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矿井瞬变电磁 探测技术 培 训 讲 解 材 料 主讲姜继英培训室主任 2013年8月4日 前言 1、物探技术的学习过程 1物探技术原理简单了解 2现场应用 3物探技术原理深入研究 2、三个问题 1该物探技术方法能解决哪些地质问题 2该物探方法为什么能解决那些地质问题 3该物探方法是怎么解决那些地质问题的 第一部分瞬变电磁法原理 第一节电磁感应定律 概念闭合电路中,磁通量发生变化就会产生感应电动势感应电压、感应电流。 图1 闭合电路通电后磁场分布 第二节瞬变电磁系统组成 放大器 电 发送机接收机 源 第三节瞬变电磁概念 瞬变电磁法Transient Electromagnetics , TEM是以地壳中岩矿石的导电性与导磁性差异为主要物质基础,根据电磁感应原理,利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲磁场,在一次脉冲磁场的间隙期间,利用线圈或接地电极观测二次涡流场,并研究该场的空间与时间分布规律, 来寻找地下矿产资源或解决其它地质问题的一支时间域的电磁法。 图3-1 瞬变电磁发射 图3-2 瞬变电磁接收 第四节瞬变电磁物理基础 电磁法探测是以地层的电性差异为基础的。从电性上分析不同地层的电性分布规律为煤层电阻率值相对较高,砂岩次之,粘土岩类最低。由于煤系地层的沉积序列比较清晰,在原生地层状态下,其导电性特征在纵向上固定的变化规律,而在横向上相对比较均一。当存在构造破碎带时,如果构造不含水,则其导电性较差,局部电阻率值增高; 如果构造含水,由于其导电性好,相当于存在局部低电阻率值地质体。 综上所述,当断层、裂隙和陷落柱等地质构造发育时,无论其含水与否,都将打破地层电性在纵向和横向上的变化规律。这种变化规律的存在,为以岩石导电性差异为物理基础的电磁法探测方法提供了良好的地质条件。 第二部分 瞬变电磁技术方法特点及能解决的地质问 题 第一节瞬变电磁技术方法的特点 优点 1与井下直流电法、地震等物探方法相比,瞬变电磁为非接触式探查技术,因此不受巷道耦合条件影响,适应性广,施工效率高; 2井下瞬变电磁法勘探可以将线圈置于巷道底板测量,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,也可以将线圈直立于巷道内,当线圈平行且接近巷道掘进前方,可进行巷道超前探查;当线圈平行于巷道侧帮,可探查巷帮内或工作面内低阻异常体发育特征; 3设备轻便、工作效率高。 局限性 1瞬变电磁方法存在一定“盲区”。不同性能的仪器以及不同的工作装置盲区范围是不同的,我们的仪器采用的工作装置盲区在15m左右。 2矿井环境下人文、电磁干扰因素较多在矿井环境下,由于工作的需要,50HZ 的工频干扰始终存在,除此之外,铁轨、锚杆、锚链网等影响因素不利于瞬变电磁对低阻异常体的信号接收,即“低阻污染”现象,巷道中金属影响程度不 同将造成测点间数据不一致性。 图4 瞬变电磁探测方向示意图 图5 瞬变电磁超前探测成果示意图 图6 工作面顶板探测方向示意图 第二节瞬变电磁技术方法能解决的地质问题 1掘进巷道前方富水性超前探测与评价 2工作面顶板、底板富水性探查与评价; 3回采工作面老空水探测; 4封闭不良钻孔,废弃巷道探查 5其它水文异常探测 第三部分 井下工作方法 1、工作装置 a 、中心回线 大线圈TX 发射,小线圈Rx 接收,中心点重合。 特点异常特征最简单,横向分辨率高,受一次场影响小,适用于测深勘探,由浅到深都有反应。 b 、重叠回线 发射接收线圈重叠在一起。 特点异常特征简单,横向分辨率低,受一次场影响最大, c 、偶极装置 发射接收线圈相距一定距离。 特点异常特征复杂,横向分辨率高,受一次场影响最小,适用于浅中部勘探 d 、大定源回线 2、 观测系统 1迎头超前探测 图7-1 常用观测系统平面测点布置 图7-2 U形观测系统平面测点布置 图7-3 扇形观测系统平面测点布置 图8 瞬变电磁单个测点探测方向示意图 在迎头超前探测中,测点一般在巷道宽度允许的情况下采用图7-1所示的常用观测系统。另外,在巷道宽度较窄时可采用图7-3扇形观测系统,同时需要掌握左右两侧帮的赋水性时可采取图7-2U形观测系统。 迎头超前探测基本要求 1掌子面处浮矸石要清除干净,为2m 线框探测提供有效空间; 2移除一切影响探测的金属器件; 3保持2m 线框基本形状,与掌子面壁“零距离”有效耦合; 4 每一测点按一定方向从左至右或从右至左移动,步距为0.2m左右, 越小越好,一定要保证有效的数据量。掌子面处探测有效数据点不少于8个; 5每一测点可以测取三个方向,即顶板45 度方向,顺层方向和底板45 度方向见图8所示。测取一点换至下一点,依次测量,保证记录的连 续性。中间不要任意调换探测方向或次序,即不要1 号测点是顶板、顺层 和底板测量,到2 号测点时变为底板、顺层和顶板测量,不利于室内数据处理。 2巷道顶底板赋水性探测测点布置 图9 巷道断面中TEM法探测方向示意图 图9 巷道平面中TEM法测点布置示意图 顶底板赋水性探测基本要求 1探测过程中尽量避开金属异物,对有金属物影响的点要做好记录。 2左帮异常可选6-8 三个方向;右帮异常可选2-4 三个方向;底板异常可选1、2、8 三个方向;顶板异常通常选4-6 三个方向; 3顶板探测过程中尽量与顶板岩层紧密耦合,减少空间介质作用; 4探测点之间的距离即线框在横向上的移动步距应在5-10m 之间,测线较长的测点点间距可选15m,一般来说测点点间距要小于15m。 5对异常体的探测与地震反射波法类似,通常从正常区异常区正 常区,这样便于对目标异常体的有效对比; 6现场探测时要求断电。 7记录好测线在巷道空间的位置。其他技术要求同上。 第四部分 瞬变电磁探测技术方法中的重要参数1数据采集时仪器设置参数 1发送频率 仪器发送脉冲电流的频率,发送频率跟数据采集的速度、时间窗口以及一次场的影响范围有关,一般井下采集数据时固定采用8.3HZ 2发射、接收线圈边长及匝数 线圈的边长及匝数跟探测深度及一次场的影响范围有关。目前发射、接收线圈的匝数采用固定值,即发射线圈边长2m,匝数9匝、接收线圈边长2m,匝数18匝。由于发射、接收线圈的边长及匝数影响到后续的计算,所以现场采集数据时及室内处理资料时都要将该参数设置成和实际装置采用的数值一致。 3叠加次数 叠加次数跟仪器的抗干扰能力及采样速度有关,其中叠加次数越大,现场抗干扰能力越强,同时数据采集的越慢。一般井下干扰小的时候采用32,干扰大的时候采用64。 图10 采样参数设置界面 2测点电位衰减曲线显示时参数 140测道 图11-1 单个测点多测道电位衰减曲线仪器显示 图11-2 单个测点多测道电位衰减曲线软件显示 以上是瞬变电磁电阻率计算公式,公式中V/I 即为图11中测出的纵轴表示的电位值,图11中横轴表示的是测道以及每个测道所对应的时间值,测道与测道之间的时间对应关系基本是按指数关系对应的。单个测点的多测道电位衰减曲线即以不同测道对应的时间值为横轴,以不同测道对应的电位为纵轴而描出的一条曲线。 图12 瞬变电磁信号传播不同时刻的对应电位示意图 222212003333 2[] 6.3210/45/snSN S N s n V I t t V I τμμρπ--⨯⨯⨯⨯⨯⨯ 3 图13 瞬变电磁单个测点测道中心时间对照表微秒 图14 饱和状态信号 图16 自测增益图 由于二次磁场信号的动态范围很大,初值可为伏量级,而后会衰减为微伏甚至亚微伏,所以在测量中途要切换增益。仪器采样时一般设置成自测增益,选择自动增益,可以在最佳时刻切换增益。如上图16所示,05,06,07表示1-5测道采用1倍增益,5-6测道采用10倍增益,6-7测道采用 100 倍增益，7-40 测道采用 1000 倍增益。
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