11701工作面瞬变电磁报告

报告编号13-05-22 永贵能源糯东煤矿11701工作面迎头处瞬变电磁探测成果报告编 制： 审 核：部 长：总工程师：编制日期： 年 月 日1、 工程地质概况及探测任务1.1工程概况1）工作面位置11701工作面正下方为11901回风顺槽平均间距12m，下伏采空区为1采空区，平均间距20m，东邻11703采空区；南侧为一号回风大巷；北距一采区边界约540m。2）工作面范畴、面积11701采面在一采区北翼17号煤层中，上顺槽开口位置在BGh导线点处（开口坐标为：x=2813199.523，y=35487634.039），下顺槽开口位置为北翼轨道BG4号导线点前10.619m处（开口坐标为：x= 2799391.965， y=35496746.321），下顺槽为沿空掘巷（沿11703回风顺槽留5m煤柱）采面顺槽方位角为1910，采面设计走向长445m，切眼长110m，可采储量15.3万吨。 3）四邻及地表状况工作面均不受四邻采掘活动影响。工作面相应地面位置位于糯东村以东约660m（平距），柏家大地西北方约830m（平距），骆马山下方，工作面相应地面无建筑物，多为农田、沟谷，地面标高+1682+1833m，工作面埋深约420m。1.2地球物理勘探前提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，其导电性特性在纵向上有固定的变化规律，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，相称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，为以岩石导电性差别为物理基本的矿井瞬变电磁法探测提供了良好的地质条件。2、瞬变电磁基本原理概述2.1 瞬变电磁法概述瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Methods)，又称时间域电磁法(Time Domain Electromagnetic Methods)，简称TEM或TDEM，它是运用不接地回线或接地线源（电极）向地下发送一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场的间歇期间，运用线圈或接地线源（电极）观测二次涡流场的措施。该措施是近年来国内外发展得较快、地质效果较好的一种电法勘探分支措施。它与其他测深措施相比，具有探测深度大、信息丰富、工作效率高等长处。自上世纪五十年代以来，该措施得到迅速发展，特别是对探测高阻覆盖层下的良导电地质体获得了明显的地质效果。它重要应用于金属矿勘查、构造填图、油气田、煤田、地下水、地热以及冻土带和海洋地质等方面的研究，在国内外已获得了令人瞩目的效果。总结起来，影响矿井回采及巷道掘进安全的地质因素重要是构造破碎带、裂隙发育区、岩溶、陷落柱等赋水区(体)对巷道的安全掘进与生产构成严重威胁，也是煤矿发生重大突水事故的重要因素。如何做到提前预报和及时防治，核心在于有效的超前预测。近年来这一问题始终困扰着煤矿的基层技术人员和施工人员。随着当今计算机水平与科学技术不断提高和发展，对这一问题的解决也陆续涌出了不少科学手段，重要涉及三种手段：地质分析法、水平钻探法、物探测试措施三大类：1）地质分析法地质类措施涉及运用地质工作的所有资料以及巷道掘进过程中的地质测绘、地质素描资料的分析，掌握巷道穿过段岩体的地质格局，概略地预测地质界线、大型断层、重要涌水段、破碎岩体、围岩类别等。重要措施有地质投射法、地层层序法、巷道地质编录法、断层参数预报法、TV成像技术、不良地质作用综合分析法、地下水观测法等。2）水平钻探法水平钻探法是超前地质预报最直接的一种措施，通过钻探对掌子面前方获取的地层岩性进行鉴别，来拟定其埋藏距离与厚度(或宽度)，溶洞及充填的性质，能查明钻探深度内的地下水的赋存条件，可进行水量、水压的测定，当为煤系与地层时，可拟定煤层厚度和进行瓦斯含量测定，对超前地质预报成果进行验证，同步运用所取岩芯可进行室内实验，测试岩石的物理力学性质。因此在地质构造复杂地段，经地质、物探综合手段超前地质预报确认的重点的地段，应施以水平钻探法确认。3）物探测试措施物探类措施近几年来发展很是迅速，与地下水有关的探测重要涉及矿井直流电法勘探技术、无线电波透视技术、音频电透视技术、矿井瞬变电磁技术、红外探水等，其种类繁多。而在这些措施中，时间域瞬变电磁法以其自身固有的长处异军突出，在国内外备受青睐并得到不久的发展，特别是在对煤矿生产至关重要的煤田水文地质勘查方面，时间域瞬变电磁法已经成为了首选的物探手段。应用电磁场的偏振性质，有助于拟定缺陷的方向性，且对与水有关的缺陷比较敏感，同步记录的是时间系列，一般状况下，时间域电磁法（TDEM，简称TEM）和频率域电磁法（FDEM）相比，在相似的频率范畴状况下（重要指音频），TDEM的辨别率比FDEM要高，这符合掌子面前方地质缺陷及含水性精细超前预测的规定。2.2 瞬变电磁法探测原理图2-1 TEM探测原理地面瞬变电磁的基本工作措施是：于地面设立通以一定波形电流的发射线圈，从而在其周边空间产生一次磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电流，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（见图2-1）。初期的电磁场相称于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小； 而晚期成分则相称于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。通过测量断电后不同步间的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特性。如图2-1所示，在线圈中通以阶跃电流，在电流断开之前，发射电流在回线周边的大地和空间建立起一稳定的磁场，在t=0时刻，将电流忽然断开，由该电流产生的磁场也立即消失。一次场的这一剧烈变化通过空气和地下导电介质传至回线周边的大地中，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，使空间磁场不会立即消失。由于介质的欧姆损耗，这一感应电流将会迅速衰减，这种迅速衰减的磁场又在其周边的地下介质中感应出新的强度更弱的涡流，这一过渡场继续下去，直至大地的欧姆损耗将能量消耗完为止。这便是大地中的瞬变电磁过渡场，随着这一过渡场存在的电磁场就是大地的瞬变电磁场。瞬变电磁法测量装置由发射回线和接受回线两部分构成，工作过程分为发射、电磁感应和接受三部分。当发射回线中通以阶跃电流I，发射电流忽然由 I 下降到零，根据电磁感应理论，发射回线中电流忽然变化必将在其周边产生磁场，该磁场称为一次磁场，一次磁场在周边传播过程中，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，因而在其周边又产生新的磁场，称为二次磁场。由于良导电地质体内感应电流的热损耗，二次磁场大体按指数规律随时间衰减，形成瞬变磁场，二次磁场重要来源于良导电地质体的感应电流，因此它涉及着与地质体有关的地质信息，二次磁场通过接受回线观测，并对观测的数据进行分析和解决，对地下地质体的有关物理参数进行解释。2.3 矿井瞬变电磁的特点及长处矿井瞬变电磁法和地面瞬变电磁法的基本原理的同样的，理论上也完全可以使用地面电磁法的一切装置和采集参数，但受井下环境的影响，矿井瞬变电磁法与地面的TEM的数据采集与解决相比又有很大的区别。由于矿井轨道、高压环境及小规模线框装置的影响，在井下的探测深度很受限制，一般可以有效解释100m左右。此外地面瞬变法为半空间瞬变响应，这种瞬变响应来自于地表如下半空间层，而矿井瞬变电磁法为全空间瞬变响应，这种响应来自回线平面上下（或两侧）地层，这对拟定异常体的位置带来很大的困难。实际资料解释中，必须结合具体地质和水文地质状况综合分析。具体来说矿井瞬变电磁法具有如下特点：1）受矿井巷道的影响矿井瞬变电磁法只能采用边长不不小于3m的多匝回线装置，这与地面瞬变电磁法相比数据采集劳动强度小，测量设备轻便，工作效率高，成本低；2）采用小规模回线装置系统，因此为了保证数据的质量、减少体积效应的影响、提高勘探辨别率，特别是横向辨别率，在布设测点时一定要控制点距，在考虑工作强度的状况尽量的使测点密集；3）井下测量装置距离异常体更近，大大的提高测量信号的信噪比，经验表白，井下测量的信号强度比地面同样装置及参数设立的信号强10-100倍。井下的干扰信号相对于有用信号近似等于零，而地面测量信号在衰减到一定期间段接被干扰信号覆盖，无法辨认有用的异常信号；4）地面瞬变电磁法勘探一般只能将线框平置于地面测量，而井下瞬变电磁法可以将线圈放置于巷道底板测量，探测底板一定深度内含水性异常体垂向和横向发育规律，也可以将线圈直立于巷道内，当线框面平行巷道掘进前方，进行超前探测；当线圈平行于巷道侧面煤层，探测工作面内和顶底板一定范畴内含水低阻异常体的发育规律；图2-3 几种不同的野外工作装置图4几种不同的装置此外矿井瞬变电磁法对高阻层的穿透能力强，对低阻层有较高的辨别能力。在高阻地区由于高阻屏蔽作用，如果用直流电法勘探要达到较大的探测深度，须有较大的极距，故其体积效应就大，而在高阻地区用较小的回线可达到较大的探测深度，故在同样的条件下TEM较直流电法的体积效应小得多。工作中根据实际状况采用不同的回线装置，图2-3为几种中心装置类型图，一类为重叠中心装置，一类为分离中心装置，在本次探测过程中根据不同的探测地质体共选用了“8”字形线框（使接受线框垂直于发射线框，使发射电流在发射线框中形成“8”字形回路，故称为“8”线框。这种装置在铁道部上常用，重要是屏除铁轨对瞬变响应的影响）及重叠回线装置。3、技术工作措施3.1 仪器设备本次探测使用仪器为福州华虹智能科技开发有限责任公司研制的YCS256型瞬变电磁测深仪，YCS256矿用瞬变电磁仪对低阻充水破碎带反映特别敏捷、体积效应小、纵横向辨别率高，且施工以便、快捷、效率高等长处，既可以用于煤矿掘进头前方，也可以用于巷道侧帮、煤层顶、底板等探测， 为煤矿公司在生产过程中水患和导水构造的超前预测预报提供技术手段。图3-1 本安型矿用瞬变电磁仪在软件设计上，集成了典型的和专家的时间域瞬变电磁法勘探理论、技术与措施，其一次场波形发射和二次磁场接受技术和措施，可以进行复杂的地质构造勘探。1）现场探测： 集成了多样式一次磁场发射，高精度、高辨别率的二次磁场接受技术与措施。2）文献管理：文献管理工具，可创立文献和删除文献，创立和删除目前二次磁场记录文献。3）数据显示：一次磁场波形发射显示工具，接受二次磁场显示。4）检测解决：一次磁场发射时相相应电流检测，对模数转换器校零，及对二次涡流场增益检测， 手动设立增益。5）便于操作：自动管理测点号和测线号及波形文献管理工具。3.2 探测布置3.2.1 装置参数设计回线边长响应的关系比较复杂，一般根据被测对象的规模、埋深及电性来选定。选择的原则是长与异：回线边长与探测对象的埋深大体相似，由于回线边长的增大对于局部导体的辨别能力变差，且受旁侧地质体的干扰增大。由于井下测量环境与地表不同，无法采用地表测量时的大线圈（边长不小于50m ）装置，只能采用边长不不小于3m的多匝小线框，本次探测采用的是边长1m的多匝方形重叠回线装置。而探测的深度和装置的发射磁距有直接的关系，要提高探测深度必然要使装置的磁距达到相应的数值，而磁距又正比于线圈的匝数、发射电流、边长（或有效面积）因此要提高发射功率，增长探测的有效深度，可通过增长线圈的匝数、加大发射电流以提高信噪比，达到提高探测深度的目的。由于采用的是小线框，点距更密，本次测量一般控制在10m左右，现场观测淋水点或区时点距可再合适缩小。3.2.2 工作装置的现场布设本次瞬变电磁（TEM）探测施工重要是针对11701工作面前方顶板45进行探测。根据多匝小回线发射电磁场的方向性，可觉得线框平面的法线方向即为瞬变电磁探测方向。因此，将发射、接受线框平面对准工作面顶板45方向进行探测，便可反映巷道前方和顶板岩层的水文地质异常。根据这个原理结合本次的探测目的，对顶板探测时可将重叠回线装置平行于工作面顶板，使线框平面的法线与顶板垂直。3.2.3 探测区域及完毕工作量本次探测工作开展于9月17日，现场探测时，于11701工作面运送顺槽煤巷段开口10m开始，每隔20m向工作面顶板45方向布置一种点，共布置21个测点。4、数据解析及成果如图4-1所示，是11701工作面100m范畴内视电阻率的拟断面图，揭示了100m范畴内岩层电性的大体变化状况。图中不同的视电阻率由不同的颜色标注（色标），不同的颜色代表不同的视电阻率，且色标呈冷色调到暖色调代表阻值不断升高的规律。因此图中不同的色彩组合实为迎头前方岩层不同层位的视电阻率等值线的分布。数据成果如下：图4-1 11701工作面探测成果图成果分析：如4-1探测成果图成果图所示，11701工作面在接近运送顺槽0-100m范畴内（顶板30m范畴）、工作面回采至运送顺槽里程140-220m范畴内存在低阻异常区，也许为富水区域。5结论5.1 探测结论与分析综合上述对物探成果的解析，可得出如下结论：1、11701工作面存在两个水文地质异常区域，分别为接近运送顺槽煤巷里程0-100m（顶板30m范畴）、运送顺槽煤巷里程140-220m范畴。2、建议11701工作面回采至水文地质异常区域之前，提前施工探放水钻孔进行探放。