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1、华胜煤业瞬变电磁技术培训,福州勘达源电子科技有限公司 2011年11月18号,前言,矿井物探技术是一门根据地下岩层物理性质的差异，借助一定的工作装置和专门的物探仪器测量其物理场的分布状况，通过分析和研究地下岩层物理场的变化规律，结合有关地质资料解决一定的地质问题，为地质工作者提供帮助一门技术。,1、矿井物探的概念,2、井下常用的几种物探方法,（1）地震勘探技术：反射波探测方法、面波探 测方法 （2）电磁法勘探技术：直流电法、高分辨电法、高密度电法、 音频电透视、瞬变电磁 （3）无线电波坑透技术,第一部分 瞬变电磁法原理,第一节 瞬变电磁探测技术的物理基础 第二节 瞬变电磁概念 第三节 瞬变电磁
2、系统组成,第一节 瞬变电磁物理基础,电磁法探测是以地层的电性差异为基础的。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，其导电性特征在纵向上固定的变化规律，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，相当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，为以岩石导电性差异为物理基础的电磁法探测方法提供了良好的地质条件。,随
3、着煤炭生产规模的扩大，煤矿井下水患及各种地质突发灾害不断发生，人力、物力损失巨大，为此，迫切需要一种能用于煤矿井下的物探新方法。瞬变电磁法（TEM）作为一种利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场的间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的电磁感应方法，它有着频率域电磁法所不具备的许多优点，但同时由于电磁理论的复杂、对资料解释手段的滞后、对理论基础及仪器要求较高、其研究的时间较晚等原因，瞬变电磁法在国内的应用仅局限于科研单位，还没有广泛推广与应用，而将瞬变电磁法勘探用于矿井生产，更为滞后。 矿井瞬变电磁法（MTEM）是利用井下巷道空间进行瞬变电磁应用的专门装备与技术。矿
4、井瞬变电磁采用同地面瞬变电磁法相同的工作原理，但又区别于地面方法。首先在仪器设备上要求适应井下温度、湿度高以及含瓦斯复杂环境，并通过国家相关论证的本质安全型瞬变电磁仪；其外在施工技术上矿井瞬变电磁受巷道空间限制只能采用多匝数、小面积回线组合工作装置，虽然在探测深度上有很大限制，但却比地面瞬变电磁更高的分辨率、体积效应小、旁侧影响小、测量速度快和轻便等优点。通过近20年井下应用实践，矿井瞬变电磁技术凭借其对良导体敏感、非接触式、可多方位探测等特点，在矿井水害探测与防治中取得良好的应用效果。本质安全型仪器极大推进了该技术应用。,本安型瞬变电磁仪介绍,瞬变电磁法物理基础是电磁感应原理，据此理论，在电
5、导率和磁导率均匀的大地上，敷设输入阶跃电流的回线，当发送回线中电流突然断开时，在下半空间就要被激励起感应涡流场以维持在断开电流前存在的磁场，此瞬间的电流集中在回线附近的地表，并按指数规律衰减。随后，面电流开始扩散到下半空间中，在切断电流后的任意晚期时间里，感应涡流呈多个层壳的环带状，随着时间的延长，涡流场将向下及向外扩散。感应涡流场在地表引起的磁场为整个“环带”各个涡流层的总效应，这种效应可以用一个简单的电流环等效，表现为一系列与发送线圈同形状并且向下向外扩散的电流环，通常称之为“烟圈”。在发送一次脉冲磁场的间歇期间，观测由地下地质体受激励引起的涡流产生的随时间变化的感应二次场（按指数规律衰减
6、）。地层介质被激励所感应的二次涡流场的强弱决定于地层介质所耦合的一次脉冲磁场磁力线的多少，即二次场的大小与地下介质的电性有关：低阻地质体感应二次场衰减速度缓慢，二次场电压较大；高阻地质体感应二次场衰减速度较快，二次场电压较小。根据二次场衰减曲线的特征，就可以判断地下地质体的电性、性质、规模和产状等，由于瞬变电磁仪接收的信号是二次涡流场的电动势（即二次电位），对二次电位进行归一化处理后。因此，瞬变电磁作为一种时间域的人工源地球物理电磁感应探测方法，是根据地质构造本身存在的物性差异来间接判断相关地质现象的一种有效的地质勘探手段。 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
7、场。在发射电流刚关断时，该环状线电流紧接发射回线，与发射回线具有相同的形状。随着时间的推移，该电流环向下、向外扩散，并逐渐变形为圆电流环。图1-2示意了发射电流关断后不同时刻地下等效电流环的分布。从图中可以看到，等效电流环很像从发射回线中“吹”出的一系列“烟圈”，因此，人们将地下涡旋电流向下、向外扩散的过程形象的称为“烟圈效应”。,烟圈理论,烟圈形状,第二节 瞬变电磁概念,瞬变电磁法（Transient Electromagnetics Method, TEM）是以地下岩（矿）石的导电性与导磁性差异为主要物质基础，根据电磁感应原理，利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场
8、的间隙期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场，并研究该场的空间与时间分布规律, 来寻找地下矿产资源或解决其它地质问题的一支时间域的电磁法。,第二节 瞬变电磁概念,图3-1 瞬变电磁发射,图3-2 瞬变电磁接收,第二节 瞬变电磁概念,瞬变电磁概念的三个部分 （1）发射脉冲电流：脉冲电流产生稳定的磁场 （2）电磁感应：变化的磁场在闭合回线中会产 生感应电动势与感应电流 （3）接收感应电位：感应电位即感应电动势与 感应电流的商，即V/I,电磁感应定律,闭合电路中，磁通量发生变化就会产生感应电动势（感应电压）、感应电流。,图1 闭合电路通电后磁场分布,发射时序图,1：左边所示为一次发射与接收对应时序图
9、。 2：打个比方是照像机一样，多照几次，几次的综合，然后就是等效这次，这是提高信号分析能力的方法，这就是仪叠加次数的意思，一般设为64就可以了，意思就是重复了64次。 3：其发射频率为50HZ整数倍，其抵消工频电的干拢。 4：抑制系数，代表每次接收信号的各道数字平均的偏离平均的大小，其偏离程度的消掉，一般设为1，设的越大，平均外消的越弱。 5:中间一幅图，就是盲区产生的原因，因为电子开关有时间效应的，其不是垂直下降，这个时候就是一次场还在慢 慢消失，二次磁场也的接收，其造成二次磁场受到一次磁场影响，其就是盲区产生原因，其长度一般为15米至20米左右,第三节 瞬变电磁系统组成,图2 瞬变电磁系统
10、组成图,第四节 瞬变电磁系统组成,图3 瞬变电磁接收信号示意图,感应电位,接收回线,时间,!上图t1就是第一道中心时间，其接收的V/I就是纵坐标的值。,第四节 瞬变电磁系统组成,图4 瞬变电磁电位衰减曲线,电阻率计算公式：,深度换算公式:,图5 瞬变电磁探测成果图,第二部分 瞬变电磁技术方法特点及YCS40瞬变电磁仪的特点,第一节 瞬变电磁探测技术方法的特点 第二节 YCS40矿用瞬变电磁仪的特点,第一节 瞬变电磁技术方法的特点,（1）与井下直流电法、地震等物探方法相比，瞬变电磁为非接触式探查技术，因此不受巷道耦合条件影响，适应性广，施工效率高； （2）井下瞬变电磁法勘探可以将线圈置于巷道底板
11、测量，探测巷道底板下一定深度内含水异常体垂向和横向发育规律，也可以将线圈直立于巷道内，当线圈平行且接近巷道掘进前方，可进行巷道超前探查；当线圈平行于巷道侧帮，可探查巷帮内或工作面内低阻异常体发育特征； （3）设备轻便、工作效率高。,优点,第一节 瞬变电磁技术方法的特点,（1）瞬变电磁方法存在一定“盲区”。（不同性能的仪器以及不同的工作装置盲区范围是不同的，我们的仪器采用的工作装置盲区在20m左右。） （2）矿井环境下人文、电磁干扰因素较多：在矿井环境下，由于工作的需要，50HZ 的工频干扰始终存在，除此之外，铁轨、锚杆、锚链网等影响因素不利于瞬变电磁对低阻异常体的信号接收，即“低阻污染”现象，
12、巷道中金属影响程度不同将造成测点间数据不一致性。,局限性,第一节 瞬变电磁技术方法的特点,图6 瞬变电磁探测方向示意图,线圈,探测方向,第一节 瞬变电磁技术方法的特点,图8 工作面顶板探测方向示意图,第二节 YCS40矿用瞬变电磁仪的特点,我们公司的YCS40矿用瞬变电磁仪式结合各所高校，在多名专家教授的参与下，结合澳大利亚的TerraTEM、加拿大的ProTEM等多款国外先进仪器的设计原理而研制开发。,管状体设计模型 The designed model of tubular shape,1. 管状体在高阻围岩中的瞬变电磁场,管状体的响应曲线 Response of tubular shap
13、e profile,!如果当一个测点往上突起时，说明其导电性相比其它测点较好，分析软件主要根据这个特点分析异常,第三部分 瞬变电磁技术能解决的地质问题及井下施工方法,（1）掘进巷道前方富水性超前探测与评价 （2）工作面顶板、底板富水性探查与评价； （3）老空水探测； （4）其它水文异常探测 从目前应用现状来看，矿井瞬变电磁已取得一定的应用效果。由于矿井水文地质的复杂性及物探方法本身所固有的多解性，矿井瞬变电磁方法发展道路还很长，需不断地实践丰富其应用技术，提高精度。,第一节 瞬变电磁技术能解决的地质问题 -井下一切存在明显电性差异的异常体均可利用该方法进行探查,第二节 井下施工方法,a 、中心
14、回线 大线圈TX发射，小线圈Rx接收，中心点重合。特点：异常特征最简单，横向分辨率高，受一次场影响小，适用于测深勘探，由浅到深都有反应。 b 、重叠回线 发射接收线圈重叠在一起。特点：异常特征简单，横向分辨率低，受一次场影响最大，适用于中深部勘探。 c、偶极装置 发射接收线圈相距一定距离。特点：异常特征复杂，横向分辨率高，受一次场影响最小，适用于浅中部勘探 d 、大定源回线方式,工作装置,中心回线,重叠回线,藕极装置,大定源回线,1 工作任务 （1）瞬变电磁法的具体任务应由任务书明确规定。任务书的内容应包括： a）项目名称、工作地区和范围； b）工作目的、勘查对象； c）工作比例尺、技术经济指
15、标； d）提交的成果资料及时间。 （2）根据任务书工作地区的地质、地球物理条件及其他有关资料编写设计书。其内容应包括： a）任务及目的要求； b）地质、地球物理特征； c）工作方法与技术； d）提交的成果； e）技术经济指标。 2 资料收集 a）工作地区的人文、气象、交通等方面的资料； b）工作地区的岩性、水文地质情况等； c）工作地区的地质和地球物理资料等。 3 方法有效性分析 （1）确定瞬变电磁方法的地质任务或施工项目，在考虑勘查工作需要的前提下，首先要分析是否具有一定的地电条件，勘查目标与围岩之间是否存在明显的电性差异。 （2）正演模拟，是论证方法有效性和开展野外试验工作的依据，正演所选
16、取的地电断面类型及参数要以已知地段及不同工作区的实际断面为参考，一般可由正演模拟求得最佳工作装置及其尺寸。特别是坑道超前预测预报的情况下，一定要先做正演模拟，得出小线框情况下的最佳装置参数。 （3）凡属下列情况之一者，只宜列为试验项目： （4）尚未进行瞬变电磁法试验工作，方法有效性尚不明确的新区，如第一次在该区域的矿井进行地质预报时，一定要做正演模拟； （5）外来电磁噪声干扰较严重，使用现有仪器及观测方法的效果受到影响的地区，如天电干扰比较严重的区域或者井下关断电机工作时； （6）探测目标与围岩之间的电性差异较小，或探测目标物的相对规模不大，埋深较大，不能肯定是否能测出目标物异常响应的地区。,
17、矿井瞬变电磁法井下工作方法技术,观测系统,（1）迎头超前探测,图9-1 常用观测系统平面测点布置,图9-2 U形观测系统平面测点布置,图10 瞬变电磁单个测点探测方向示意图,在迎头超前探测中，测点一般在巷道宽度允许的情况下采用图9-1所示的常用观测系统。同时需要掌握左右两侧帮的赋水性时可采取图9-2U形观测系统。,基本要求,1）掌子面处浮矸石要清除干净，为2m 线框探测提供有效空间； 2）采掘机退后10m，实在来不及退后，至少6m； 2）移除一切影响探测的金属器件； 3）保持2m 线框基本形状，与掌子面壁“零距离”有 效耦合； 4 ）每 一测点按一定方向从左至右或从右至左移动，步 距为0.2m
18、左右， 越小越好，一定要保证有效的数据量。掌子面处探测有效数据点不少于8个； 5）每一测点可以测取三个方向，即顶板 45 度 方向，顺层方向和底板 45 度方向（见图 10所示）。测取一点换至下一点，依次测量，保证记录的连 续性。中间不要任意调换探测方向或次序，即不要1 号测点是顶板、顺层 和底板测量，到2 号测点时变为底板、顺层和顶板测量，不利于室内数据处理。,（2）巷道顶底板赋水性探测测点布置,图12 巷道断面中TEM法探测方向示意图,图13 巷道平面中TEM法测点布置示意图,侧帮基本要求,1）探测过程中尽量避开金属异物，对有金属物影响的点要做好记录。 2）顶板探测过程中尽量与顶板岩层紧密
19、耦合，减少空间介质作用； 3）探 测点之间的距离即线框在横向上的移动步距应在5-10m 之间，测线较长 的测点点间距可选15m，一般来说测点点间距要小于15m。 4）对异常体的探测与地震反射波法类似，通常从正常区异常区正 常区，这样便于对目标异常体的有效对比； 5）现场探测时最好断电。 6)侧帮探测时，有金属网存在时，线圈则离金属网20公分。 7）记录好测线在巷道空间的位置。其他技术要求同上。,底板探测,12120风巷正对底板TEM探测视电阻率拟断面图,超前探测,半圆形观测系统,瞬变电磁测点布设平面图,瞬变电磁测点探测方向剖面图,扇形观测系统,瞬变电磁测点布设平面图,瞬变电磁测点探测方向剖面图
20、,棕色区域为采空区积水区,（1）迎头超前多角度探测,线框法线与迎头成90度方向，然后偏5度一直增加，成图时只利用60度偏转角。其等效为一个剖面，其左帮，中间，右边各一个剖面。,垂高,迎头水平距离,左帮,中间,右帮,（1）迎头超前多角度探测,某矿一 水平回风大巷探测示意图0到2.5代表的色度范围为异常区,分析软件设置经验 1）：看单个测点下降退出饱和点的道数值，一般设置为12,就是分析软件-系数设置-开始测道。 2）：看单个测点道数的纵坐标值，如果下降为1.5，其后面的测道不用，分析软件-系数设置-结束测道，一般设置为30,如果衰减的挺慢，没降到1.5，则设置为40。也可以在suffer成图中限制y最大值为100，其限制信号衰减的很快，其造成深度远远大于100m,限制无用的信号的利用。 3):测深系数，前几次探测设置为50和25出图比较一下，软件默认一般设置为35,它是校正深度误差的系数，每个矿地质条件不一样，前期要进行反演及准则。 4）：分析软件-系数设置-视电阻率系数，其设为1000,其不变。其它地区都是设为1000.从山西地区经验(2米线圈）一般视电阻率小于3为富水性，大于3及小于7具有一定赋水性，每个矿地质条件不一样，前期要进行反演及准则。,谢谢大家！,