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1、山西煤炭运销公司大西煤业有限公司3008运输顺槽730m处迎头前方赋水性瞬变电磁超前探测成 果 报 告中国矿业大学山西中矿矿山物测技术有限公司2015年01月14日 项目负责、施工及解释有关人员：数 据 采 集：数 据 解 释：报 告 编 制：报 告 审 核：总 工 程 师： 目 录 前 言.2一.工程概况.2一）地质概况.2二）探测内容.2二.地质地球物理特征.3三.矿井瞬变电磁法的理论及应用.3一）瞬变电磁法的基本理论.3二）矿井瞬变电磁法应用.5四.测线布置及数据采集.6一）施工仪器装置及参数.6二）测线布置.6三）数据采集.6四）完成工作量.8五.数据处理与解释.8一）数据处理流程.8
2、二）数据处理和解释.10六结论与建议.11一）结论.11二）建议.11 前 言煤矿采掘区可能存在采空区、老窑、陷落柱、断层破碎带等含水构造，对巷道采掘造成威胁。利用井下瞬变电磁超前探测技术，依据矿井已有的水文地质资料，探测巷道迎头前方一定范围内的赋水情况，为井下钻探施工设计及水文地质预测预报提供可靠参考依据。一工程概况一）.地质概况3008运输顺槽掘进工作面位于3#煤一采区，地面为黄土，由山地荒坡及地面杂草、少量植被覆盖，基本无地层出露现象；该3008运输顺槽布置于轨道大巷以西，与其垂直。巷道南、北部为实体煤，西面为矿界保安煤柱3008运输顺槽掘进工作面3#煤层位于山西组中下部，煤层厚度1.3
3、-3.6m，平均厚度2.8m,煤层结构简单，稳定可采,夹0-1层夹矸，夹矸平均厚0.1m掘进工作面为东西走向，倾角4-6单斜构造，东西部高程基本相当，东部略低。在距开口处65-185米处预计会出现一处向斜构造该工作面煤层与上覆含水层之间的岩层较稳定，主要充水层赋水性均弱，地下水补给条件差，隔水性较好。充水形式基本为沿裂隙渗出，二叠系下统下石盒子组，山西组砂岩裂隙含水层，为3#煤层的主要充水来源，该含水层涌水量为1.664m3/h，根据水的渗透系数，由掘进巷道现场勘查显示，没有水沿顶板砂岩裂隙渗出，预计掘进时会有少量淋水。因此，为保障巷道安全掘进，采用瞬变电磁超前物探手段探查掘进前方顶、底板岩层
4、富水性情况，为巷道掘进水文地质预测预报提供依据。二）探测内容：（1）采用瞬变电磁法超前探测掘进巷道迎头前方100m、前方顶、底板50m及前方两侧50米范围内电性分布情况；（2）对探测区域内可能存在的富水区做出定性评价。二、地质地球物理特征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。煤系地层的沉积序列比较清晰，在原生地层状态下，电性特征在纵向上有固定的变化规律，而在横向上相对比较均一。当存在富水性断层构造、充水含水层（老窑、采空区、陷落柱、断层破碎带、含水层内充水、岩溶裂隙等）时，都将打破水平方向上电性均一性；当其在三维空间上具有一定规模时可改变纵向电性的变化规律
5、，表现为局部区域性的低电阻率值电性异常。如果构造不含水则其导电性较差，局部电阻率值增高。因此，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，为以岩石导电性差异为物理基础的矿井瞬变电磁法探测提供了良好的地质条件。一般情况下，在断层附近视电阻率值会发生急剧变化，可以根据这一地球物理特征，从横向上对煤层顶底板含水体的含水性及采区构造进行探测并作出解释推断。三矿井瞬变电磁法的理论及应用一）瞬变电磁的基本理论瞬变电磁法简称TEM，它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲电磁场，在一次脉冲电磁场间歇期间，利用不接地线圈或接地电极观测
6、二次涡流场的方法。在电流断开之前，发射电流在回线周围的大地和空间中建立起一个稳定的磁场（如图1所示）。图1 瞬变电磁法工作原理示意图在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（见图2）。图2 瞬变电磁法感应电磁场转换原理示意图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高频成分衰减快，趋肤深度小;而晚期成分则相当于频率域中的低频成分衰减慢，趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段的二次场随
7、时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。研究结果表明，当电流断开时，一次磁场的剧烈变化首先传播到发射回线周围地表各点，地下的感应电流便逐渐向下、向外扩散，任一时刻地下涡旋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，该环状线电流紧挨发射回线，与发射回线具有相同的形状，并逐渐变形为圆电流环。等效电流环象从发射回线中“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”。如图3所示从“烟圈效应”的观点看，早期瞬变电磁场是由近地表的感应电流产生的，反映浅部电性分布；晚期瞬变电磁场随时间的变化规律，可以探测大地电性的垂向变化。图3 瞬变电磁场的烟圈效应
8、二)矿井瞬变电磁法应用矿井瞬变电磁法与地面瞬变电磁法一样,采用仪器、测量数据的各种装置形式和时间窗口也相同。由于矿井瞬变电磁法勘探环境的限制,测量线圈大小有限,其勘探深度不如地面深,一般深度在100m左右。地面瞬变电磁法为半空间瞬变响应,这种瞬变响应来自于地表以下半空间地层;而矿井瞬变电磁法为全空间瞬变响应,这种瞬变响应是来自于回线平面上下(或两侧)地层,对确定异常体的位置带来困难。实际资料解释中,必须结合具体地质和水文地质情况综合分析。矿井瞬变电磁法与地面瞬变电磁法相比具有以下特点:（1）轻便高效。由于井下测量环境限制，采用边长小于3m的多匝小线框，与地面瞬变电磁法相比具有数据采集工作量小，
9、测量设备轻便，工作效率高，成本低等优点；（2）勘探分辨率高。由于采用小线圈测量，点距更密（一般为220m），降低体积效应的影响提高分辨率，特别是横向分辨率；（3）信噪比高。井下测量装置距离异常体近，井下测量信号的强度比地面同样有效面积相同装置测量的信号强10100倍，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，而井下的干扰信号相对有用信号近似等于零（大于30ms时间段），信噪比大大提高。（4）调整线圈摆放角度可探测不同方向地层。地面瞬变电磁法勘探只能将线圈平置于地面测量，而井下瞬变电磁法可以改变线圈摆放角度测量不同方向。（5）存在浅部20m盲区。由于瞬变电磁法关
10、断时间的影响，前部出现盲区，无法探测到浅部20m左右的异常体。四.测线布置和数据采集一）施工仪器装置及参数本次使用华安奥特瞬变电磁仪中心回线组合装置施工：正方形激发和圆形接收线圈，发射边长2m，激发线圈匝数20匝，接收线圈匝数40匝；供电电流为2A，供电脉宽10ms，采样率16S。每个测点至少采用128次叠加提高信噪比，满足原始数据的质量要求。二）测线布置本次矿井瞬变电磁法施工，分别对顺煤层和向煤层顶、底板共三个方向进行探测。探测沿迎头布置顶板45方向、顺层方向、底板45方向共3条测线，通过移动发射接收线圈，形成3条测线的实测剖面。三）数据采集本次探测采用多匝小回线的发射和接收装置形式，先测顶
11、板方向，调整天线的法线与巷道顶板成450夹角，在对每个发射点测完后，再调整天线的法线沿掘进方向以探测顺层方向，以探测巷道顶板方向及顺层方向的围岩变化情况；再调整天线的法线与巷道底板成450夹角，探测顶板方向的围岩变化情况。如图4所示，测点布置在3008运输顺槽730m位置，从巷道开口迎头左侧开始，首先使发射、接收天线的法线方向与设计巷道的左侧分别成45、30、和15的夹角进行探测；当天线的法线方向与巷道迎头界面垂直时，根据其主迎头断面的宽度布置1个测点；到巷道迎头右侧时再旋转天线，使法线方向与巷道右侧分别成15、300、45的夹角进行探测，右帮与左帮对称，各布3个测点，迎头顺巷道掘进方向布置的
12、1个测点，共7个测点。从多个角度采集数据，从而获得尽可能完整的前方空间信息，故称之为扇形测深技术。如图5所示 顺层方向 顶板方向 底板方向图4探测方向示意图 图5 矿井瞬变电磁超前探测测点布置示意图四）完成工作量本项目于2015年01月13日由大西煤业地测科技术人员，进行矿井瞬变电磁数据采集施工，完成测线3条，坐标点7个，物理点21个。详见工作量统计表。 工作量统计表施工方法坐标点（个）测线长度(m)物理点（个）瞬变电磁法7迎头附近5m21五数据处理和解释一）数据处理流程采用自主开发的“矿井TEM数据处理与解释系统”专用软件（见图6），是处理井下瞬变电磁法探测数据的操作平台，集文件管理、数据处
13、理、资料解释、图形绘制功能于一体，具有直观、简单的特点，为大家提供了方便快捷的矿井瞬变电磁数据处理和解释工具。该系统充分利用数字滤波、后沿改正、数据处理、人文噪声校正等技术措施对井下采集的原始数据进行保真处理，绘制扇形等直线拟断面图，完成整个数据处理和解释全过程。软件流程见图7。图6系统主界面读取文件数据预处理数据优质数字滤波后沿改正处理人文噪声校正绘制图件调用Surfer，绘制成果图件图7矿井瞬变电磁法数据处理与解释系统流程图 二）数据处理和解释在瞬变电磁数据处理过程中，本着先定性后定量，人工解释和计算机解释相结合，电性解释与综合地质分析相结合的原则，根据矿方提供的井下原始数据进行预处理，对
14、数据进行逐点检查，剔除因干扰造成的不合格数据，然后进行编录，整理成专用数据处理软件所要求的顺序和格式，再对数据进行滤波、人文噪声校正，提高信噪比；对数据进行后沿改正，缩短关断时间，减小探测盲区；对针本区地质特点选择合理的成像及微分方式，满足高信噪比、高分辨率的处理要求，绘制了品质较好的视电阻率拟断面图。图8为3008运输顺槽730米迎头位置矿井瞬变电磁超前探测（TEM）视电阻率拟断面图，图中横坐标为测点坐标，其中横坐标0m对应巷道迎头位置，负横坐标轴方向代表迎头左侧帮,正横坐标轴代表迎头右侧帮；纵坐标为沿探测方向的探查距离。结合水文地质资料，对视电阻率拟断面图横向和垂向深度电性变化情况进行分析
15、。六结论与建议1.结论分析顺层探测视电阻率等值线图可知：该放下视电阻率拟断面图中不存在较明显低阻异常区；前方地层(煤层）连续性好，无明显富水构造发育，从视电阻率曲线数值来看，与上次探测结果相比较，视电阻率数值无明显变化，此处迎头前方100m探测范围内富水性弱。需要钻探验证。2、建议1）在正常掘进中，根据施工地区的水文地质条件进行设计并施工超前探放水钻孔，确保安全施工。2）掘进过程中密切注意滴水情况，应加强巷道掘进地质、水文地质观测与编录，并将井下的探放水资料及巷道掘进过程中揭露的地质、水文地质编录及时向我方反馈，为后续探测的数据解释精度提供保障。3）瞬变电磁法为物理探测井下水患的一种手段，是在结合水文地质资料的基础上进行的，数据解释具有多解性。因此，对推断的赋水异常区范围及深度可能产生偏差，建议将本报告与矿区水文地质调查等报告结合使用。