地球物理勘探在煤矿防治水工作中应用

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1、地球物理勘探 在煤矿防治水工作中的应用,山西山地物探技术有限公司临汾分公司 刘国生,序言,地球物理勘探包括的内容、方法很多，用有限的时间很难给大家讲清楚，在座的各位都是煤矿系统的领导，工作也很忙，我不能占用各位领导过多的时间讲述关于地球物理勘探的概念和具体内容了。根据市煤管局给我的题目，我重点对与我们煤矿防治水密切相关的地球物理勘探的内容做个介绍，与大家共同学习。 我们常说的物探是一种简称，他的全称是“地球物理勘探”。是通过研究天然场或人工建立的地球物理场的变化来解决地质问题的一种勘探方法。,主要内容,一、地球物理勘探的分类 二、地震勘探技术 三、瑞雷波勘探技术 四、瞬变电磁法勘探技术 五、矿

2、井直流电法勘探技术,地球物理勘探的分类,根据物探工作利用的岩石（矿石）的物性的不同，物探方法的种类不同，目前物探方法主要分为五个大类： 1、以岩（矿）石磁性差异为基础的磁法勘探； 2、以岩（矿）石密度差异为基础的重力勘探； 3、以岩（矿）石电性差异为基础的电法勘探； 4、以岩（矿）石放射性差异为基础的放射性勘探； 5、以岩（矿）石弹性差异为基础的地震勘探。 在这五中物探方法中与我们煤矿安全生产关系比较密切的是地震勘探和电法勘探。,地震勘探技术,地震勘探主要是研究人工激发的弹性波在地层中的传播规律，解决地质构造等问题。 比较精准的定义是：地震勘探就是利用人工方法产生地壳的振动，再用精密仪器记录这

3、种振动在地壳中的传播规律，进而达到找矿、推断地下地质构造目的的一种勘探方法。基本原理图如下：,地震勘探技术,地震勘探原理示意图,地震勘探技术,地震勘探技术,地震勘探技术,二维地震勘探就是指激发和接收在一条射线剖面上进行那个的地震勘探。 二维地震作为传统的地震勘探技术主要应用在煤田勘探的先期阶段，配合钻探工作对勘探区内的控制构造和影响采区划分的构造进行探测。技术成熟，成果比较可靠。但精度较低，仅能解决20m以上落差的断层问题。,地震勘探技术,由于地下的介质是三维的，所以二维地震勘探的精度就受到了很大的限制，这就提出了具有“体”概念的三维地震勘探方法。三维地震勘探是目前探测煤矿小构造（大于5m）的

4、最有效的勘探方法。 目前三维地震勘探可以查明落差大于或等于5m的断层、查明直径大于或等于20m的陷落柱、查明采空区边界，其平面位置误差小于或等于20m，深度误差小于1%，被广泛应用煤矿采区的补充勘探中。可以说三维地震已经成为实现精细化勘探的一门成熟技术，用于探测煤层采空区边界是行之有效的探手段。,地震勘探技术,三维地震勘探的效果是十分明显的。图1是我公司在乡宁德通煤业有限公司首采区物探的2号煤层三维地震前后底板等高线及构造对比图。前后两图的差异十分明显，特别是东部东西向的断层是原来没有的，三维地震成果出来后，煤矿组织井下钻孔验证，4个钻孔均验证了该断层的存在。,地震勘探技术,三维地震前后地板等

5、高线及构造对比图,地震勘探技术,三维地震的主要作用是探测煤矿井田的地震构造、老窑采空区等不良地质体，预测瓦斯富集区，不能区确定构造富水、老窑积水等我们比较甘心的影响矿井生产安全的问题。,瑞雷波勘探技术,瑞利波探测法是近三十年来兴起的一种新型勘探方法主要用于近地表层的工程地质勘探。其原理主要是利用瑞利波的两个特性:一是波在分层介质中传播时的频散特性;二是波的传播速度与介质的物理力学特性密切相关。目前瑞利波探测技术有两种方法,一种是面波变频探测法,亦称稳态法,是 利用某一波长的瑞利波相速度来表征深度小于该波长一半的地层平均剪切波速度用 曲线表示,改变激振器的频率从而得到不同波长的瑞利波,当曲线形态

6、发生异常,在曲线,瑞雷波勘探技术,异常处的深度上就可能存在地质异常体或岩性界面。这种方法由于激振器笨重使用困难,在煤矿井下无法采用。另一种方法是面波频谱分析法,也叫瞬态法,它是由震源激发出瑞利波,不同频率的瑞利波叠加在一起,以脉冲的形式向前传播,通过测线上定距离的加速度传感器接收,由仪器记录下来。对采集的信号取以排列中点对称的任意两道,进行FFT和频谱分析技术,通过相干,瑞雷波勘探技术,函数的互功率谱相位展开谱,利用多次覆盖、多次叠加技术,从而得到瑞利波信号在不同频率f的平均速度VR。根据弹性波理论的半波理论可知,探测深度H=VR/2f,从而得到H-VR曲线。通过利用小波分析法对瑞利波频散曲线

7、做出奇异性显示方式,使岩性介面分层频散突变点在探测深度曲线上直观的显示出来,便于做出物探异常推断解释。,瑞雷波勘探技术,瑞雷波勘探技术,瑞利波探测技术可用于井下全方位探测(既可以用于掘进头前方,也可以用于巷道侧帮、煤层顶底板探测等),同时可进行浅层探测和深层探 测,浅层探测式一般用于预计探测的目的层比较浅(不大于15m),如探测剩余煤层厚度,可得到9个物理点的探测结果,探测原理如图2所示。图2浅层探测原理示意图层探测的探测距离一般为380m,瑞雷波勘探技术,浅层探测原理图深层探测原理图,瑞雷波勘探技术,探测结果展示,瑞雷波勘探技术,这种方法的特点是对空洞、断层的反应较好，但探测深度很浅，在黄土

8、覆盖区的勘探深度还有15m左右，在基岩裸露区的勘探深度也不超过50m。 较大震源的体积和重量可以提高到80m左右的勘探深度，无法解决老窑积水等水文地质问题。,瞬变电磁法勘探技术,（一)、什么是瞬变电磁法瞬变电磁法（Transient Electromagnetic Methods ，TEM）是一种时间域的人工源地球物理电磁感应探测方法。其基本原理是测量强大的脉冲源（如方波的下降沿或上升沿）所感生的随时间变化的二次场。由于这些变化的二次场是脉冲源所感生的涡流场在地下扩散过程中地电介质的电磁散射场，因此包含了丰富的地电信息，通过对这些信息的提取和解释，从而达到探测地下电性介质的目的。,瞬变电磁法勘

9、探技术,TEM使用的人工场源通常有两种，一种是电场源，它是向具有一定间距的一对电极发射电流，产生一次电场信号。另一种是磁源，它是通过向地面铺设的大回线发射大电流，产生一次磁场信号。对应于磁场源观测系统的工作装置有多种。其基本观测原理由图2所示。由发射机向铺设在地面的矩形线圈Tx中发送周期性双极性方波大电流，当电流突然中断时（对应于方波正极性的下降沿和负极性的上升沿），即,瞬变电磁法勘探技术,形成阶跃脉冲源。脉冲源在下半空间中激励起感应涡流场以阻止一次场的衰减，在脉冲电流关断瞬间，涡流主要集中在Tx附近的地表，随后，此涡流开始扩散到下半空间中在切断电流后的任意晚期时间内，感应电流呈多个层壳状的环

10、带形，这些环带构成二次发射源在地表感应出磁场，这就是我们所测量到的二次磁场。通过反演、成像和解释即可探测得到关于地下地质体的大小、导电性等丰富信息，并可推断出赋存位置、埋藏深度及产状等。 。,瞬变电磁法勘探技术,瞬变电磁法属于时间域电磁感应法，由于时域方法是在一次场不存在的情况下观测二次场，较频域方法 时域方法显示出更多 的优点，比较突出的 优点有以下方面：,瞬变电磁法勘探技术,1、由于观测纯二次场，自动消除了频率域方法中的主要噪声源装置耦合噪声，噪声主要来自天电及人文电磁干扰。 2、时域方法对于导电围岩和导电覆盖层的分辨能力优于频率域方法，并且测量方法技术既快又简单，更适合勘探工作的需要。

11、3、在高阻围岩条件下，没有地形引起的假异常。 4、所得到异常的幅度大、形态简单及受旁侧影响较小，提高了对地质体的横向分辨能力。,瞬变电磁法勘探技术,目前，国内用于煤矿防治水物探工作的大部分是瞬变电磁法。不论是地面的水文物探工作还是井下的水文物探工作，瞬变电磁法的优点都比较突出。,瞬变电磁法勘探技术,（二）、瞬变电磁法仪器现状 国外主要仪器： 1. Geonics的EM系列（专用仪器EM-37-中功率，老式； EM-47-小功率，12V电瓶；EM-57-中功率，600W发电机；EM-67-大功率10KW以上） 2. SIRO的SIROTEM系列（专用仪器SIROTEM-，-阵列式，多道） 3Zo

12、nge的GDP系列 （多用仪器GDP-12 ， -16 ， -32 ， -32-NanoTEM，2s） 4Phoenix的V系列（多用仪器V-5，V-6， V-8， T4工程瞬变电磁仪，n s级） 5. 前苏联生产的系列瞬变电磁仪。,瞬变电磁法勘探技术,国内主要仪器 中国1980年代出现商品仪器，都是轻型仪器。 1. WDC系列（地矿部物化探研究所，WDC-1，-2-中小 功率）80年代 2. LC系列（西安物化探研究所，LC-1，-2-轻便、大功 率）80年代 3. SD系列（中南工业大学，SD-1，-2-12-36V电瓶，小功率）90年代 4. TEMS系列（北京矿产地质研究所，TEMS-

13、3S等-轻便、大功率）90年代 5. ATEM系列 （吉林大学 ，ATEM- ， -1-3kW ， GPS提供时间信号，多道）2000； 6CUGTEM系列（中国地质大学，CUGTEM-2000，- 2001，-2010-新型轻便、大功率、矿用型等）； 7.YCS40系列矿井瞬变电磁仪（福建华宏，小功率）。,瞬变电磁法勘探技术,（三）、瞬变电磁法原理发送回线中供入稳定电流产生稳定一次磁场断电后导电体中电磁感应电流产生衰变二次磁场导电体内的感应电流因“热损耗”而逐渐衰减为零 。 二次磁场H(t)，断电后也随时间t延续逐渐衰减到零。接收线框中观测到衰变磁场生成的感应电动势V(t)。导电体正上方测到

14、的感应电动势数值较大,衰变较慢。 导电体两侧测到的感应电 动势数值较小，衰变较快。,瞬变电磁法勘探技术,瞬变电磁法勘探技术,瞬变电磁法勘探技术,瞬变电磁法勘探技术,均匀导电大地瞬变电磁场的建立、衰变和从地表向地下的传播过程 烟圈效应。早期观测到的瞬变电磁响应（感应电动势）主要反映地下浅层的导电性；随着采样时间增大，测到的瞬变电磁响应反映的深度相应增大研究不同采样时间瞬变电磁响应，就可研究不同深度的电性分布这就是瞬变电磁测深的原理。,瞬变电磁法勘探技术,（四）、局部导电体的瞬变电磁响应,瞬变电磁法勘探技术,瞬变电磁法勘探技术,瞬变电磁法勘探技术,瞬变电磁法勘探技术,瞬变电磁法勘探技术,瞬变电磁法

15、勘探技术,（五）瞬变电磁法施工方法 瞬变电磁法工作装置较多,下图是几种常见的瞬变电磁法工作装置，图中：类组合称为分离回线装置，也斯林格拉姆组合。这种组合主要适用于浅层目的物的探测。 类组合统称同点组合。既发射与接收的中心点重合，共三种： .1称为同一回线，或共圈组合。 .2称为重叠回线组合。为瞬变电磁法特有的组合，它与目的物偶合最好，发射线圈逐点移动，不会有激发盲区。但分辨率相对较低，人文导体干扰较大。,瞬变电磁法勘探技术,.3称为中心回线组合。是重叠回线的变种，具有重叠回线的优点，可观测水平分量，分辨率较高，接收回线可以避开人文导体等干扰源。数据质量优于重叠回线。缺点是地质体的不均一性影响较

16、大。 此类组合主要用于瞬变电磁测深工作。 类组合称为定源类组合。此类组合的发射回线固定，测量线圈在信噪比足够的范围内逐点采集数据，有利于提高资料的信噪比。 .1组合称为大回线外组合，又称土拉姆组合。优点：划分异常较详细，勘探深度大，缺点是有激发盲区，有漏掉目的物的可能，受地表影响大。 .2称为大回线内组合，其发射回线边长可达400400m或更长。划分异常较详细，勘探深度大。但对陡倾斜矿体激发不利。,瞬变电磁法勘探技术,除此之外还有双回线组合、金氏相对测量组合、小回线垂直差分组合等多种组合。 目前地面瞬变电磁法勘探多使用大回线内组合和重叠回线组合。井下基本上使用的都是多匝重叠回线组合,瞬变电磁法勘探技术,瞬变电磁法勘探技术,井下瞬变电磁施工方法,瞬变电磁法勘探技术,（六）瞬变电磁法勘探的应用实例 1、在煤矿采空区探测中的应用 我国具有上千年的煤炭开采历史，煤矿采空区成为当今国民经济建设的一大灾害。对采空区的探测研究开始于20世纪晚期，基本上以物探方法为主，经过30年左右的探索，目前在采空区探测领域比较可靠的方法包括高密度电阻率法、瞬变电磁法、可控源声频电磁法、测氡法和地震反射波法，而应用最为广泛的是瞬变电磁法。,