t p r ov i d e s a f ou nd a t i o n f or m i n e wa t e r c on t r o1 ． Ke y wo r d s m i n e t r a ns i e n t e l e c t r o m a gne t i c me t h o d； r o a d wa y l e a d i ng p r o s pe c t i n g； wa t e r b e a r i n g s t r u c t u r e 1 引 言 近年来 发 展 出来 的矿 井瞬 变 电磁 技术 凭借 其 体积 效 Ij ] x 、 探 测 方 向性 强 、 分 辨 率 高 、 对 含水 低 阻体 敏感 、 施 工效率 高 等特点 ， 通 过设 计适 合矿井 巷道 条件 的装 置 形式 ， 可 以 有 效 的解 决 工 作 面煤 层顶 底 板 、 回采煤 层及 巷道 前方 构造 赋水性 状态 。 特 别是 在矿井 巷 道 超 前探 测方 面 ， 瞬变 电磁 法有 着 无可 比拟 的优 势Ⅲ 。巷道 掘进前 方 断层及 其 破 作者简介 王扬州 1 9 8 5 一 ， 男， 江苏连云港人 ， 地球探 测与信 息技术专业 2 0 0 6级硕士研究生 ， 主要从 事矿井瞬变 电磁法 的相关 学习 和研究 工作 。Ema i l wy z o u 0 2 1 1 6 3 ． c o r n 于景邙 1 9 6 6 一 ， 男， 安徽无为人 ， 副教授 ， 主要从事地球探测 与信息技术方面的科研与教学工作 。 E ma i l y u j c un 1 6 3 ． c orn 第 1期 王扬州 等 瞬变电磁法矿井超前探测 2 9 碎带 、 裂 隙 发育 区 、 岩溶 、 陷落 柱等 构造 的赋 水性 的快 速准确 预测 、 预 报 对巷 道 安 全高 效 掘 进 和预 防水 害事故 的发 生有着非 常重要 的作 用 一 。传统 的钻 探方 法 虽然 准 确 ， 但其 效 率低 、 成 本 高 ， 很 难 圈定 富水 区范 围， 并 且具 有 很 强 的盲 目性 。而矿 井瞬变电磁超前探测可以高效、 准确 的探测巷道 迎头前 方 赋水状 态 ， 可 以提高煤 矿生 产效率 、 缩短 巷道 掘进 所花费 的时 间 、 节约 成本 。 2 瞬变 电磁 法基 本 原理 瞬 变 电 磁 法 Tr a n s i e n t El e c t r o ma g n e t i c Me t h o d ， 简称 T E M 是 利用 不 接 地 回线 大 回线 磁偶 源 或接地线 源 电偶 源 向地下 发送一 次场 ， 在一次场 的间歇 期 间 ， 测量 地 下 介 质 产生 的感 应 二次场 ， 从而 得 到地 下 地质 信 息 。其基 本 工 作 方 法是 在 某一平 面设置通 以一 定 电流的发射 线 圈 ， 从 而在其 周 围空 间产 生一 次 电磁 场 ， 并 在 地 下 导 电介质 中产生感 应 电流 ； 断 电后 ， 感 应 电流 由于电 传 导 的热 损耗 而 随时 间 衰减 ， 衰 减 过程 一 般 分 为 期 、 中期 和晚期 。早 期 的 电磁 场 相 当 于频 率 域 中的 高频 成分 ， 衰 减快 ， 趋 肤深 度 小 ； 而 晚期 成 分 则相 当于 频率域 中 的低 频成分 ， 衰减 慢 ， 趋 肤深 度 大 ， 通过 测量 断 电后各 个 时 间段 的感应 二 次 场 随 时间变化 规 律 ， 可得 到 不 同深 度 的地 电特 征 。前 面提 到观测 是在脉 冲间 隙 中进 行 的 ， 不存 在 一 次 场源 的干扰 ， 这 称之 为时间上 的可 分性 ， 脉 冲是 多 l 厂 _ _ 7 p 广 ， 一 一 一 ， ／、 f r l 二 一 、 、 、I t 2 ， ， ， ～一 ‘ 、 、 、 ， ＼ ～ 、 ， 、 、 、一 一一-一 。一‘ ， ， ‘ -7， 频 率的合 成 ， 不 同延 时观测 的主要频 率成 分不 同 ， 相 应时 间的场 在 地层 中的 传播 速 度不 同 ， 勘 探深 度 也不 同 ， 这 称 之 为空 间上 的可 分性 。瞬变 电磁 法 的特 点就基 于这两个 可分 性 。 由于 电磁 场在 空气 中传 播 的速度 比在导 电介 质中 传播的速度大得多， 当一次电流断开时， 一次 磁 场 的剧烈变 化首 先传播 到发射 回线周 围地表各 点 ， 因此 ， 最初 激发 的感应 电流局 限于地 表 。地 表 各 处感 应 电流的 分 布也 是 不均 匀 的 ， 在 紧靠 发 射 回线一 次磁 场最强 的地 表处感应 电流最 强 。随着 时间 的推移 ， 地 下 的感应 电流便 逐渐 向下 、 向外 扩 散 ， 其 强度逐 渐减弱 ， 分 布趋 于均 匀 。研 究结果 表 明 ， 任 一时刻 地下 涡 旋 电流 在 地 表产 生 的磁 场 可 以等效 为一个 水平 环状线 电流 的磁场 。在发射 电 流刚关 断时 ， 该 环状 线 电流 紧挨 发射 回线 ， 与 发射 回线具 有相 同的 形状 。随 着 时 间推 移 ， 该 电流 环 向下 、 向外扩 散 ， 并 逐渐 变形为 圆电流环 。等效 电 流环象 从发 射 回线 中“ 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“ 烟网效 应” ， 如图 1 a 。 “ 烟圈 ” 的半径 r ， 深度 d的表 达式 分别为 r一、 可 d 一 4 。 0 式 中， n为发 射 线 圈 半径 。 一 0 2 ； t 为 二 丌 次场 衰减 时间 ； 为磁 导 率 ， 此 处 取 自由空 间 的 磁 导 率 数 值 ； 为 电导 率 。 当发 射 线 圈 半 径 相 对 ／一 二 ＼、 二 T x ．p 广 一 签 ， c ．． 。 _≥ ’ ，， ， t“2- 一 一 一 ， 、 、 、 一 ～一 一一 ．Z f b 1 图 1 瞬变电磁场烟圈效应 a 半 空 间 ； b 全 空 间 Fi g ． 1 S mo k i n g r i n g s o f t r a n s i e n t e l e c t r o ma g n e t i c f i e l d a h a l f s p a c e bwh o l e s p a c e 3 0 ． [程 地 球 物 理 学 报 C h i n e s e J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g G e o p h y s i c s 第 6卷 于“ 烟圈 ” 半 径 很小 时 ， 可 得 t a n O ≈ 1 ． 0 7 ， ≈ 4 7 。 ， 故 “ 烟圈 ” 将 沿 4 7 。 角倾 斜锥 面扩 散 ， 其 向下 传 播 的速度 为 2 一 3t v／ l z o t 。 从“ 烟 圈效 应 ” 的观 点看 ， 早 期 瞬 变 电磁 场 是 由近地表 的感应 电流 产 生 的 ， 反 映地 下 介 质 的 浅 部 电性分 布 ； 晚期 瞬 变 电磁 场 随时问 的变化 规律 ， 可 以探测 大地 电性 的垂 向变化情 况 3 ] 。 3 矿井瞬变电磁法基本原理 矿井 瞬变 电磁 法 的基 本原 理 同地 面 瞬变 电磁 法 的基本 一致 ， 但 由于 矿井 瞬 变 电 磁法 是 在 地 下 几 百米深 度 的井 下 巷道 内进 行 的 ， 在 忽 略巷 道 空 间的影 响下 ， 可 以理 解 为线 圈 被 整个 大 地 给 “ 包 ” 了起来 ， 所 以在线 圈 的两 侧都 会产 生“ 烟 圈效应 ” ， 其 响应 特征 为全空 问 电磁 响应 ， 如 图 1 b 。在 井 下 探测 时令 线 圈 法 线 方 向对 准 要 探 测 的 目的 方 向 ， 在发 射线 圈 中通 以阶跃 电流 ， 然 后利 用接 收线 圈测量感 应 二次场 。通 过接 收到 的二 次场 的感 应 电动势 随时 间 的变 化 特征 ， 就 可 以 了解 在探 测 范 围 内的 目的方 向介 质 的 电磁 性 质 变 化规 律 ， 通 过 对 数据 的解 释 处 理 进 而 确 定 探 测 方 向的 地 质 情 况 ， 如果 有 异常就 可 以确定其 空 间位置 、 异 常体 大 小 等 ， 为煤 矿 的生 产提 供地 质依据 ， 保 证煤 矿 的安 全生产 引。 矿 井 瞬变 电磁测 量装 置接 收 回线 中 的感应 电 动势 为巷道 周 围空 间有效探 测 范 围内所有 介质 岩 层 电性特征 的综 合 响 应 。 因此 ， 矿 井 瞬变 电磁 视 电阻率为 全空 间岩 层 电性 特 征 的综 合 响 应 ， 视 电 阻率 的计算 公 式_ 7 ] 演 化为 c 式 中 C为 全空 间响应 系数 ； S为 接 收 回线 线 圈面积 ； N 为线 圈 匝数 ； t 为二 次场 衰 减 时 间 ； ／ I 为接收的归一化二次场电位场值。 4 工作方法技术 决 定 的 。 而矿 井 瞬变 电磁法 是在 井下 巷道 中进行勘 测 的 ， 考虑 到井 下巷道 空 间的 限制 ， 矿 井 瞬变 电磁法 的工 作装 置 的尺 寸不 可能 很 大 ， 但 限 制发 射 回线 的 大小也 限制 了发射 装 置 的发 射 功率 ， 使 得 探 测 深度 达不 到实 际 工作 需 求 ， 因此 矿 井 瞬 变 电磁 法 采用 了多匝一小 回线 装置 ] 。这 种装 置既 可 以在 狭 窄 的巷 道 空间 中方便 的进 行 各 种 角度 的旋 转 、 位 移 ， 也增 加 了发射 功率 ， 保 证 了探 测深 度 。 在 巷道迎 头做 超 前 探 测 具体 施 工 时 ， 测 点 在 巷 道迎 头空 间 的布置 如 图 2 。 即从 巷道 迎 头 的一 侧 开始 ， 首先 使发 射 、 接 收 回线装 置 的法线垂 直 巷 道 侧 面进行 测量 ， 然后 旋转 回线 装置 ， 使装 置 的法 线 方 向与巷 道 的侧 帮 分 别成 一 定 、 逐 渐 增 大 的 夹 角进行 探测 ； 当回线 装 置 的法 线方 向 与巷 道 迎 头 界 面垂 直 时 ， 根据 其 主迎头 断 面 的宽 度 布 置 2 ～3 个 测 点 ； 到 巷道 迎 头另 一 侧 时 再 同 刚 才一 样 旋 转 回线 装置 ， 使 回线装 置 的 法线 方 向完 成 1 8 O 。 的旋 转角 度 。同时还 可 以将 回线 装 置 的法线 方 向分别 向上 和 向下 与 水 平 面 成 大 约 4 5 。 角 ， 然后 在 进 行 如上 的旋转 探测 图 3 。此 时 ， 可 以按 照“ 烟 圈效 应” 把 线 圈发射 出去 的 等效 电流 环 想 象 成一 个 黑 夜 中的手 电筒 ， 在 手 电筒 圆锥 形 的照 射 区域就 是 可探 测到 的范 围 ， 这样 就 可 以得 到 一 个 以巷 道迎 头位 置 为中心 的 ， 向掘 进 方 向 的成 半 球 体 探 测 范 围 ， 从而 可 以全方 位 的 确 定 巷道 前 方 及 其 周 围 是 否 有低 阻异 常的存 在 。 ’ 线 圈中 ， ， ， ， ‘ ， 、 ， ， 、 、 ， ， ， ～一 一一一 ． 图2 矿井瞬变电磁超前探测测点布置及探测范围 F i g ． 2 P o i n t a r r a n g e me n t o f TEM i n a d v a n c e d d e t e c t i o n e x p l o r e a r e a 地面 瞬变 电磁 法 的 工作 装 置 有很 多种 ， 在 工 作 中通常采 用 的有重 叠 回线 、 中心 回线 、 分 离 回线 但 是 由于矿井 瞬变 电磁 是在 全 空间状 态 下工 等多 种方式 。具 体工 作装 置的选 择是 根据 勘察 目 作 的 ， 而 且巷 道空 间非 常狭 小 在忽 略其 影 响的前 的 、 施 工条 件 和各 种装 置 的特 点 等 因素 综 合 考 虑 提下 ， 由前 文 可 知 重 叠 回线 是 两 面 都 在 发 射 “ 烟 第 1 期 王扬州 等 瞬变电磁法矿井超前探测 3 1 图3 瞬变电磁法探测方向示意 Fi g ． 3 De t e c t i o n d i r e c t i o n O f TEM 圈” ， 所 以实际上 探 测 范 围并 不 是一 个 半 球 ， 而是 一 个 完整 的球体 。其 中每一个 测点接 受线 圈所接 受 到的数 据是在 巷道迎 头前方 和迎 头后方 对应位 置 的地 质信息 的一个综 合 反映 图 3 。一般 情 况 下 ， 迎头后 方是 已经有 巷道贯通 的 ， 对巷道 周 围的 岩层 构成 等地质情 况都 有 比较 明确 和直接 的认识 了解 ， 而 煤矿 生 产所需 要 的信 息 主要 是 巷道 迎 头 一 l 2 0． 1 0 0 - 8 0 6 0 4 0 2 0 0 20 40 6 O 8 O 1 0 Ol 2O x ／ m a 1 O 0 8 0 昌 6 0 孟 40 2 O 0 前 方 的地质信 息 。所 以在 对井 下瞬变 电磁做 数据 解 释处 理时 ， 不能单 纯根 据瞬变 资料进 行解 释 ， 还 要 充分 结合具 体 的地质 资料进 行综合 的解 释 。在 探 测 过程 中采用 多 角度 环 形 探测 和 顶 、 底 板 多方 位探测 也是 为 了增 加数 据 采 集量 ， 利 用 瞬 变 电磁 的指 向性强 的特点 ， 可 以更好 的确定 异常体 位置 。 5 工作实例 为 了查 明某矿 皮带 巷迎头 前方 是否存 在富水 异常 区域 ， 采用矿 井瞬 变电磁法 进行 超前探 测 ， 为 巷道进 一步 掘进提 供地 质物探 资料[ 9 ] 。根据 迎头 的实 际情况 ， 采用 重叠 回线装 置 ， 发射 和接 收线框 为 2 m2 m 矩 形 回线 。布 置测点 1 1 个 ， 分 别对底 板 、 顺 层与顶 板方 向 的探 测 图 2 。 数据采 集完成 后 ， 经过数据 的解 释处 理 ， 画 出 等 电位扇 面 图 图 4 。从 图 4可知 ， 在 皮带 巷 迎 头 1 1 P 1 5 8 8 m 正 前 方 约 l O O m 范 围 内视 电阻 率等值 线无 明显 异 常变 化 ， 且 视 电 阻率 值 相 对较 高 ， 可 推 断 在 皮 带 巷 1 1 P 1 5 8 8 m 迎 头 前 方 l O O m 范 围 内 没有 富水 区域 ， 也 无 其 他 的 富水 异 常构 造 。 再 来看 一 下 三 维 处 理结 果 图 5 ， 从 三维 图 ．1 2 0 一 l O 0 ． 8 0 ． 6 0 ． 4 0 ． 2 0 0 2 0 40 6 O 8 O l O0 l 20 x ／ m b -1 2 O l O0． 8 0 6 0 ． 4 0 20 0 2 0 40 6 0 8 0 1 O 0 l 2O x ／ m c 图4 二维探测结果 a 巷道迎头前方顶板 ； b 巷道迎头前方顺层 ； c 巷道迎头前方底板 Fi g ． 4 Ac h i e v e me n t g r a p h O f 2 D a d i r e c t i o n o f t h e r o a d wa y r o o f ； b d i r e c t i o n o f t he b e d d i n g； c d i r e c t i o n o f t h e r o a d wa y f l o o r 3 2 程 地 球 物 理 学 报 C h i n e s e J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g G e o p h y s i c s 第 6 卷 件 就可 以更直 观 的看 到 以巷 道迎 头 为 圆心 ， 向巷 道 前方 的半球 形 区域 的地 质信 息 。 0 2 图5 瞬变电磁探测结果三维显示 F i g ． 5 Ac h i e v e me n t g r a p h o f 3 D 鎏 l 。0 囊 通 过巷 道掘进 验 证 ， 矿 井 瞬 变 电磁探 测 结 果 与 实 际地质情 况完 全符 合 。 6 结 论 矿 井瞬 变 电磁 法 在井下 巷道 超前 探测 方面 具 有 施 工方 便 、 对 施 工 空间 要求 不 高 、 成 本 低 、 技 术 比较成熟 、 效 率高 的优 点 ， 特 别是 可 以在狭 小 的巷 道 迎头 空间 中工 作 和 数 据 采集 效 率 高 ， 不 影 响 煤 矿 巷道 的正 常掘进 ， 是 其他 方法 所不具 备 的 。 该 方法 可有 效地 预测巷 道 掘进迎 头前 方 的含 水异 常 ， 可提前 预报 前方 断层 及破 碎带 、 裂 隙发育 区 、 岩溶 、 陷落 柱 等 构造 的 赋水 性 ， 保 障 了巷 道 的 安全 、 快速 掘进 。同时 瞬变 电磁法装 置 简便 、 成 本 低 、 效 率 高 ， 能 够 短 时 间 内给 出结 果 ， 为 巷道 的快 速掘 进节 约 了大量 的时 间 ， 提 高 了煤 矿 的工 作 效 率 ， 因此在 矿井 超前 探测 方面 值得 推广 。 参 考文献 [ 1 ]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 ， 2 0 0 7 ， 4 4 291 ～ 2 93 ． [ 2 ]郭纯 ， 刘白宙 ， 白登海． 地下全空间瞬变电磁技术在煤 矿巷道掘进头 的连 续跟 踪超 前 探测 [ J ] ． 地 震 地质 ， 2 0 06， 9 3 45 6～ 462 ． [ 3 ]方文藻 ， 李予 国， 李貅 ． 瞬 变 电磁 测探法 原理 [ M] ． 西 安 西 北 工 业 大 学 出版 社 ， 1 9 9 3 ． [ 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 ， 1 9 9 8 ． [ 5 ]李貅． 瞬变 电磁测深 的理论 与应用 [ M] ． 西安 陕西科 学 技 术 出版 社 ， 2 0 0 2 ． [ 6 ]于景邶． 矿 井瞬变电磁法勘探 [ M] ． 徐州 中国矿业大 学 出版 社 ， 2 0 0 7 ． [ 7 ]于景邮． 矿井 瞬变电磁 法理 论 与应 用技 术研 究[ D ] ． 徐 州 中 国 矿业 大学 ， 2 0 0 1 ． [ 8 ]于景郦 ， 刘 志新 ， 岳建 华 ， 等 ． 煤 矿深部 开采 中的地球 物理技术现状及展望 [ J ] ． 地球 物理 学进 展 ， 2 0 0 7 ， 2 2 2 5 86～ 59 2． [ 9 ]汤金云．矿井瞬变 电磁法数 据处 理与解 释 系统研 制 [ D ] ． 徐州 中国矿业大学 ， 2 0 0 7 ．