电法在煤矿防治水中的应用2007PPT课件.ppt

电法勘探在煤矿防治水中的应用 朱鲁山东科技大学地科学院 山东科技大学 1 一 电法勘探的分类 山东科技大学 2 电法勘探的分类 方法分类 2 天然场源法 自然电位法 大地电流法 大地电磁法等 人工场源法 电阻率法 激发极化法 电磁法等 3 电法勘探的分类 方法分类 3 传导类电法 电阻率法 充电法 自然电场法 激发极化法等 电阻率法 剖面法 二 三极剖面 联合剖面等 测深法感应类电法 电磁剖面法 偶极剖面 航空电磁法等 电磁测深法 大地电磁测深 频率测深等 4 1 岩石的电阻率金属导电 半导体导电 固体电解质导电2 影响电阻率的因素成分和结构 含水性 温度 压力 山东科技大学 二 电法勘探中的地球物理基础 5 岩石的导电方式大致可分为以下三种 金属导电和半导体导电 溶液离子导电 固体电解质导电岩石的电阻率由组成岩石的矿物成分决定岩石和矿物的导电性或电阻率 取决于物质中电荷运移的难易程度 矿物的电阻率 金属导体 电阻率 很小 例如 金的电阻率 为2 10 8 m 铜的电阻率 为1 2 30 10 8 m 6 影响电阻率的因素 1 岩石电阻率与矿物成分的关系岩石电阻率与组成岩石的矿物的电阻率 矿物的含量和矿物的分布有关 当岩石中含有良导电矿物时 矿物导电性能能否对岩石电阻率的大小产生影响取决于良导矿物的分布状态和含量 如果岩石中的良导矿物颗粒彼此隔离地分布着 且良导矿物的体积含量不大 那么岩石的电阻率基本上与所含的良导矿物无关 只有当良导矿物的体积含量较大时 大于30 岩石的电阻率才会随良导矿物的体积含量的增大而逐渐降低 但是 如果良导矿物的电连通性较好 即使它们的体积含量并不大 岩石的电阻率也会随良导矿物含量的增加而急剧减小 7 2 岩石电阻率与其含水性的关系沉积岩主要依靠孔隙水溶液来传导电流 因此岩层中水的导电性质将直接影响沉积岩的电阻率 在其他条件相同的情况下 岩层电阻率与岩层中水的电阻率成正比 影响水的导电性的主要因素是水中离子的浓度和水的温度 常见的岩层水一般含低或中等浓度的离子 岩层中水的含盐浓度增大 离子数量随之增多 溶液导电性将变好 同时岩层中水的导电性还与温度有关 它的电阻率将随温度的升高而降低 这是因为 一方面水中盐类的溶解度随温度的升高而增大 致使溶液中离子数量增多 另一方面 温度的升高还会降低溶液粘度 加快离子的迁移速度 8 3 岩石电阻率与层理的关系层理构造是大多数沉积岩和变质岩的典型特征 如砂岩 泥岩 片岩 板岩以及煤层等 它们均由很多薄层相互交替组成 这种岩石的电阻率具有明显的方向性 即沿层理方向和垂直层理方向岩石的导电性不同 称为岩石电阻率的各向异性 岩石电阻率的各向异性可用各向异性系数 来表示 定义为式中 n代表垂直层理方向上的平均电阻率 称为横向电阻率 t代表沿层理方向的平均电阻率 称为纵向电阻率 层状结构岩石模型 9 4 岩石电阻率与温度的关系岩石电阻率随温度的变化遵循导电理论的有关定理 电介质中离子的能动性随温度升高而增大 其运动能量积累到一定值时 很容易脱离晶格 因此导电性增强 半导体的温度升高时 导电区电子浓度增大 导电性也相应增大 如前所述 在低温条件下 含水岩石中水溶液的导电性随温度的升高而增大 这是由于温度升高导致水溶液浓度增大和粘滞度降低 水溶液中离子数量增多 活动性增强的缘故 当温度继续升高时 因水分蒸发 岩石电阻率略有增加 只有温度继续升高时 电阻率才开始减小 例如 对油页岩进行加温实验时 温度升高到50 100 时 试样的电阻率减小 温度继续升高至200 时 试样电阻率增大 温度继续升高超过200 时 试样电阻率急剧下降 当温度超过600 后 试样电阻率又呈回升趋势 10 5 岩石电阻率与压力的关系岩石原生结构破坏是压力作用下岩石性质变化的主要原因 根据压力特征 这种破坏可能是岩石的压实 孔隙收缩 颗粒接触面积的增大 形成裂隙组 或是个别区域之间粘结性减小等等 静水压力对岩石的压实作用最大 在静水压力作用下 岩石内出现残余变形 从而使孔隙度降低 此时压力对岩石电阻率的影响与岩石内液体和气体的含量有关 往往随压力的增大 干燥或者稍许含水岩石的电阻率减小 这是由于孔隙度降低 颗粒间接触良好的原因 除此之外 岩石中孤立的含水孔隙在压力作用下闭合并形成连续的导电通路 也会使其电阻率减小 对于大多数岩石 当单轴压力由10Mpa增加到60Mpa时 可观测到岩石电阻率的剧烈变化 但是 某些粘土在压力作用下 由于孔隙中的水分被挤出 含水孔隙通道的截面缩小 从而使其电阻率增大 相反 在应力弱化作用下 岩石颗粒之间内部粘结性降低 致使岩石强度变小 岩石可碎性增强 当岩石内部裂隙发育但裂隙不充水时 岩石电阻率会增大 若裂隙充水 岩石电阻率会显著减小 11 二 电法勘探中的地球物理基础3 计算公式 山东科技大学 12 三 高密度电阻率法1 基本原理 高密度电阻率法是二十世纪八十年代才发展起来的一种新型阵列勘探方法 是基于静电场理论 以探测目标体的电性差异为前提进行的 该方法采集数据信息量大 可进行层析成象计算 成图直观 可视性强 采集装置种类多 仪器轻便 该方法在不同领域受到广泛的应用 山东科技大学 13 三 高密度电阻率法 山东科技大学 14 三 高密度电阻率法 山东科技大学 15 三 高密度电阻率法 山东科技大学 16 三 高密度电阻率法 17 三 高密度电阻率法 2 工作方法技术具体测量方法为 首先以固定点距沿井下巷道测线布置一系列电极 电极通过多芯电缆经转换开关接到仪器上 通过转换开关改变装置类型 一次完成该测点上各种装置形式的观测 一个测点观测完后 通过开关转换到下一相邻测点对应的电极 以相同方法进行该点观测 直到某一电极间距的整条剖面观测完为止 改变电极间距 重复以下观测 直到有所不同电极间距的剖面观测完为止 点距的选择主要依据探测精度要求 精度要求越高应越小 最大电极距大小 决定于预期探测深度 探测深度越深 要求越大 但一般隔离系数最大值不超过15为好 当然 由于一条剖面测点总数是固定的 因此当极距扩大时 反映不同勘探深度的测点数将依次减少 18 三 高密度电阻率法 山东科技大学 资料处理和正演模拟高密度电阻率资料的反演 图见下页 19 三 高密度电阻率法 山东科技大学 20 四 瞬变电磁法 1 瞬变电磁法的基本原理瞬变电磁法是一种利用电磁感应原理预测地下矿产的地球物理方法 瞬变电磁法是一种时间域的电磁测深法 它利用接地电极或不接地回线建立起地下的一次脉冲磁场 在一次磁场间歇期间接收感应的二次电场和磁场 在过程的早期 瞬变场频谱中高频成份占优势 因此涡旋电流主要分布在地表附近 且阻碍电磁场的深入传播 电磁场主要反映浅层地质信息 具有很强的分层能力 随着时间的推移 介质中部的高频部分衰减 热损耗 而低频部分的作用相对明显起来 电磁场反映了较深部的地质信息 所以可达到测深的目的 在阶跃脉冲作用下 良导地层中产生的瞬变涡流电磁场持续时间较长 有利于寻找良导体地层并确定其赋存形态 山东科技大学 21 四 瞬变电磁法 瞬变电磁法测量装置由发射回线和接收回线两部分组成 瞬变电磁法工作过程可以划分为发射 电磁感应和接收三部分 当发射回线中的稳定电流突然切断后 根据电磁感应理论 发射回线中电流突然变化必将在其周围产磁场 该磁场称为一次磁场 一次磁场在周围传播过程中 如遇到地下良导电的地质体 将在其内部激发产生感应电流 又称涡流或二次电流 由于二次电流随时间变化 因而在其周围又产生新的磁场 称二次磁场 由于良导电矿体内感应电流的热损耗 二次磁场大致按指数规律随时间衰减 形成如图2 1所示的瞬变磁场 二次磁场主要来源于良导电矿体内的感应电流 因此它包含着与矿体有关的地质信息 二次磁场通过接收回线观测 并对所观测的数据进行分析和处理 据此 解释地下矿体及相关物理参数 山东科技大学 22 四 瞬变电磁法 山东科技大学 23 四 瞬变电磁法 24 四 瞬变电磁法 25 瞬变场的激发 与谐变场情况一样 其激发方向也有接地式和感应式两种 在阶跃电流 通电或断电 的强大变化磁场作用下 良导介质内产生涡旋的交变电磁场 其结构和频谱在时间与空间上均连续地变化 26 谐变场和瞬变场涡旋电流结构 27 瞬变场的参数 瞬变电磁场状态的基本参数是时间 这一时间依赖于岩石的导电性和收 发距 研究瞬变电磁场随时间的变化规律 可探测具有不同导电性的地层分布纵向电导 也可以发现地下赋存的较大的良导矿体 在频率域中电场强度按指数规律衰减 28 四 瞬变电磁法 2 野外工作方法 1 几种装置及其特点 2 工作装置和回线大小选择 29 四 瞬变电磁法 30 四 瞬变电磁法 1 由于TEM是在无一次场背景情况下观测二次场 即观测的是纯异常 自动消除了FEM中的主要噪声源 装置耦合噪声 从而提高了探测精度 2 装置形式灵活多样 可随不同工程任务的要求和施工场地的条件来选择合适的装置 具有施工方便 测地工作简单 工作效率高及地质效果好等优点 使用同点装置工作 与欲探测的地质对象能达到最佳的耦合 取得的异常幅度强 形态简单 分层能力强 从而具有较高的探测能力 并且受到旁测地质体的影响也是最小的 3 对于受到导电围岩及导电覆盖层等地质噪声干扰的 矿异常 的区分能力优于FEM 在高阻围岩条件下 不存在地形起伏引起的假异常 低阻围岩起伏地形引起的异常也比较容易识别 4 在TEM测量中 对于线框铺设的点位 方位及形状等的要求相对于FEM可以放宽 测地工作简单 工效高 5 由于采用不接地回线 不存在接地电阻问题 在基岩出露区 冻土带 沙漠 水泥路面 河湖海水面上均可进行测量 具有施工方便 工作效率高及地质效果好等优点 6 在剖面测量中 由于采集不同时间段的数据 通过数据处理可以得到同一点的测深资料 从而在剖面测量中完成了相应区域的测深测量 提供的地电信息丰富 便于资料的解释 7 可通过选择不同的时间窗口进行观测 有效地压制地质噪声 可获得不同勘探深度 可用加大发射功率的方法增强二次场 从而增加勘探深度 有穿透低阻覆盖能力 探测深度大 在目前的技术条件下 勘探范围浅可至几米 深可达几千米 随着采集仪器 资料处理解释方法的进步 勘探深度范围还能进一步的扩大 8 TEM的应用领域相对更加广泛 瞬变电磁法可以解决的地质问题有 能源 矿产勘查 水文 工程 环境地质调查 考古探测等 31 四 瞬变电磁法 3 资料解释 32 四 瞬变电磁法 33 四 瞬变电磁法 34 五 大地电磁测深法 1 大地电磁测深的原理 35 五 大地电磁测深法 2 野外施工3 资料处理和解释 山东科技大学 36 六 电磁场变频测深法 或称人工场源频率测深法 1 电磁场变频测深法原理 山东科技大学 37 五 电磁场变频测深法 或称人工场源频率测深法 山东科技大学 38 五 电磁场变频测深法 或称人工场源频率测深法 2 野外施工 山东科技大学 39 六 可控源音频大地电磁测深法 1 可控源音频大地电磁测深法原理CSAMT法是可控源音频大地电磁法的简称 该方法是九十年代才兴起的一种地球物理新技术 它基于电磁波传播理论和麦克斯韦方程组导出了水平电偶极源在地面上的电场及磁场公式视电阻率 s 公式 山东科技大学 40 六 可控源音频大地电磁测深法 山东科技大学 根据电磁波的趋肤效应理论 导出了趋肤深度公式 41 六 可控源音频大地电磁测深法 从上式可见 当地表电阻率固定时 电磁波的传播深度 或探测深度 与频率成反比 高频时 探测深度浅 低频时 探测深度深 人们可以通过改变发射频率来改变探测深度 达到频率测深的目的 九十年代 加拿大凤凰公司和美国的宗吉公司根据这一理论首先研究制造了CSAMT的测量仪器系统 编制了软件 建立了野外工作方法 见下图 山东科技大学 42 六 可控源音频大地电磁测深法 山东科技大学 43 六 可控源音频大地电磁测深法 山东科技大学 44 六 可控源音频大地电磁测深法 CSAMT法具有如下的一些特点 1 使用可控制的人工场源 信号强度比天然场要大得多 因此可在较强干扰区的城市及城郊开展工作 2 测量参数为电场与磁场之比 得出的是卡尼亚电阻率 由于是比值测量 因此可减少外来的随机干扰 并减少地形的影响 3 基于电磁波的趋肤深度原理 利用改变频率进行不同深度的电测深 大大提高了工作效率 减轻了劳动强度 一次发射 可同时完成七个点的电磁测深 4 勘探深度范围大 一般可达1 2Km 5 横向分辨率高 可灵敏地发现断层 6 由于接收机在接收电场的同时还要接收磁场 因此高阻屏蔽作用小 可穿透高阻层 山东科技大学 45 七 地质雷达 地质雷达 GroundPenetratingRadar 简称GPR 是利用超高频电磁波探测地下介质分布的一种地球物理勘探仪器 属于电磁波法的范畴 它是利用电磁波在不同媒体中的传播与反射特性来进行探测的 由于其具有分辨率高 图像直观 对场地条件要求低等优点 在工程勘察与工程检测领域己得到越来越多的应用 山东科技大学 46 七 地质雷达 地质雷达由地面上的发射天线T将高频电磁波 主频为106 109Hz 以宽频带短脉冲形式送入地下 经地下目标体或不同电磁性质的介质分界面反射后返回地面 为另一接收天线R所接收 而其余电磁能量则穿过界面继续向下传播 在更深的界面上继续反射和折射 直至电磁能量被地下介质全部吸收 如图所示 山东科技大学 47 七 地质雷达 根据上图 回波走时 电磁波行程所需时间 t为 t 式中 x为两天线的间距 z为反射点A的法线深度 v为电磁波在地下介质波速 当地下介质的波速v为已知时 则可根据天线间距 已知值 x和雷达记录的回波走时t 由上式可求出反射体的埋深 反射体或目标体的埋深及其变化 是描述其空间分布最重要的参数之一 因此也是地质雷达方法必须获得的基本数据 山东科技大学 48 1 埋深200m以浅 采用高密度电法较为有益 也可采用瞬变电磁法 地质雷达法 山东科技大学 八 电法勘探在防治水中的应用 49 八 电法勘探在防治水中的应用 山东科技大学 50 八 电法勘探在防治水中的应用 山东科技大学 51 八 电法勘探在防治水中的应用 山东科技大学 52 八 电法勘探在防治水中的应用 山东科技大学 53 54 八 电法勘探在防治水中的应用 55 八 电法勘探在防治水中的应用 56 八 电法勘探在防治水中的应用 57 八 电法勘探在防治水中的应用 58 八 电法勘探在防治水中的应用 59 八 电法勘探在防治水中的应用 60 八 电法勘探在防治水中的应用地质雷达 61 2 埋深中等200 800m 以大地电磁测深和人工频率测深和瞬变电磁法的某些方法较为适宜 这主要是看仪器灵敏度和频带宽度 山东科技大学 八 电法勘探在防治水中的应用 62 八 电法勘探在防治水中的应用 山东科技大学 63 八 电法勘探在防治水中的应用 山东科技大学 64 八 电法勘探在防治水中的应用 山东科技大学 65 66 八 电法勘探在防治水中的应用 3 埋藏较深 大于1000m 一般以大地电磁测深和可控源音频大地电磁法 V 5 V 2000 V 6系列仪器 和瞬变电磁法 加拿大ProTEM系统 UTEM系统及V 6 V 2000和美国GDP 32等也有瞬变电场的功能 较为理想 澳洲产的SIROTEM系统对埋藏中等较为合适 山东科技大学 67 八 电法勘探在防治水中的应用 山东科技大学 68 八 电法勘探在防治水