煤矿防治水新理论新技术ppt课件.ppt

煤矿防治水新理论新技术主讲：迟清奎第一节瞬变电磁法在煤矿防治水上的应用一、概述（一）常用物探方法比较目前，国内外用于煤矿井下突水构造探测的物探方法主要有：矿井直流电法、无线电波透视法、音频电透视法、瑞利波法及矿井地质雷达这些方法各有其特点和不足：无线电波透视法和音频电透视法主要用于探测采煤工作面内的低阻地质异常体瑞利波法和矿井地质雷达可以用于超前探测，具有定向性好、探测精度高的优点，但超前探测距离较小（一般不大于30m），不能满足现场生产需要相对而言，目前矿井直流电法和音频电透视法应用较多从方法原理上讲，矿井直流电法和音频电透视法均属直流电法即体积勘探方法，受体积效应的影响比较大，因此，这两种方法的定向性都比较差音频电透视法主要用于探测采煤工作面内及其煤层顶、底一定范围内的含水构造，由于受体积效应影响，这种方法定量解释较困难，且现场施工强度大，工作效率低矿井直流电法主要用于探测底板、侧帮及前方一定范围内的含水构造，但该方法受体积效应的影响也比较大，定向性差，探测距离较小，探测效果往往不理想瞬变电磁法是近年来发展很快，并得到广泛应用的一种电法勘探分支方法这种方法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，故在矿井水文地质勘探中有较大的应用价值，被普遍认为是水文地质勘查中最有前景的地球物理勘探方法之一。

瞬变电磁法探测具有定向性（方位性）好，可用于井下全方位探测（既可以用于掘进头前方，也可以用于巷道侧帮、煤层顶底板探测等），且探测距离大、分辨率高、施工快捷、效率高等突出优点，它是近年来国内外发展得较快、地质效果较好，在国际上被称作是电法的二次革命，开展矿井瞬变电磁法方法技术研究，具有现实意义二）瞬变电磁法的发展与现状在国外，美国、前苏联、澳大利亚及加拿大等国家从60年代开始对水平层状介质时域响应分析与研究做了大量的工作，因而瞬变电磁测深方法在理论上得到了很大的发展将瞬变电磁信号应用于地质构造探测，最早由前苏联专家在30年代末提出，50年代基本建立了瞬变电磁法解释理论和野外施工的方法技术，60年代以后得到广泛及成功的应用和发展前苏联理论研究方面一直走在世界前列，5060年代已成功地完成了瞬变电磁法的一维正、反演，7080年代又在二、三维正演方面做了大量工作，80年代初在电磁法中确定了正则偏移和解析延拓偏移两种方法，80年代末研究了时间域瞬变电磁法的激电效应特征及影响，成功地解释了瞬变电磁法晚期段电磁响应的变号现象在西方，50年代初提出利用瞬变电磁场法寻找导电矿体的概念，并做了一定的试验工作。

60年代初推导出了层状介质地电断面的瞬变电磁响应表达式，为电磁测深理论奠定了基础；后期又导出了位于层状介质上方的水平线圈所接收到的时域响应，为瞬变电磁法测深提供了重要的理论依据该方法大规模发展始于70年代，此间对该方法的一维正、反演及方法技术进行了大量研究，同时开始出现单一方法用的瞬变电磁法商品仪器80年代初，在计算机上成功编译了各种装置下瞬变电磁测深一维反演程序，这在该方法的定量解释研究方面是一个重大的突破；同时，随着计算机技术的发展，欧美各国在瞬变电磁法的二、三维正演模拟技术方面作了大量工作，随之利用有限差分法实现了电磁波场的二维偏移和电磁数据的成像欧美学者对时间域瞬变电磁法的激电效应研究始于80年代初，并奠定了该领域的研究基础近些年开始出现智能集成化的仪器.我国于70年代后期开始对瞬变电磁法的方法理论和应用技术进行深入研究，投入研究的单位主要有：中南工业大学、长春地质学院、地矿部物化探研究所、西安地质学院、有色金属工业总公司矿产地质研究院等80年代后，这些单位都进行了理论及方法技术研究，主要进行了国内外文献调研，汇编了异常实例及译文专辑，并进行了模型实验研究工作同时，围绕生产实际中所提出的问题，对脉冲瞬变电磁法工作方法技术、资料解释方法、导电围岩条件下的异常规律、瞬变电磁测深法以及磁性与激发极化对瞬变电磁响应的影响规律做了详细的探讨，有的单位还研制出了仪器样机。

但是由于未能提供性能良好的仪器供野外生产使用，使它的推广应用处于停滞状态90年代初，将国外在大型计算机上编译的重叠回线装置下瞬变电磁测深一维反演程序移植到普通的微机上实现，这对瞬变电磁测深方法在我国的发展起到了积极的推动作用到目前，已比较完整地建立了一维正、反演及方法技术理论近几年，国内各单位在仪器研制及野外试验方面做了一些工作，并自行研制了一些功率较小、勘探深度较浅的单一方法仪器，研制出的仪器主要有SD1、SD2、WDC2、WDC3、WDC4、WDC5、SDC-1及LC系统等，高性能瞬变电磁仪器正在研制之中目前，大功率、多功能瞬变电磁法仪器主要依赖进口中国矿业大学在在国际上首次成功将地面瞬变电磁法应用瞬变电磁法应用煤矿井矿井下，采用多种工作装置在在井下巷道内探测工作面顶、底板及巷道掘进头前方含水构造，自1998年以来已应用应用到近20个矿井矿井200多个工作面和60多次掘进巷道迎头超前探测工作，取得了很好的地质效果矿井瞬变电磁法矿井瞬变电磁法只对井下巷道周围空间含水构造反映灵敏，对不含水构造或弱含水构造反映相对较弱对含水构造采用该方法可以确定其具体空间位置二、瞬变电磁法的基本原理瞬变电磁法(TransientElectromagneticMethods)，又叫时间域电磁法(Time-DomainElectromagneticMethods)，简称TEM或TDEM。

瞬变电磁法瞬变电磁法是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法简单地说，瞬变电磁法瞬变电磁法的基本原理就是电磁感应定律瞬变电磁仪系统的组成主要有：发射机发射线圈高频接收线圈数字接收机全空间正、反演软件在地面或空中设置通以一定波形电流的发射线圈，从而在在其周围空间产生一次电磁场，并在在地下导电岩矿体（地下含水构造）中产生感应电流;断电后感应电流由于热损耗而随时间衰减，衰减过程一般分为早、中和晚期早期的电磁场相当于频率域中的中的高频成分，衰减快，趋肤深度小;而中晚期成分则相当于频率域中的中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征三、瞬变电磁法在井下探水中的应用（一）井下瞬变电磁法的装置结构（一）井下瞬变电磁法的装置结构瞬变电磁法有不同的装置结构，以适应不同的探测目的由于井下瞬变电磁法是在巷道内进行，要在有限的施工空间内获取巷道前方，顶、底板，以及采区下面的储水构造和储水体的分布情况，并且探测盲区还要尽量少因此必须仔细选择合适的仪器类型和合适的装置结构可在井下工作的装置结构有四种：1、重叠回线装置：发射线圈与接收线圈重合。

此种装置由于接收线圈和发射线圈重叠，互感大、一次场影响大，所以关断时间长，盲区大2、中心装置：接收线圈RX位于发射线圈TX的中心处此种装置互感大，一次场影响大，盲区大重叠回线和中心回线与探测对象能达到最佳耦合，所得到异常幅度大，形态简单，受旁侧影响小，横向分辨率高，是瞬变电磁法中最常采用的装置3、共面偶极装置：发射线圈TX与接收线圈RX共平面，两者相距510m，因此一次场对接收线圈的影响可以忽略，盲区小此装置适合沿巷道探测其侧向采区下方的储水构造此时，发射线圈和接收线圈沿巷道布置，倾角45（或大、或小），相距510m当探测巷道顶、底时，发射线圈和接收线圈沿巷道水平布置4、共轴偶极装置：发射线圈TX与接收线圈RX分别位于前后平行的两个平面内，但处于同一轴线上，两者相距510m此装置适合巷道掘进头的超前探测此时，接收线圈贴近掌子面，发射线圈位于其后510m处，两者轴线指向探测方向如果接收线圈和发射线圈分别向左、向右转动不同角度时（例如30，45），则探测方向也分别指向前方的不同角度，于是便可以探明掘进头前方扇形区域内的储水构造图图2剖面探测装置方式剖面探测装置方式（二）TEM47HP煤矿井下探水瞬变电磁仪煤矿井下探水瞬变电磁仪1、PROTEM数字接收机的技术指标数字接收机的技术指标观测值：三分量感应磁场的衰减比，观测值：三分量感应磁场的衰减比，nv/m2电磁传感器：空心线圈电磁传感器：空心线圈道数：单道连续测量三分量或三道同时道数：单道连续测量三分量或三道同时测量三分量测量三分量时间门：在两个量级时间轴上时间门：在两个量级时间轴上20个门测个门测量，或三个量级时间轴上量，或三个量级时间轴上30个门测量个门测量信号分辨率：信号分辨率：24位，包括位，包括1个符号位，系个符号位，系统分辨率统分辨率29位位基本频率：基本频率：0.30.3，0.750.75，3 3，7.07.0，3030，7575，285Hz285Hz（60Hz60Hz工频时）工频时）0.250.25，0.6250.625，2.52.5，6.256.25，2525，62.562.5，237.5Hz237.5Hz（50Hz50Hz工频时）。

工频时）积分时间：积分时间：0.50.5，2 2，4 4，8 8，1515，3030，6060和和120120秒秒显示器：显示器：2406424064点液晶显示点液晶显示数据管理：固态存储数据管理：固态存储33003300套数据，套数据，RS232RS232输出输出同频：参考电缆同步同频：参考电缆同步工作温度：工作温度：-40-40+60+60电源：电源：12V12V可充电电源，可连续工作可充电电源，可连续工作8 8小时小时重量：重量：15Kg15Kg体积：体积：343827cm343827cm2、TEM47HP发射机技术指标发射机技术指标电流波型：偶极方波，占空系数电流波型：偶极方波，占空系数50%基本频率：基本频率：30，75，285Hz（功率（功率传输线为传输线为60Hz时）时）25，62.5，237.5Hz（功率传输线（功率传输线为为50Hz时）时）关断时间：关断时间关断时间：关断时间2.5s（40m40m发射线圈），最终发射线圈），最终关断时间取决发射线圈有效面积关断时间取决发射线圈有效面积S及发及发射电流射电流A发射线圈尺寸：发射线圈尺寸：1.5m1.5m(80匝匝)或或2m2m（64匝）匝）输出电压：输出电压：012V24V或或32V最大输出电流：10A同步：电缆同步工作温度：-40+60电源：内置12V，外接12V或24V重量：6公斤尺寸：43x25x25厘米（三）SIROTEM3型瞬变电磁仪主要技术特点：该仪器具有携带轻便、防潮、防水和防尘等优点.1在井下巷道内测量装置为边长小于3m的多匝正方形小线框（一般边长为2m），因此工作装置轻便，工作效率高（一个物理点测量时间小于1.5s），成本低，其有效探测范围在25150m之间。

2由于采用小线框测量，进行巷道迎头超前探测点距为25m，其它位置探测点距为50m，降低体积效应的影响，提高勘探分辨率，特别是横向分辨率得到很大提高，可确定含水构造具体空间位置3井下测量装置距离异常体更近，大大提高测量信号的信噪比，实际测量结果说明，井下测量信号的强度比地面同样有效面积的相同装置测量的信号强10100倍井下的干扰信号相对有用信号近似等于零（大于30ms时间段），而地面测量信号在衰减到一定时间段（一般小于15ms）就被干扰信号覆盖，无法识别有用异常信号4由于正方形线框辐射电磁场有效体积为分布线框上下两方向的锥体，及电磁场辐射具有一定方向性地面瞬变电磁法勘探一般只能将线圈平置于地面探测地下半空间含水构造或导电矿体，而井下瞬变电磁法可以将线圈置于巷道底板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，也可以将线框直立于巷道迎头，当线圈面平行巷道掘进迎头面，可进行超前探测巷道掘进前方含水构造发育情况；当线圈面平行于巷道侧帮，根据煤层倾角变化设计相应探测角度，可探测工作面内煤层顶、底板一定范围内含水低阻异常体的发育规律5.由于矿井瞬变电磁法关断时间的影响，与其它物探方法相比，无法探。