瞬变电磁法实验报告

瞬变电磁法实验报告（精选8篇）

1.瞬变电磁法实验报告 篇一

瞬变电磁法 ( 简称“TEM”) 是以岩石的导电性差异为基础, 通过发送脉冲场, 形成感应二次场, 并在一次脉冲的间歇时间中接受由回线或者电偶极感应, 电源采用不接地线或者接地线的形式, 在地下良好导体受到激励产生了非稳定性电磁场[4]。瞬变电磁法的工作原理如图1所示。

一般情况下, 不含水的煤岩体电阻率是极大的, 但是在现实情况下, 由于煤层内部的裂隙结构特征以及含水性, 都会导致煤层的电阻率急剧的降低[6]。

二、探测过程

本次试验工作在18 个点位进行多个方向的瞬变电磁法探测, 探测方向为压裂侧帮水平方向、仰30°方向、俯30°方向, 共计90 个物理点, 对压裂钻孔孔口100m范围进行探测, 如图2 所示。

三、探测结果分析

图3 为反演、绘制的水力压裂前、后不同方位等视电阻率剖面图, 图中纵坐标为探测深度, 横坐标为探测点位, 剖面图中蓝色→黄色→红色代表视电阻率值由低→中→高的变化, 图中不同等值线反映了其相应视电阻率值的大小。

水力压裂后煤层的导电性条件发生了变化, 煤体破裂、含水性强的煤岩体其电阻率值降低, 视电阻率变化值明显区域主要在迎头正前方5号点、30 号点的水平方向、仰30°方向以及75 号点的俯30°方向上。

四、结论

压裂影响区域具有不均匀性, 过早的将大裂隙沟通, 造成压裂液在低渗区段短路流动, 将给水力压裂的持续进行带来不利影响。

由于煤层赋存地质条件的不均匀性, 要达到理想的压裂效果, 必须要对水力压裂的工艺进行优化。由于煤层顶、底板为岩层, 其强度要大于煤层, 因此对于完整的煤层围岩, 水力压裂一般只会限制在煤层进。

摘要：基于瞬变电磁的工作原理, 利用煤层孔隙-裂隙结构电阻率的变化, 分析煤层水力压裂后流场特征以及煤体破裂、裂隙延伸扩展以及含水性增大的过程。通过采用瞬变电磁法对煤层水力压裂流场进行了相关探测, 得出了在高压水流场的作用下, 水力压裂影响半径可达30m以上并且压裂影响区域具有不均匀性, 在应力释放区容易出现水流通道, 形成卸压带。

关键词：水力压裂,瞬变电磁,水流场,电阻率,裂隙发育

参考文献

[1]王国鸿, 徐赞.水力压裂技术提高低透气性煤层瓦斯抽放量浅析[J].煤矿安全, 2010, 41 (8) :120-124.

[2]牛之琏.时间域电磁法原理[M].成都:中南工业大学出版社, 1992.

[3]程德福.近区磁源瞬变电磁法信号检测技术研究[D].吉林大学, 2001.

[4]Fisher MK, Winght BM, Davidson, et al.Integrating Fracture Mapping Technologies to Optimize Stimulations in the Barnett shale[C].SPE 77441, 2002.

[5]李貅.瞬变电磁测深的理论与应用[M].西安:陕西科学技术出版社, 2002.

[6]张保祥, 刘春华.瞬变电磁法在地下水勘查中的应用研究综述[J].地下水, 2004, 26 (2) :129-133.

2.瞬变电磁法实验报告 篇二

关键词:积水范围;瞬变电磁法;断层

中图分类号:TD743文献标识码:A文章编号:1000-8136(2009)21-0008-02

郑煤集团盛源煤业有限责任公司井田范围内及周边分布有许多地方煤矿采空区,该矿自身由地方煤矿改造,地方煤矿的采掘方式较随意,又缺乏准确的采掘资料,对矿井的生产设计造成较大困难。此外,许多地方煤矿采空区由于开采时间较长,存有大量积水,对矿井安全生产造成极大的威胁。井田范围内断层等构造的含导水情况也会对矿井的安全生产造成影响。查明矿区内地下水、地下水岩溶管道的分布特征、采空区积水情况,可以为矿井预防水患指导生产提供参考。应用TEM瞬变电磁法能很好地探测矿区范围内地下水异常情况。[1]

1瞬变电磁法勘探原理

瞬变电磁法简称TEM,利用不接地回线或磁偶极子(或接地线源电偶极子)向地下发射脉冲电磁波作为激发场源(“一次场”),脉冲电磁波结束以后,探测目标体在激发场(“一次场”)的作用下会产生感生涡流,可以利用专门仪器观测这种涡流产生的电磁场(“二次场”)的强弱、空间分布特性和时间特性。针对

一次脉冲信号所激发的二次场信号表示为

二次场信号与ρ3/4、t5/4成反比。早期信号反映浅部地层地质信息,晚期信号反映深部地层地质信息,时间的早晚与探测深度的深浅具有对应关系。通过观测和研究“二次场”的空间分布特性和时间特性,可以推测解译地层或地质目标体的几何和物性特征。

2在盛源煤矿探放水中的应用中取得的地质成果

2.1视电阻率(ρs)反映特征

6线、8线、10线ρs视电阻率可反应这三条测线剖面电性分布特征,横向上看浅部自小号点至大号点方向视电阻率越来越高,6线和8线无大的低阻异常区,6线在21～22号测点之间、8线在8～10号测点和17～18号测点之间有小异常分布,而10线在8～14号测点之间有一较强低阻异常,编号为异常1。

12、14、16线ρs视电阻率反映了这三条测线纵向上电性分布规律:F3断层附近有明显低阻异常分布(异常2),应该是断层带含导水所致。此外12测线8～11号测点之间也分布着低阻异常1,但较10线分布范围略小。

2.2平面图反映特征

图1反映了测区内二1煤层附近的电性分布特征。该层位主要异常区的电性分布特征与二1煤层上20 m相似,本层视电阻率值在29.0 Ω.m到89.9 Ω.m之间变化,平均视电阻率值为59.5 Ω.m,标准偏差为9.5,根据划分异常标准 ,56.3 Ω.m的区域为相对低阻异常区(虚线圈定区域)。

3评 价

3.1异常区评价

异常1在8线、10线和12测线ρs拟断面图上都有分布,且在10线和12线上分布范围大,异常强度也较强。对照采掘工程平面图,异常区域内无构造存在,也无已知采空区分布,但从异常的分布形态和分布特征看,符合采空区积水特点,应为采空区局部积水引起的低阻异常。

异常2、3分布范围不大,异常强度也较强,在视电阻率异常平面图上该异常位于F3断层附近,在ρs拟断面图上可以看的更为清楚,即异常3位于F3断层带上,但在14线上看异常有自浅部向深部贯通的趋势。此外,异常的核心部位在浅部,由于该区域煤层底板等高线不太清楚,所以不能确定浅部异常的性质,但从浅部异常的形态看,有断层破碎带和采空区局部积水的可能性。所以,异常2浅部异常可能是断层破碎带和采空区局部积水引起的,深部异常是断层带含导水引起的。

异常4、5、7,分布范围较小,异常强度较弱,由于该区域缺乏详细的地质资料,从异常的分布形态上判断该异常应为局部地层裂隙含水引起的。

异常6、8从断面图上看,该异常与F3断层有联系,异常6应为F3断层破碎带在浅部含水导致的。

异常9、10、11对照采掘工程平面图可以看到该异常正好位于21121和22030局部已知采空区范围内,且该区域无其他构造和岩性变化,说明是采空区积水引起的。

3.2采空区积水评价

异常1、异常2浅部从异常分布形态和分布特征上看有采空区积水的特征,即分布区域集中,异常强度较强等。但从采掘工程平面图上看,无已知采空区存在,众所周知,小煤矿的采掘无规律性,采掘资料也不详细,不能排除未掌握采空区积水的可能性。

3.3断层含导水性评价

本次TEM测区内仅有F3一条较大断层,此外在测区东南平行于60测线有一排小断层。异常2、异常3与F3断层有密切地联系,从异常在断层带的分布特征看应为断层裂隙破碎带含水。从各个异常在整个F3断层带的分布规律看,F3断层带含导水性在延伸方向和纵向上都是不均一的。

3.4测区水文地质条件初步综合评价

二1煤及其顶底板顺层切片中蓝色虚线圈定区域为重点水文异常区,淡蓝色虚线圈定区域为次级水文异常区,测区内除上之外的区域为一般水文区。重点水文异常区为测区内富水性较强的区域,为水害威胁区域,需要引起特别重视;次级水文异常区为测区内富水性相对较强区域,发生水害威胁的可能性较低,但也要引起重视;一般水文区的富水性一般,在生产中应注意顶底板的保护。

4结论与建议

异常1为采空区局部积水引起的低阻异常;异常2浅部异常可能是断层破碎带和采空区局部积水引起的,深部异常是断层带含导水引起的;异常3是由F3断层带上局部含水造成的。

本次电法资料反映的是水的静态特性,在巷道掘进或煤层开采时,必须考虑顶板冒落、底板破碎等扩大原有裂隙通道或增加新导水通道的可能性。为保证井下采煤生产的安全,建议加强采掘前矿井水文物探工作,特别是在生产场地接近异常部位时应边探边掘,随时观察记录水文地质条件变化情况,以便实施针对性更强和更有效的防治水技术措施。

参考文献

1 姚 馨、雷忠林.瞬变电磁法在煤矿水患区预测中的应用[J].中国煤炭地质,2008(4):67～68、77

2 宋卫东、陶祥忠.瞬变电磁技术在巷道掘进工作面超前探测的效果[J].煤矿机械,2008(7):159～160

The Application of TEM in Exploration and Dewate-ring in Shengyuan Coal

Liu Rui,Sun ShuLin,Wang Huaixin,Tang Xiaqin

Abstract: Coal Mine in Henan Province Baofeng Shengyuan used transient electromagnetic exploration to explore the scope and boundaries of catchment. Besides, we could learn about the water contain in fault. The application of TEM provides an important guide for the safety in instruction.

3.瞬变电磁法实验报告 篇三

淮南新集矿区太原组承压含水层的水文地质条件,是开采山西组1号煤的关键因素.以前曾通过布设少量水文钻孔及三维地震等手段进行勘查,但因太原组含水层是岩溶裂隙型,勘查结果并不理想,其水文钻孔涌水量一般都较小,但邻近矿井在对山西组煤层试采中却发生了严重的`突水事故.为此,本次在采用地面电法勘探方法对矿区进行水文地质勘查,以划分太原组上段相对富水区域,并据此进行水文钻孔布置.由于新集一矿1号煤埋藏深度大地表存在巨厚的推覆构造,在分析该区物性资料的基础上,对瞬变电磁法的施工参数进行了试验,最终确定了线框边长、发射频率及固定增益等参数.经处理解释,初步查明勘探区1号煤下伏太灰岩的水文地质特征,结合前期地质资料分析,划定了该矿区富水区域,认为太灰岩上段的1～4灰是开采1号煤底板突水的主要威胁.

作 者：徐鲁勤 黄澎涛 马瑞华 廉江红 Xu Luqin Huang Pengtao Ma Ruihua Lian Jianghong  作者单位：徐鲁勤,黄澎涛,Xu Luqin,Huang Pengtao(中煤地质工程总公司,北京,100073)

马瑞华,Ma Ruihua(水文地质局,河北,郸邯,056004)

廉江红,Lian Jianghong(陕西工程勘察研究院物化探工程公司,陕西,西安,710068)

4.瞬变电磁法实验报告 篇四

关键词：瞬变电磁法,煤矿,采空区,视电阻率

煤矿采空区是引起地质灾害的主要因素之一,它不仅给煤矿安全生产带来隐患,而且对人民的正常生活和生产产生危害,甚至对当地经济发展和社会稳定产生严重影响。因此,探测采空区成为地质勘探的一个重要任务。瞬变电磁法以对低阻灵敏、体积效应小、横向分辨率高、与探测地质体有最佳耦合、受旁侧地质体影响小,而且施工方便、快捷、成本低、效率高等特点,成为探测煤矿采空区位置的最佳方法之一。

1 瞬变电磁勘探原理

瞬变电磁法属于时间域电磁感应法,它利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲场,在一次脉冲场间歇期间利用回线或电偶极接收感应二次场,该二次场是由地下良导地质体受激励引起的涡流所产生的非稳电磁场。根据观测到的二次场,通过分析其衰减特征和处理后的数据,可以判断地下地质体的电性特征、赋存位置和形态等。

地层中的煤层被开采以后,在地下岩层间形成一定的空间,采空区顶板在上覆岩体重力作用下,发生变形、断裂、位移和冒落,岩层产生破碎,并出现大量的空隙和裂隙,导电性变差,岩石的电阻率明显变大,呈现出相对的高阻特征;当采空区的空隙和裂隙被水或泥质填充后,该处的电阻率会明显变小,表现出一定的低阻特征。采空区的视电阻率与其他区域的视电阻率存在明显的差异,为瞬变电磁勘查提供了前提条件,这种特有的电性异常反映也成为划分采空区的依据[1,2,3]。

2 老窑采空区探测分析

河南禹州某煤矿由多个小煤矿整合而成,由于开采时间长,小煤矿地质资料不全且可靠性较差,原有资料难以满足现行煤矿安全生产要求。为了取得进一步的资料作为后续生产的依据,矿方委托河南省煤田地质局物探测量队进行地面瞬变电磁勘探工作,以查明二1煤层采空区及采空积水区分布情况。

根据资料,勘探区内地层由老至新依次为寒武系上统凤山组(3f)、奥陶系中统马家沟组(O2m)、石炭系上统本溪组(C2b)和太原组(C2t)、二叠系下统山西组(P1sh)和下统下石盒子组(P1x)、二叠系上统上石盒子组(P2s)、新生界第四系。正常情况下,新生界地层由砂、黏土及砾石组成,地层视电阻率为中高阻;二叠系地层以砂岩、泥岩为主,地层视电阻率为中低阻;石炭系、奥陶系及寒武系地层以灰岩为主,地层视电阻率为相对高阻。在纵向上勘探区地层视电阻率呈现为中高—低—中—高的特征反映。岩层完整时其电阻率较高,受煤矿开采影响使得岩层破碎、产生大量裂隙,破碎程度及其含水的饱和度越大,岩石的导电性会显著增强,地层电阻率明显降低,在电性特征上会形成横向上的低阻异常,可以通过对相同层位的低阻异常区的圈定来划分煤层采空区。

3 探测方法

此次勘探施工仪器为PROTEM 67D瞬变电磁勘探系统,工作装置采用大定源装置,回线内接收,发射线框采用400 m×400 m矩形回线,接收线圈有效面积200 m2,测量道数30门,频率25 Hz,发射电流16.0 A,积分时间30 s,增益23～24。在勘探区内均匀布置测点,测线间距40 m,测点间距20 m。首先利用TEMIXXL v4软件对采集的原始数据进行编辑和一维层状反演,得到视电阻率与深度曲线,再绘制出各条测线的视电阻率断面图,然后分析各条测线的视电阻率断面图,标出异常区域,结合地质资料成果进行对比分析,最终确定采空区分布范围。

4 探测结果

1240线、2360线视电阻率断面分别如图1、图2所示,图中黑色直线表示二1煤层,黑色虚线范围表示二1煤层采空区。从视电阻率断面图上看,浅部的视电阻率表现为中高阻,推断为新生界地层的电性反映;中上部视电阻率表现相对较低,为煤系地层的电性反映;下部视电阻率表现为高阻,为灰岩地层的电性反映。图1中260～420测点之间有一低阻凹陷区,视电阻率相对较低,为二1煤采动以后形成采空区的反映。图2中的280～460测点之间二1煤层附近形成了低阻封闭区域,其视电阻率值较周围要低许多,可能为二1煤采空积水区的反映。

二1煤层视电阻率顺层切片如图3所示,如图中黑色椭圆所示,有6个较大范围的低阻异常区,推测其应该为采空区的反映,该情况与矿方实际调查的采空区位置基本相符。同时根据低阻异常区的视电阻率值,推测1、2、3、4和5号低阻异常区内应该有积水。通过此次勘探,基本查明了二1煤层采空区3处和采空积水区6处,并圈定了其位置和范围,达到了勘探目的。

5 结论

上述实例和其他探测采空区项目证明,瞬变电磁法在探测煤矿采空区和采空积水区方面可以取得令人满意的探测结果。同时,瞬变电磁法与其他物探方法相比,具有分辨率高,勘探深度大、受地形干扰因素小、施工方便、效率高等优点,这种方法将在煤矿探测采空区、地层富水区域等方面发挥重要作用,具有广泛的应用前景。

参考文献

[1]牛之琏.时间域电磁法原理[M].长沙:中南工业大学出版社,1992.

[2]蒋邦远.实用近区磁源瞬变电磁法勘探[M].北京:地质出版社,1998.

5.瞬变电磁法实验报告 篇五

关键词：瞬变电磁法（TEM）;多测道剖面曲线图;视电阻率

一、应用原理

地下地质体由于受到地应力的作用会产生节理和断层形成裂隙，裂隙充水后使其导电性增强，形成低阻体。不同低阻体在瞬变电磁仪多测道图上有不同的反应。寻找地下水的过程就是间接寻找地下含水地质构造的过程。

1、用导电模板模拟地下含水低阻构造的不同响应特征。

（1）近于直立导电模板反映特征

导电模板的不同形态和地下低电阻体的倾角有关。具体可参见下图1。

当导电模板倾角a=90°时，在瞬变电磁仪多测道剖面曲线上，导电模板表现的异常为对称于模板的双峰异常。当导电模板倾角a=90°时，虽然发射、接收回线与导电模板距离最小，但是由于发射回线产生的磁场方向与导电模板平行，不能有效的激发导电模板的二次场电流，这样就在导电模板正上方产生了低电位反应，形成对称于导电模板的双峰异常。

⑵ 倾斜导电模板反应特征

当0°≤a<90°时在瞬变电磁仪多测道剖面曲线图上，导电模板表现的异常为不对称双峰异常，导电模板倾向的一侧表现为较高的峰值异常。随着倾角的不断变小，双峰异常的不对称性将更加明显，主峰异常的峰值将不断加大。当倾角a=0°时将在板体的正上方出现近似于单峰的高值异常，如图2 所示。

这种现象产生的主要原因是：当倾角a逐渐变小时，发射回线产生的一次磁场能在导电模板内更好的激发产生感应电流，产生较强的二次磁场。当a=0时导电模板与发射回线产生的一次磁场垂直，能最大限度的激发二次磁场，产生单峰最高异常。当90°

2、根据视电阻率剖面等值线断面图确定含水构造

除了上述，根据瞬变电磁测深多测道剖面曲线图对于导电模板的不同响应特征确定地下水赋存情况，我们还可以依据瞬变电磁测深内业整理成果：视电阻率等值线断面图，确定工作区内的地质构造，达到寻找地下水的目的。

参见图3  瞬变电磁测深视电阻率等值线断面图

二、应用实例

1、在深部地热勘查中的应用

⑴工区地质概况

工作区域一带，位于老爷岭地块的张广才岭边缘隆起中北部。南东部有北东50°延展的敦密岩石圈断裂通过。受敦密岩石圈断裂左行逆冲的挤压，其南东盘相对下陷形成了中生代以来的断陷盆地。受敦密岩石圈断裂控制，自上第三纪至第四纪形成多期玄武岩浆喷发。其中敦密岩石圈主断裂控制了第三纪玄武岩，次级断裂控制了第四纪玄武岩岩浆的活动。控制第四纪玄武岩喷发的断裂是地热源的主要来源。由于该区裂隙分布不均匀，所以确定地热井位难度非常大，一旦井位错误，将给单位造成的经济损失也是巨大的。

⑵工作方法及装置参数

为了增大勘探深度、减小电磁耦合的影响，我们采用大电流、重叠回線装置测量。最大供电电流：200A，发射回线边长25m，供电脉宽10ms，采样率4μs，利用接收线圈接收测量信号。工作网度1000×250m。

⑶成果解释与分析

图4  牡丹江南部地区地热普查860线瞬变电磁测深多测道图

图4中，在475号瞬变电磁测深点附近有一个明显的双峰异常，是一个低阻地质构造的反应，结合该区860线视电阻率等值线断面图图及以往的地质资料分析得到结论：在475号测深点附近有一深部基岩构造破碎带，倾向大号点，倾角大约60度。钻探工作于900m处出现漏液情况，且岩心不完整，是构造破碎带的反应。于井深1250m发现地下热水。成井后出水量30T/h，井口水文45°。

2、在浅层找水中的应用

⑴工区地质情况

北兴农场位于七台河煤矿采空区上方，由于采矿原因，区内地表下沉，地下水含量较少，给我们的水资源勘查工作带来很大的难度。区内第四系（Q）为粘土及砂砾石层，厚30m，第三系（N）为砂、泥岩互层，厚75m，三叠系（T）为中、细砂岩与砂质泥岩。我们工作的目标：在第三系砂、泥岩互层中找到含水裂隙构造。

⑵工作方法及装置参数

由于工作区内有铁磁性物质及高压线路影响为了减小外界耦合误差、提高观测成果的可靠性，我们采用重叠回线、小线圈、大发射电流工作。具体参数如下：发射回线边长1m，最大发射电流200A，供电脉宽10ms，采样率4μs，利用接收线圈接收测量信号。

⑶成果解释与分析

图5  北兴农场水源勘察瞬变电磁测深多测道图

图6  北兴农场水源勘察瞬变电磁测深视电阻率等值线断面图

根据图5北兴农场水源勘察瞬变电磁测深多测道图可以看到，在10号测深点附近有一双峰异常，是一个低阻地质构造的反映。从图6：该剖面的瞬变电磁测深视电阻率等值线断面图可以看出有一“人：字型破碎低阻构造，位置与多测道图的双峰异常吻合。将钻孔布设在10号测深点偏西10m位置，经打钻验证于井深140米处见构造破碎带，最终井深145米，出水量20T/H。

三、结论建议

6.瞬变电磁法实验报告 篇六

1 矿井瞬变电磁法基本原理

矿井瞬变电磁法勘探属于全空间效应的勘探方法, 它利用不接地回线在井下巷道内设置通以一定电流的发射线圈, 并在其周围空间产生稳定的一次电磁场。当电流突然断开时, 由该电流产生的磁场也立即消失。为维持发射电流断开之前存在的磁场, 岩层中被激发出感应电流, 使磁场不会即刻消失。发射电流断开的瞬间, 最初激发的感应电流集中于巷道附近岩层中, 随着时间的推移, 巷道周围的感应电流逐渐向外扩散, 其强度逐渐减弱。在断开发射电流后的任一时刻, 感应涡流在巷道内产生的磁场可以等效为一个水平环状的电流磁场。这些等效电流环像从发射回线中“吹”出来的一系列烟圈, 因此将巷道顶、底板导电岩层中涡旋电流向外扩散的过程形象地称为“烟圈效应” (图1) [5,6,7,8,9,10]。

2 物理模拟实验方法

实验仪器为澳大利亚生产的Terra TEM型瞬变电磁仪。依据物理模拟相似性准则[7], 用铜棒模拟低阻陷落柱, 采用多匝小线圈重叠回线装置进行模拟实验。铜棒直径为6.5 cm、高度为20 cm、电导率为1.56×107S/m。实验模型为全空间均匀介质 (空气) 模型。

实验时, 将铜棒分别竖直放置在模拟工作面底板不同垂直距离h位置处, 每个高度分别按线圈架设方位角α (线圈平面与水平面间的夹角) 为75°、60°、45°、30°、15°五个方向探测 (图2) 。通过对比分析不同高度位置、不同角度探测的低阻异常体响应特征, 探讨改变探测线圈与异常体之间的距离h以及线圈架设方位角α对工作面底板低阻异常体空间定位的影响规律, 进行工作面底板低阻异常体的定位技术研究。

3 实验结果及分析

图3为铜棒距工作面底板5 cm (h=5 cm) 时的视电阻率断面图。从图3中可以看出, 在铜棒垂直深度不变的情况下, 当线圈与水平面的夹角α分别为75°、60°、45°、30°、15°时, 低阻响应先是依次增强, 低阻异常区域范围增大, 在α=30°时低阻响应达到最强, 而后在α=15°时又开始减弱。

图4、图5分别为铜棒距工作面底板10 cm (h=10 cm) 和15 cm (h=15 cm) 时的视电阻率断面图。分析图4、图5可知, 铜棒距工作面底板10 cm (h=10 cm) 和铜棒距工作面底板15 cm (h=15 cm) 时的低阻响应特征类似:铜棒垂直深度不变的情况下, 当线圈与水平面的夹角α分别为75°、60°、45°、30°、15°时, 由于线圈与铜棒的耦合变化及线圈探测距离的影响, 低阻响应特征均为先依次增强, 低阻异常区域范围增大, 在α=30°时低阻响应达到最强, 而后在α=15°时稍微减弱, 与α=30°时总体变化不大。

图6为铜棒距工作面底板20 cm (h=20 cm) 时的视电阻率断面图。分析图6可知, 铜棒垂直深度不变的情况下, 当线圈与水平面的夹角分别为75°、60°、45°、30°、15°五个角度时, 由于线圈与铜棒的耦合变化及线圈探测距离的影响, 在α=75°时几乎没有出现低阻异常;随后, 低阻响应依次增强, 低阻异常区域范围增大。值得注意的是, 铜棒在该垂直深度下并未出现如h=5 cm、h=10 cm和h=15 cm中先增强再减弱的情况。

综合对比分析图3—图6可知, 同一角度探测时, 不同垂直深度的铜棒所引起的低阻异常具有以下规律。

(1) 随着深度的加大, 低阻异常响应减弱, 相对低阻区域的视电阻率值相对增大。

线圈与异常体的垂直距离h=5 cm时, 从α=15°到α=75°, 均有低阻异常响应。其中, α=45°、30°、15°方向响应都很强烈, 而α=60°、75°方向的响应与h=10 cm时α=30°、45°方向的响应相差不大。

线圈与异常体的垂直距离h=10 cm时, 仅有α=30°探测方向有较强的低阻响应, 但依然比h=5cm时的要低很多;α=75°方向低阻响应很弱;其他方向有低阻响应, 但响应不强。

线圈与异常体的垂直距离h=15 cm时, 仅有α=15°、30°方向有低阻响应, 但响应不强;其他方向低阻响应很弱。

线圈与异常体的垂直距离h=20 cm时, 仅有α=15°、30°方向有微弱的低阻响应, 其他角度几乎都没有低阻响应, 尤其是α=75°方向。

之所以产生上述现象, 这是因为感应涡流环 (“烟圈”) 形成的锥体与铜棒切割的磁力线越多, 感应的二次场越强, 感应涡流场衰减速度越小。

(2) 当α不变时, 随着深度的加大, 铜棒与探测线圈的距离越来越远, 铜棒切割的磁力线减少, 一次场的传播受铜棒的影响程度减弱, 感应二次场也逐渐减弱, 所以低阻异常响应减弱。

(3) 当h不变时, 随着α的变化, 感应涡流环 (“烟圈”) 形成的锥体与铜棒切割的磁力线会发生变化, 因而接收到的感应电动势大小也会发生变化。

h=5 cm、h=10 cm和h=15 cm三种深度下, 低阻异常响应均是先随着α的减小而逐渐增强, 在α=30°时达到最大。这是因为随着α的减小, 铜棒切割的磁力线增加, 一次场的传播受铜棒的影响程度增强, 感应二次场也逐渐增强, 所以低阻异常响应逐渐增强;随后又在α=15°时低阻异常响应减弱, 这是由于铜棒长度的限制, 在α=15°时, 线圈探测角度 (线圈法线与水平面间的夹角) 过大, 导致铜棒切割的磁力线减少, 感应二次场减弱, 低阻异常响应减弱。

在h=20 cm时, 铜棒引起的低阻异常响应并没有出现先增强后减弱的情况。这是因为在小角度 (α较大) 探测时, 铜棒与探测线圈的距离过大, 铜棒切割的磁力线较少甚至没有切割, 感应二次场较弱, 低阻异常响应较弱甚至没有响应;而在线圈探测角度较大 (α较小) 时, 随着α的减小, 铜棒切割的磁力线增加, 一次场的传播受铜棒的影响程度增强, 感应二次场也逐渐增强, 所以低阻异常响应逐渐增强。

4 结论

采用物理模拟实验的方法, 对矿井瞬变电磁法探测工作面底板异常体空间定位技术进行了研究, 实验结果表明:向工作面底板进行多角度探测时, 随着异常体与底板之间距离的增加, 大角度探测时低阻响应会越来越弱, 直至消失;当异常体与底板之间的距离增加到一定程度时, 所有向底板方向的探测都将无法探测到低阻异常体。在井下实际施工过程中, 可以选择多个角度向底板探测, 使地质异常体与探测回线达到最佳耦合状态, 从而进一步精确地对工作面底板异常体进行空间定位。

参考文献

[1]邵爱军, 刘唐生, 邵太升, 等.煤矿地下水与底板突水[M].北京:地震出版社, 2001.

[2]施龙青, 韩进.底板突水机理及预测预报[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2004.

[3]刘树才, 岳建华, 刘志新.煤矿水文物探技术与应用[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2006.

[4]岳建华, 甘会春.矿井瞬变电磁法及其应用[C]//中国地球物理学会年会论文.南京:南京师范大学出版社, 2003.

[5]于景邨.矿井瞬变电磁法勘探[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2007.

[6]牛之琏.时间域电磁法原理[M].长沙:中南大学出版社, 2007.

[7]蒋邦远.实用近区磁源瞬变电磁法勘探[M].北京:地质出版社, 1998.

[8]于景邨.矿井瞬变电磁法勘探[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2007.

[9]LEE T.Estimation of depth to conductors by the use of electromagnetic transients[J].Geophysics, 1977 (65) :61-75.

7.瞬变电磁法实验报告 篇七

瞬变电磁法是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场, 在一次脉冲磁场间歇期间利用线圈或接地电极观测地下介质中引起的二次涡流场, 从而探测介质电阻率的一种方法。

由于寒武系灰岩离主采煤层较近 (平均25 m) , 当寒灰岩溶或者含水裂隙发育时, 对煤矿开采和巷道掘进工作都将形成威胁, 通过瞬变电磁探测, 成功找到异常区域并经钻探验证, 为水仓巷道的安全掘进提供了可靠的参考资料。这充分显示了矿井小线圈瞬变电磁法在井下含水区域探测中的良好效果。

1 地质背景

1.1 地层

本区为低山丘陵区, 基岩出露良好, 仅在冲沟中有第四系分布。根据地表出露、钻孔和矿井揭露, 所见地层主要为寒武系上统崮山组和长山组、石炭系本溪组和太原组、二叠系山西组、下石盒子组和上石盒子组、新生界第四系。

1.2 区域水文地质概况

井田位于嵩箕山间向斜构造水文地质单元, 颖阳—登封水文地质亚区, 西白坪—告城水文地质段的西部, 为补给—径流区。

大气降水入渗是本区地下水的主要补给来源, 地下水的水力坡度一般6‰~10‰。本区地下水的排泄主要有自然径流和人为抽放两种形式, 目前矿井疏水已经成为地下水的主要排泄形式。

1.3 含水层

井田内对一3煤影响较大的主要含水层有:上寒武统灰岩含水层、太原组L3~L4灰岩含水层、太原组L1~L2灰岩含水层、太原组L7~L8灰岩含水层。

2 工作方法及原理

2.1 施工仪器与装置

本次施工使用澳大利亚Terratem瞬变电磁仪, 与其他瞬变电磁仪器相比, 具有性能稳定, 抗干扰能力强, 时窗采样方式灵活, 可针对不同的勘探深度, 人为设置瞬变电磁的时间采集窗口, 数据采集由微机控制, 自动记录和存储, 与微机连接可实现数据回放, 是目前国内外瞬变电磁勘探中较为先进的轻便型瞬变电磁仪。

本次井下瞬变电磁探测采用重叠回线装置, 发射和接收均采用多匝1.5 m×1.5 m矩形回线, 发射线圈和接收线圈框重叠, 两线圈轴线指向目标体。采样时窗为1~34, 时间采用标准时间序列。

2.2 施工方法

本次井下瞬变电磁探测地点位于21皮带和轨道下山底部的巷道中, 巷道走向东西、长45 m, 在巷道两端分别向东西方进行了左侧帮、左偏30°、45°、60°以及右侧帮、右偏30°、45°、60°的扇面探测, 中间巷道间隔5 m布置1个测点, 总共布置了18个测点。每个测点布置仰60°、仰30°、水平、俯30°、俯60°五个方向的探测, 共计完成90个物理点的探测。

3 成果资料解释

3.1 资料处理

瞬变电磁法观测到的资料是各测点各个时窗 (测道) 的瞬变感应电压, 需换算成视电阻率、视深度等参数, 以便对资料进行解释。处理步骤主要分为四步: (1) 滤波:在资料处理前首先要对采集到的数据进行滤波, 消除噪声, 对资料进行去伪存真; (2) 时深转换:瞬变电磁仪器在观测到的是二次场电位随时间的变化, 为便于对资料的认识, 需要将这些数据变换成电阻率随深度的变化, 目前资料处理主要使用专业井下瞬变电磁处理程序; (3) 绘制电阻率曲线; (4) 绘制等视电阻率断面图。

3.2 资料解释

瞬变电磁资料的处理和解释工作往往是同时进行的, 它们之间存在一种从实践到认识的提高过程。它的资料解释是建立在资料处理后的视电阻率断面图和已有地质资料的基础上。为提高解释的客观及准确性, 在初步解释之后调整处理的窗口 (测道) 范围进行反复处理, 直到满足解释要求。

1) 依据各条测线视电阻率断面图富水区进行解释。

2) 结合地质资料成果进行对比分析, 确定富水异常区的分布规律和分布范围, 绘制富水异常区分布图。

3.3 成果剖面图

图1为21采区水仓探测俯60°方向的探测电性扇形断面图。纵坐标和横坐标代表探测距离 (黑色矩形线框为巷道位置示意图) 。从图上可以看到本次超前探测范围为75 m, 在近处15 m范围内存在盲区。从视电阻率等值线分布规律可以看出, 俯60°方向探测的电性图中在巷道西边距离探测位置40~75 m位置存在一处低阻异常区 (图中椭圆虚线圈定区域) , 推测为寒武系灰岩含水裂隙发育引起的低阻富水异常区。

4 地质成果及验证情况

4.1 结论

经过资料处理和分析, 结合矿方提供的地质资料及现场地质情况对21采区水仓探测成果进行了分析, 得出以下结论:

仰60°、仰30°、水平以及俯30°四个方向探测的电性图中视电阻率等值线分布较为均匀, 无明显电性异常反应;俯60°方向探测的电性图中在巷道西边存在一处低阻异常区, 推测此处寒武系灰岩含水裂隙较为发育 (见图2) 。

4.2 验证情况

对探测到的异常区, 矿方钻探验证后, 成功出水。

参考文献

[1]于景邨.矿井瞬变电磁法勘探[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2007.

[2]朴化荣.电磁测深法原理[M].北京:地质出版社, 1990.

8.瞬变电磁法实验报告 篇八

1 瞬变电磁法概述

瞬变电磁法 (Transient Electro-magnetic Methods) , 又称时间域电磁法 (Time Domain Electro-magnetic Methods) , 简称TEM或TDEM, 它是利用不接地回线或接地线源 (电极) 观测二次涡流场的一种物探勘探方法[1]。瞬变电磁法属于时间域电磁感应方法。该方法是以地壳中岩石和矿石的导电性差异为主要物理基础。其探测原理是在发射回线上发出1个电流脉冲方波, 一般利用方波后沿下降的瞬时产生1个向地下传播的一次磁场。在一次磁场的激励下, 地质体将产生涡流, 其强度大小取决于地质体的导电程度。在一次场消失后该涡流不能立即消失, 它将有一个过渡 (衰减) 过程。该过渡过程又产生1个衰减的二次磁场向地表传播。由地表的接收回线来接收二次磁场, 该二次磁场的变化将反映地下地质体的电性分布情况。按不同的延迟时间测量二次感生电动势V (t) , 就得到了二次场随时间衰减的特性曲线, 用发射电流归一化后成为V (t) /I特性曲线。

瞬变电磁法是观测纯二次场, 不存在一次场的干扰, 称之为时间上的可分性;但发射脉冲是多频率的合成, 不同延时观测的主要频率不同, 相应时间的场在地层中传播速度不同, 称之为空间的可分性。

该方法与其他探测方法相比, 具有探测深度大、信息丰富、机动灵活、工作效率高等优点。对探测高阻覆盖层下的良导电地质体有显著的地质效果。

2 瞬变电磁法探测实例

2009年3月28日, 郑煤集团白坪煤矿利用瞬变电磁物探技术在井下巷道内进行地下水文探测, 效果较好。

2.1 巷道地质条件

白坪煤矿开采二1煤层, 巷道位于二1煤底板L7-8灰岩地层下。巷道以下为石炭系泥岩、砂质泥岩、石灰岩及铝质泥岩, 厚度在60 m左右。再向下为寒武系白云质灰岩 (奥陶系石灰岩缺失) , 厚度在240～300 m。

2.2 仪器选择及技术参数

该次勘探采用加拿大PROTEM 瞬变电磁仪, 仪器探测精度高, 具备了探测从浅层高阻岩体到深层矿物目标体、低阻目标体的能力, 抗干扰能力强。接收机、发射机主要技术参数见表1。

2.3 探测方法

此次探测采用多匝重叠回线观测方式。巷道探测方向为垂直底板向下方向 (图1) , 探测点距为10 m。探测中, 东轨大巷 (轨16点) 为测点位置0 m处, 轨胶一联巷口为测点位置520 m处。从东轨大巷到轨胶一联巷口520 m, 实际完成53个物理探测点。此次井下探测现场数据采集整体上较为稳定。但探测巷道里有井下运输轨道、多个地段存放有大块金属体, 这些因素对井下数据采集有一定影响。

2.4 资料处理

瞬变电磁法观测到的资料是各测点各个时窗 (测道) 的瞬变感应电压, 在资料处理时需换算成视电阻率、视深度等参数, 以便对资料进行解释。

(1) 原始数据整理。

首先要对采集到的数据进行格式转换、两次优选、滤波, 消除噪声, 对资料进行去伪存真。在井下巷道的探测主要是排除井下运输轨道金属体、工业流散电流等引起的干扰。

(2) 时深转换。

瞬变电磁仪器在井下观测到的是二次场电位随时间的变化, 为便于对资料的认识, 需要将这些数据变换成电阻率随深度的变化, 即进行一维层状反演处理。

(3) 绘制视电阻率断面等值线图。

①从时深转换后的数据中选出每个测点的数据, 绘制各测点的视电阻率单曲线图, 分析每个测点的视电阻率单曲线类型;②绘制各测线的视电阻率断面图, 即沿每条测线电性随深度的变化情况;③结合已知地质资料分析测区内主要地层、地质构造, 将电性异常转换成地质异常。

2.5 资料解释

资料解释是根据编绘的视电阻率断面等值线图, 结合地层相对视电阻率高、低阻电性分布情况, 测区水文地质资料, 判断探测范围内岩层的赋、导水性及其分布情况等。通常情况下在探测的目的地层是高阻砂岩或高阻石灰岩地层, 其视电阻率断面等值线图反映为在高阻背景值上出现低阻异常, 该低阻异常一般为地层破碎, 多为裂隙或岩溶裂隙发育所形成的赋水异常。该低阻异常越低, 即电性差异越大, 往往赋水性较强。

2.6 成果验证

图2为从东轨大巷瞬变电磁勘探 (垂直下探) 视电阻率断面等值线图, 可以看出, 在其断面图发育有3处低阻异常区, 分别为测点位置0～25 m, 50～80 m, 200～240 m, 反映的深度在70 m以下。结合其巷道地质条件分析, 认为其3处低阻异常是巷道工作面以下, 寒武系高阻灰岩地层对应该处位置岩层破碎、裂隙发育充水所致。后在17 m处布置一水文地质观测钻孔, 通过钻探施工, 在钻进到60 m打过石炭系灰岩、泥岩及铝质泥岩地层, 见到寒武系白云质灰岩, 在75 m处出现涌水, 在150 m处终孔, 出水量在28 m3/h, 达到了预期目的。

3 结语

瞬变电磁法是解决煤矿矿井水文地质探测问题的一种较好的物探手段。因其在煤矿矿井方面应用的时间较短, 建议在利用该方法的同时再配合其他井下物探手段, 如井下直流电阻率法等, 将会取得更好的水文地质探测效果。

摘要：利用瞬变电磁物探技术在井下巷道内进行地下水文地质探测, 既可减少深水文观测孔的施工费用, 又便于观测管理, 效果较好。结合郑煤集团白坪煤矿应用实例, 介绍了瞬变电磁技术应用于地下水文地质探测的具体方法。