复杂情况下采空区瞬变电磁场探测技术.ppt

复杂情况下采空区瞬变电磁 探测技术,江苏大学 山西省煤炭地质115勘查院, UJS 2004,“采空区对煤矿安全生产造成危害，频繁引发灾害事故。采空区与地面坍塌对地质环境、居住安全以及铁路、公路、水利电力等工程建设造成严重破坏。为了有效提高我国的采空区探测与预测技术，更好地服务于煤矿安全生产是你与环境地质灾害治理，避免和减轻工程灾害”，作为地球物理勘探工作者对采空区探测技术的研究，提高探测的准确度和精确度，不仅是出于兴趣更重要的是应尽的责任。,复杂情况下采空区瞬变电磁探测技术, UJS 2004,众所周知，提高采空区探测的准确度和精确度是一个艰难的任务。除了采空区相对较小的规模、赋存形式多样以外，探测装置、地形、地层等因素都对探测产生影响。因此这些复杂情况也就成为了采空区电磁法探测中需要研究的内容。 这里，以中心回线装置的瞬变电磁法为例，讨论复杂情况下的采空区探测问题。,复杂情况下采空区瞬变电磁探测技术, UJS 2004,1、瞬变电磁法的中心回线装置 2、中心回线装置的边缘效应 3、地形影响和校正 4、上覆低阻屏蔽层 5、纵向分辨率、时间道、采样率 6、大功率小发射回线TEM装置,主要内容, UJS 2004,电磁法探测的异常反映是地层和场结构 相互作用的结果 回线装置：在水平层状大地上，回线源形成的电场只有与地层平行的水平分量，地层中的感应电流仅在水平面中流动，电流线不与地层的分界面相交。这种地层和电磁场的特殊结构对探测低阻层非常有利，对很薄的低阻层也有较好的反映。 接地装置：不仅有水平分量电场，而且有可在地层界面感应电荷的垂直电场分量。因此，除了低阻层以外，如果期望探测高阻层，回线源不是最好的激发方式，接地装置对探测高阻层有利。,瞬变电磁法的中心回线装置1/2,1, UJS 2004,中心回线TEM装置对低阻敏感、体积小，不存在记录点问题，对施工场地有高度的适应性，是1000m内煤田水文地质勘探的首选方法。 为了提高工作效率，保证探测的时效性，实际勘探中的中心回线装置，是在中心1/3区域内探测。依据的原理是认为该区域内的场近似均匀。,1,瞬变电磁法的中心回线装置2/2, UJS 2004,实际上，回线中心区域的场并不是均匀的。 过发射回线（600m600m）中点测线上t = 0.318 ms的感应电动势,2,中心回线装置的边缘效应1/6, UJS 2004,在100m处（中间三分之一观测区的边缘）相对误差达到24.6%，在60m处为4.79%。以往对于大的构造勘探，这种误差尚可忽略。但是对煤田的水文地质勘探来说，要探测600 1000 m深度的导水小断层、陷落柱等，目标体的异常与背景相比有时也就在5%10%之间（甚至更低，尤其有上覆低阻屏蔽层时），一般不会超过15%，因此，这种由不均匀性引起的边缘效应影响是不可忽略的。,2,中心回线装置的边缘效应2/6, UJS 2004,边缘效应产生的原因是 用中心回线装置理论公式计算1/3区域范围内的视电阻率，但实际测点并不在中心点，由此引入的误差。 边缘效应的校正方法 用大定源回线理论公式计算1/3区域范围内的视电阻率。,2,中心回线装置的边缘效应3/6, UJS 2004,用大定源回线公式统一中心回线装置的视电阻率后，消除了边缘效应，也可以扩大观测范围，进一步提高施工效率。但是在回线附近场的变化距离，测点点位的微小测量误差，会引起视电阻率的较大误差，影响解释结果的准确性。因此，仍然建议在1/3区域内观测，以时间换取精度。,2,中心回线装置的边缘效应4/6, UJS 2004,用大定源回线公式统一视电阻率的定义 中心回线公式计算的视电阻率 统一后的大定源视电阻率,2,中心回线装置的边缘效应5/6, UJS 2004,存在的问题 实际勘探工程中边缘效应的校正并不是总如前面的图示那么理想。正如汇报的题目“复杂条件下”,边缘效应、地形影响、地层结构等的影响（或者说响应）是线性叠加的关系还是非线性、还是相乘的关系？现在，这个问题接近解决，在这里和各位同行请教。 进一步的工作 现有大定源理论公式的以电偶极子或磁偶极子作为基本微元。当场点距离回线较近时，不符合偶极子条件。要取得更精确的解析表达式，还应从点电荷微元出发，给出理论公式。,2,中心回线装置的边缘效应6/6, UJS 2004,3,地形影响和校正1/6,中心回线装置存在地形影响 地形剖面 感生电动势曲线 视电阻率曲线, UJS 2004,3,地形影响和校正2/6,地形影响的校正 有汉明窗空间滤波，小波变换等方法。人为因素较小的校正方法是比值法：1、用数值算法（边界元、有限元、有限差分、时域有限差分等）模拟纯地形影响，2、和观测数据相除，得到校正后的曲线；3、进入定性定量解释。 野外大规模的勘探工程要求有较为简便、快速、实用的校正方法。, UJS 2004,3,地形影响和校正3/6,地形影响的校正 同相视电阻率-深度地形校正法（简称同相法），以中心回线公式导出的近区视电阻率公式为例 按照剖面地形的几何形状加入进去，获得校正后的视电阻率剖面, UJS 2004,3,地形影响和校正4/6,山西黄陵典型影响校正 校正前 校正后, UJS 2004,3,地形影响和校正5/6,山西王家岭不典型的地形影响 地形剖面 感生电动势 高程校正, UJS 2004,3,地形影响和校正6/6,地形对电流线的发散和聚集作用 三维地形和综合作用使得地形影响的表现不典型, UJS 2004,4,上覆低阻屏蔽层1/6,上覆低阻屏蔽层降低了场的扩散速度，探测同样的深度需要更长的观测时间 无上覆低阻层（300ohm） 有上覆低阻层（40m，10ohm）, UJS 2004,4,上覆低阻屏蔽层2/6,上覆低阻屏蔽层减弱了异常响应 无低阻覆盖层 有低阻覆盖层, UJS 2004,4,上覆低阻屏蔽层3/6,低阻层对电磁能量的聚集和消耗时频分析 D型 G型, UJS 2004,4,上覆低阻屏蔽层4/6,低阻层对电磁能量的聚集和消耗时频分析, UJS 2004,4,上覆低阻屏蔽层5/6,低阻层对电磁能量的聚集和消耗时频分析 H型 A型 K型 Q型, UJS 2004,4,上覆低阻屏蔽层6/6,多层积水采空区探测 山西同忻矿, UJS 2004,4,上覆低阻屏蔽层7/6,多层积水采空区探测 山西同忻矿, UJS 2004,4,上覆低阻屏蔽层8/6,在测区的大部分区域，TEM曲线尾部平缓，表明激发的电磁能量集中在积水的2煤低阻屏蔽层中，视电阻率剖面上部有大片低阻异常带，与已知的2煤积水采空区分布范围一致，证明TEM的低阻探测能力；但下部地层电性反映模糊，这与上覆低阻层的屏蔽作用是一致的。区内还有部分区域，2煤下的7煤积水有反映。实际的地质资料表明，该区域2煤积水区破碎，积水量较小，屏蔽层出现空洞或较薄，屏蔽作用减弱，故有较多的电磁波能量穿透屏蔽到达目的层。,多层积水采空区探测 山西达子沟矿, UJS 2004,5,纵向分辨率、时间道、采样率1/5,瞬变信号在各时间段的衰减速度差别很大，为了在很宽的时间范围内不失真地表现衰减特性，除了在足够的时间内有足够的测道外，各测道之间的间隔和采样门宽应随得到不同有宽窄的变化。 在早期：信号幅值高、衰减速度快，采样时间间隔和门宽都应该窄才能保证精确地分辨信号的衰减特性。,在晚期：信号幅值低、衰减速度慢，采样时间间隔和门宽可以增大，以适应较慢的信号衰减特性。, UJS 2004,5,纵向分辨率、时间道、采样率2/5,实际的瞬变仪器在各时间档的采样率是不变的，在不同的时间档是变化的。如加拿大凤凰公司TEM仪器为例, UJS 2004,5,纵向分辨率、时间道、采样率3/5,众所周知，勘查工程中，为了提高横向分辨率，需要加密测点；为了提高纵向分辨率产生了加密时间道的需求： 国内外中心回线TEM仪器的时间道 1620道 对于600m1000m的探测深度过于稀疏。, UJS 2004,5,纵向分辨率、时间道、采样率4/5,但是，目前大多数TEM仪器的时间道是在不增加采样率的条件下增加的时间道，在一定程度上缺乏横向平滑的统计意义。, UJS 2004,5,纵向分辨率、时