矿井瞬变电磁法探测技VIP

1、矿井瞬变电磁法探测技术 1 提纲 一、研究矿井瞬变电磁法的背景 二、矿井瞬变电磁法原理 三、矿井瞬变电磁法特点 四、矿井瞬变电磁法的具体应用 五、问题分析 矿井瞬变电磁法探测技术 2 一、研究背景 20062006年有关煤矿透水事故总计年有关煤矿透水事故总计3636起，起，死亡死亡256256人人，死亡超过，死亡超过1010 人的特大透水事故人的特大透水事故5 5起，在查明透水原因的透水事故中，透水点大起，在查明透水原因的透水事故中，透水点大 多发生于巷道掘进工作面多发生于巷道掘进工作面。 20072007年有关煤矿透水事故总计年有关煤矿透水事故总计3030起，起，死亡死亡348348人人，死

2、亡超过，死亡超过1010 人的特大透水事故人的特大透水事故6 6起，大部分透水事故亦发生于巷道掘进工作面，起，大部分透水事故亦发生于巷道掘进工作面， 其中其中3 3月月1010日重庆永川县红炉镇金源煤矿与日重庆永川县红炉镇金源煤矿与7 7月月2626日山西吕梁地区孝日山西吕梁地区孝 义市庆平煤矿透水事故恰发生在义市庆平煤矿透水事故恰发生在探水作业探水作业期间，金源煤矿透水事故期间，金源煤矿透水事故 造成造成4 4人死亡，人死亡，1 1人下落不明，庆平煤矿造成人下落不明，庆平煤矿造成8 8人被困。人被困。 2008年年彭水县芦塘煤矿发生透水事故。造成彭水县芦塘煤矿发生透水事故。造成7 7人人死亡

3、死亡, ,两人下两人下 落不明落不明 。 煤矿水害约占煤矿安全事故总数的煤矿水害约占煤矿安全事故总数的1/31/3。 国家煤矿安全监察局在认真总结各方面教训、归纳提炼各地成国家煤矿安全监察局在认真总结各方面教训、归纳提炼各地成 功经验、组织专家广泛论证基础上，提出了煤矿水害防治功经验、组织专家广泛论证基础上，提出了煤矿水害防治“预测预预测预 报，有疑必探，先探后掘，先治后采报，有疑必探，先探后掘，先治后采”的十六字原则。目前矿井防的十六字原则。目前矿井防 治水技术已列入国家科技支撑计划，进行重点科技攻关。治水技术已列入国家科技支撑计划，进行重点科技攻关。 矿井瞬变电磁法探测技术 3 一、研究背

4、景 根据煤炭安全规程，掘进工作面遇到下列情况之一时， 必须确定探水线进行探水： 接近水淹或可能积水的井巷、老空或相邻煤矿时；接近水淹或可能积水的井巷、老空或相邻煤矿时； 接近含水层、导水断层、溶洞和导水陷落柱时；接近含水层、导水断层、溶洞和导水陷落柱时； 打开隔离煤柱放水时；打开隔离煤柱放水时； 接近可能与河流、湖泊、水库、蓄水池、水井等相通的断层破碎带接近可能与河流、湖泊、水库、蓄水池、水井等相通的断层破碎带 时；时； 接近有出水可能的钻孔时；接近有出水可能的钻孔时； 接近有水的灌浆区时；接近有水的灌浆区时； 接近其他可能突水区时接近其他可能突水区时 矿井瞬变电磁法探测技术 4 一、研究背景

5、 目前探水技术 钻探（接触式） 物探（非触式） 矿井直流电法、矿井瞬变电磁法、矿井直流电法、矿井瞬变电磁法、 弹性波法弹性波法 钻探钻探 矿井瞬变电磁法探测技术 5 中国矿业大学 重叠小回线重叠小回线 一、研究背景 PROTEM-47 偶极偶极- -偶极偶极 长安大学（李貅、武军杰李貅、武军杰 2005、2006） 隧道超前探测隧道超前探测 探头屏蔽、隧道背景校正探头屏蔽、隧道背景校正 西南交通大学（代刚代刚 2006） Ansys 模拟含巷道空间的瞬变电磁场模拟含巷道空间的瞬变电磁场 煤科总院西安分院 直流电法超前探直流电法超前探 应用 矿井瞬变电磁法探测技术 6 1 基本原理 在导电率为在

6、导电率为、导磁率为、导磁率为的均匀各向同性大地表面敷设面积为的均匀各向同性大地表面敷设面积为S的矩的矩 形发射回线，在回线中供以形发射回线，在回线中供以阶跃脉冲电流阶跃脉冲电流 （1） 在电流断开之前（时），发射电流在回线周围与大地空间中建立起一在电流断开之前（时），发射电流在回线周围与大地空间中建立起一 个个稳定的磁场稳定的磁场，如下图所示。，如下图所示。 二、矿井瞬变电磁法原理 00 0 )( t tI tI 00 0 )( t tI tI 矿井瞬变电磁法探测技术 7 1 基本原理 二、矿井瞬变电磁法原理 Tx t0 z x 图 矩形框磁力线 矿井瞬变电磁法探测技术 8 1 基本原理 二、

7、矿井瞬变电磁法原理 在t=0时刻，将电流突然断开，由该电流产生的磁场也立即消失。一次磁 场的这一剧烈变化通过空气和地下导电介质传至回线周围的大地中，并在大 地中激发出感应电流以维持发射电流断开之前存在的磁场，使空间的磁场不 会即刻消失。 由于介质的欧姆损耗，这一感应电流将迅速衰减，由它产生的磁场也随 之迅速衰减，这种迅速衰减的磁场又在其周围的地下介质中感应出新的强度 更弱的涡流。这一过程继续下去，直至大地的欧姆损耗将磁场能量消耗完毕 为止。这便是大地中的瞬变电磁过程，伴随这一过程存在的电磁场便是大地 的瞬变电磁场。 矿井瞬变电磁法探测技术 9 1 基本原理 二、矿井瞬变电磁法应用 应该指出，当

8、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。 任一时刻地下涡旋感应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。等效电流环很象从发射回线中“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 圈效应” 。 矿井瞬变电磁法探测技术 10 1 基本原理 二、矿井瞬变电磁法原理 从“烟圈效应”的观点看，早期瞬 变电磁场是由近

9、地表的感应电流产生的， 反映浅部电性分布；晚期瞬变电磁场主 要是由深部的感应电流产生的，反映深 部的电性分布。因此，观测和研究大地 瞬变电磁场随时间的变化规律，可以探 测大地电位的垂向变化，这便是瞬变电 磁测深的原理。 电 导 率 =0.1S/m T 发 射 回 线 均 匀 半 空 间 烟 圈 图 瞬变电磁场烟圈 矿井瞬变电磁法探测技术 11 1 基本原理 瞬变电磁法也称时间域电磁法瞬变电磁法也称时间域电磁法(Time domain electromagnetic methods)，简，简 称称TEM，它是利用，它是利用不接地回线不接地回线或或接地线源接地线源向地下发射向地下发射一次脉冲磁场一

10、次脉冲磁场，在一次脉，在一次脉 冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场二次涡流场的方法。简单地说，瞬的方法。简单地说，瞬 变电磁法的基本原理就是变电磁法的基本原理就是电磁感应定律电磁感应定律。 二、矿井瞬变电磁法原理 矿井瞬变电磁法探测技术 12 2 应用 根据瞬变电磁法对低阻体反应敏感的特点，将其用于煤矿井下水文根据瞬变电磁法对低阻体反应敏感的特点，将其用于煤矿井下水文 勘查还是近几年的事情勘查还是近几年的事情 。瞬变电磁法是一种极具发展前景的方法，可查。瞬变电磁法是一种极具发展前景的方法，可查 明含水地质如明含水地质如岩溶洞穴与通道、煤矿采空

11、区、深部不规则水体岩溶洞穴与通道、煤矿采空区、深部不规则水体等。等。 二、矿井瞬变电磁法原理 矿井瞬变电磁法探测技术 13 由于矿井瞬变电磁勘探在井下巷道中进行，采用非接触式、多匝数、小回线由于矿井瞬变电磁勘探在井下巷道中进行，采用非接触式、多匝数、小回线 工作装置进行探查，井下噪声、资料处理和解释方法与地面瞬变电磁法和矿井直工作装置进行探查，井下噪声、资料处理和解释方法与地面瞬变电磁法和矿井直 流电法勘探不同，因此，矿井瞬变电磁法勘探主要有以下几个方面的特点：流电法勘探不同，因此，矿井瞬变电磁法勘探主要有以下几个方面的特点： 三、矿井瞬变电磁法特点 矿井瞬变电磁法探测技术 14 采用边长小于

12、采用边长小于3m的多匝数、小回线工作装置。因此，与地面的多匝数、小回线工作装置。因此，与地面 瞬变电磁法勘探比瞬变电磁法勘探比 较具有数据采集较具有数据采集速度快速度快、工作装备、工作装备轻便轻便、工作、工作效率高效率高，成本低成本低等优点；等优点； 由于采用小回线装置测量，点距更密（一般为由于采用小回线装置测量，点距更密（一般为210m）体积效应小体积效应小，勘探，勘探分辨分辨 率高率高； 由于小线框使用探测距离变小，要增加探测探度则需要改变与探测深度有关的由于小线框使用探测距离变小，要增加探测探度则需要改变与探测深度有关的 影响因素（线圈匝数增加）；影响因素（线圈匝数增加）； 三、矿井瞬变

13、电磁法特点 矿井瞬变电磁法探测技术 15 多匝数的发射天线装置将有较强的自感和互感现象，使探测多匝数的发射天线装置将有较强的自感和互感现象，使探测盲区盲区增大；增大； 井下工作装置距离异常体更近，且为全空间响应，实际测井下工作装置距离异常体更近，且为全空间响应，实际测 量结果表明，井下测量结果表明，井下测 量信号的强度比地面同样有效面积的量信号的强度比地面同样有效面积的 相同工作装置信号强相同工作装置信号强10100倍，具有倍，具有高信高信 噪比噪比； 相对于其它矿井物探方法无法施工的巷道（巷道长度有限或巷道掘进迎头超前相对于其它矿井物探方法无法施工的巷道（巷道长度有限或巷道掘进迎头超前 探查

14、等），可采用工作装置小、轻便的矿井瞬变电磁法探查探查等），可采用工作装置小、轻便的矿井瞬变电磁法探查 三、矿井瞬变电磁法特点 矿井瞬变电磁法探测技术 16 矿井瞬变电磁法可采用全空间探测技术：矿井瞬变电磁法可采用全空间探测技术： 地面瞬变电磁法勘探一般只能将回线铺设地面测量，而井下瞬变电磁法可以地面瞬变电磁法勘探一般只能将回线铺设地面测量，而井下瞬变电磁法可以 根据探查目标体相对巷道位置不同来布置工作装置，如探查巷道底板下含水异常根据探查目标体相对巷道位置不同来布置工作装置，如探查巷道底板下含水异常 体垂向和横向发育规律，可将回线布置在巷道底板上进行探查体垂向和横向发育规律，可将回线布置在巷道

15、底板上进行探查; 也可将工作装置也可将工作装置 直立于巷道内，当回线面平行巷道掘进前方，可进行掘进巷道前方含水构造的超直立于巷道内，当回线面平行巷道掘进前方，可进行掘进巷道前方含水构造的超 前探查；当回线面平行于巷道侧帮，可探查工作面顶底板含水低阻异常体的发育前探查；当回线面平行于巷道侧帮，可探查工作面顶底板含水低阻异常体的发育 规律规律 三、矿井瞬变电磁法特点 矿井瞬变电磁法探测技术 17 矿井瞬变电磁法探测受巷道空间内金属体影响较大：矿井瞬变电磁法探测受巷道空间内金属体影响较大： 1） 巷道空间内各种金属体的瞬变电磁响应特征不同；巷道空间内各种金属体的瞬变电磁响应特征不同； 2） 金属体（

16、工字钢、铁轨和金属锚网）对瞬变电磁场分布的影响规律及校正金属体（工字钢、铁轨和金属锚网）对瞬变电磁场分布的影响规律及校正 方法；方法； 三、矿井瞬变电磁法特点 矿井瞬变电磁法探测技术 18 四、矿井瞬变电磁法应用 1）井下进行探水实验研究；）井下进行探水实验研究； 2）形成了较为完善的矿井瞬变电磁技术体系，并逐步在煤矿上推广使用；）形成了较为完善的矿井瞬变电磁技术体系，并逐步在煤矿上推广使用； 3）目前，皖北、淮北、淮南、徐州、永煤、兖）目前，皖北、淮北、淮南、徐州、永煤、兖 州、新汶、潞安、峰峰、金牛州、新汶、潞安、峰峰、金牛 等矿务集团的等矿务集团的 80%以上的矿井在采用矿井瞬变电磁法进

17、行煤矿防治水探测工作；以上的矿井在采用矿井瞬变电磁法进行煤矿防治水探测工作； 矿井瞬变电磁法探测技术 19 四、矿井瞬变电磁法应用 以超前探测为例：以超前探测为例： 矿井瞬变电磁法进行超前探时，要求掘进巷道掘进矿井瞬变电磁法进行超前探时，要求掘进巷道掘进迎头断面整齐迎头断面整齐，巷道空间，巷道空间 高度大于高度大于2米，距离巷道迎头米，距离巷道迎头5米范围内没有较大的金属体（如掘进机械等），米范围内没有较大的金属体（如掘进机械等）， 以减少其对瞬变电磁场的影响。以减少其对瞬变电磁场的影响。 利用矿井瞬变电磁法超前探测，每次的施工时间约利用矿井瞬变电磁法超前探测，每次的施工时间约40分钟，一般分

18、钟，一般3天天内能够内能够 提供初步的探测成果。因此，可利用工人换班时间进行工作，不影响巷道掘进提供初步的探测成果。因此，可利用工人换班时间进行工作，不影响巷道掘进 工作的正常进行。工作的正常进行。 矿井瞬变电磁法探测技术 20 四、矿井瞬变电磁法应用 矿井瞬变电磁法探测技术 21 四、矿井瞬变电磁法应用 矿井瞬变电磁法探测技术 22 四、矿井瞬变电磁法应用 1 工作方式 目前，矿井瞬变电磁法经常使用的工作装置形式主要有重叠回线和偶 极偶极两种。重叠回线装置形式地质异常响应强、施工方便，但线圈间存在 较强的互感，一次场影响严重；偶极偶极装置收发线圈互感影响小，消除了 一次场影响，但二次场信号弱

19、，不易于地质异常体识别。 矿井瞬变电磁法探测技术 23 四、矿井瞬变电磁法应用 2 装置参数 矿井瞬变电磁法在井下巷道中采用多匝数小回线测量装置，参数选择是否 合理直接影响测量结果。其装置参数主要有： 回线边长大小、回线匝数、叠加次数、终端窗口和增益等。 矿井瞬变电磁法探测技术 24 四、矿井瞬变电磁法应用 3 施工方法 矿井瞬变电磁法在煤矿井下巷道内进行，测点间距220m之间。根据多 匝小线框发射电磁场的方向性，可认为线框平面法线方向即为瞬变探测方向。 因此，将发射接收线框平面分别对准煤层顶板、底板或平行煤层方向进行探测， 就可反映煤层顶、底板岩层或平行煤层内部的地质异常（见下图）。其线框所

20、 在平面与顶底板夹角视探测要求与煤层倾角而定。 矿井瞬变电磁法探测技术 25 四、矿井瞬变电磁法应用 3 施工方法 （a） 煤层顶板 巷道 600 探测方向 发射线框 煤层 （b） 煤层顶板 巷道 探测方向 发射线框 煤层 煤层顶板 巷道 450 探测方向 发射线框 工 作 面 450 巷道 探测方向 （c） 图 瞬变电磁法探测方向示意图 矿井瞬变电磁法探测技术 26 四、矿井瞬变电磁法应用 4 工作面顶底板富水性（导含水构造） 针对工作面顶底板富水性或顶底板含水构造的探测，探测测点通常布置于工 作面已贯通的两巷以及切眼（联络巷）中，一般10m一个点距，在巷道揭露构造 的地方，测点可以适当加密

21、，如5m一个点距。针对不同探测任务，每个测点可 以进行一个到三个方向的瞬变电磁发射。下面以山西某煤矿的顶板探测实例加以 具体说明。 矿井瞬变电磁法探测技术 27 四、矿井瞬变电磁法应用 4 工作面顶底板富水性（导含水构造） K8403工作面预计受三个方面充水因素的影响，即：K8404工作面同层 采空积水、上部9#煤层采空积水及15#煤层顶板岩层水，故在K8403工作面 回采之前需要进行水文物探，以查明顶板富水情况，以便回采之前有针对性 的采区疏放措施。 探测测点拟布置于K8403工作面进风巷与高抽巷内，设计测点点距10m。 K8403工作面 顶板 D1 D3 D2 底板 进风巷 高抽巷 D4

22、切巷 D5 D6 矿井瞬变电磁法探测技术 28 四、矿井瞬变电磁法应用 4 工作面顶底板富水性（导含水构造） 经过先期井下数据采集，后期实验室数据解释，划出一个含水异常区R-1，并 指导矿方在异常区打钻疏水，矿方在切巷距进风巷约20米处设计了一个放水 钻孔，放出1万多方顶板老空积水。有效排除了工作面回采过程中顶板老空水 的影响。 矿井瞬变电磁法探测技术 29 四、矿井瞬变电磁法应用 5 掘进头超前探测 针对掘进巷道前方富水性或含水构造的探测，探测测点通常布置于掘进 巷道的迎头附近，一般从迎头后方10m开始布置测点，实现从巷道左邦到迎 头正前方再到巷道右邦的扇形扫描。 矿井瞬变电磁法探测技术 3

23、0 四、矿井瞬变电磁法应用 5 掘进头超前探测 针对不同探测任务，每个测点可以进行一个到三个方向的瞬变电磁发射。 下面以某煤矿的超前探测实例加以具体说明。 该矿南区胶带下山巷道迎头掘进过程中，瓦斯孔出现涌水情况，为了安 全掘进，需要查明工作面前方是否有导含水构造，提前采取措施。 本次探测布置在南区胶带下山迎头处按左图所 示布置了19条扫描线，分别形成对迎头左侧、 左前方、正前方、右前方、右侧的超前探测。 同时也实现了对顺层、顶板与底板方向的探测。 矿井瞬变电磁法探测技术 31 四、矿井瞬变电磁法应用 5 掘进头超前探测 -110-90-70-50-30-101030507090110 新元煤矿

24、南区胶带下山超前探测视电阻率等值线剖面图（顺层方向） 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 矿井瞬变电磁法探测技术 32 四、矿井瞬变电磁法应用 5 掘进头超前探测 -110-90-70-50-30-101030507090110 新元煤矿南区胶带下山超前探测视电阻率等值线剖面图（顶板方向） 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 矿井瞬变电磁法探测技术 33 四、矿井瞬变电磁法应用 5 掘进头超前探测 -110-90-70-50-30-101030507090110 新元煤矿南区胶带下山超前探测视电阻率等值线剖面图（底板方向）

25、 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 矿井瞬变电磁法探测技术 34 四、矿井瞬变电磁法应用 5 掘进头超前探测 根据掌子面瓦斯钻孔涌水情况，结合已有的水文地质资料，推测迎头左 前方第4第6扫描线间存在一条充水裂隙带，该裂隙带向煤层顶板与底板延 伸，其走向与掌子面煤层节理走向基本一致。后经巷道掘进验证，实际揭露 情况与探测结果相吻合。 矿井瞬变电磁法探测技术 35 四、矿井瞬变电磁法应用 5 掘进头超前探测 山西潞安局某矿附近小煤矿较多，这些小煤矿的无规律开采形成的积水采 空区对该矿的生产带来了潜在的安全隐患。在矿区边界，为了查明掘进巷道前 方是否存在采空积水

26、区，采用矿井瞬变电磁法进行超前探测。 矿井瞬变电磁法探测技术 36 四、矿井瞬变电磁法应用 5 掘进头超前探测 -120-110-100-90-80-70-60-50-40-30-20-100102030405060708090100110120 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 巷 道 掘 方 向 矿井瞬变电磁法探测技术 37 四、矿井瞬变电磁法应用 通过以上瞬变电磁方法在煤矿应用的具体实例，我们可以看出，瞬变电 磁法适合探测煤矿顶底板富水异常区以及顶底板隐伏的导含水构造，在对巷 道掘进迎头富水性或者含水构造超前探测方面，具有其独特的优势。 根据瞬变电

27、磁法对低阻体反应敏感的特点，可以将其用于煤矿井下水文 勘查。最近几年多家单位在不同矿区的实际应用也证明了该方法可行。但是 也要看到它还有很多实际问题亟待科研工作者密切合作加以解决。 矿井瞬变电磁法探测技术 38 谢谢各位专家 恳请批评指正！ 矿井瞬变电磁法探测技术 39 提纲 一、研究矿井瞬变电磁法的背景 二、矿井瞬变电磁法原理 三、矿井瞬变电磁法特点 四、矿井瞬变电磁法的具体应用 五、问题分析 矿井瞬变电磁法探测技术 40 一、研究背景 根据煤炭安全规程，掘进工作面遇到下列情况之一时， 必须确定探水线进行探水： 接近水淹或可能积水的井巷、老空或相邻煤矿时；接近水淹或可能积水的井巷、老空或相邻煤矿时； 接近含水