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1、武汉地大华睿地学技术有限公司井下瞬变电磁施工设计 井下瞬变电磁施工设计武汉地大华睿地学技术有限公司 目 录1.概况21.1.物探工作范围21.2.地质任务22. 矿井瞬变电磁法基本理论33. 井下瞬变电磁技术的装置方式及工作方法43.1 装置方式43.2 井下工作方法44 仪器及工作参数55.测点布置及施工方法76.井下瞬变电磁技术应用需要注意的问题86.1干扰及应对办法86.2 资料解释97. 工作安排98.主要安全质量管理措施98.1执行规范98.2质量管理措施98.3安全管理措施109.专业报告提交的主要内容1010.工程费用概算1110.1工程报价预算依据1110.2预算报价11武汉地
2、大华睿地学技术有限公司井下瞬变电磁施工设计1.概况为了查明回采工作面煤层下覆地层富、导水情况，用井下瞬变电磁法进行勘探，得出底板岩层及回采工作面内煤层的赋水性信息，编制回采工作面瞬变电磁勘探报告。1.1.物探工作范围 1.2.地质任务本次矿井瞬变电磁法探测任务：采用矿井瞬变电磁法探查技术对巷道掘进前方进行超前探测，依据探测结果和矿井水文地质资料综合分析前方80m范围、顶板斜向上80m范围和底板斜向下80m范围内含水构造发育情况，为布置探防水钻孔设计提供依据。2. 矿井瞬变电磁法基本理论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
3、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矿井瞬变电磁法探查提供了良好的地质条件。瞬变电磁法或称时间域电磁法(Time domain electromagnetic methods)，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
4、间歇期间，利用不接地线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。其基本工作方法是：于地面或井下设置通以一定波形电流的发射线圈，从而在其周围空间产生一次磁场，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。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时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。3.1基本原理在导电率为、导磁率为的均匀各向同性大地表面铺设面积为S的矩形发射回线，在回线中供以阶跃脉冲电流，其中： （1）图1 瞬变电磁法工作原理示意图
5、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）。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。由于介质的热损耗，直到将磁场能量消耗完毕为止（见图2）。图2 瞬变电磁法感应电磁场转换原理示意图由于电磁场在空气中传播的速度比在导电介质中传播的速度大得多，当一次电流断开时，一次磁场的剧烈变化首先传播到发射回线周围地表各点，因此，最初激发的感应电流局限于地表。地表各处感应电流的分布也是不均匀的，在紧靠发射
6、回线一次磁场最强的地表处感应电流最强。随着时间的推移，地下的感应电流便逐渐向下、向外扩散，其强度逐渐减弱，分布趋于均匀。研究结果表明，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。在发射电流刚关断时，该环状线电流紧挨发射回线，与发射回线具有相同的形状。随着时间推移，该电流环向下、向外扩散，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）。“烟圈”的半径r、深度d的表达式分别为： （2） （3）图3 瞬变电磁场的烟圈效应式中a为发射线圈半径。发射线圈半径相对于“烟圈
7、”半径很小时， “烟圈”将沿倾斜锥面扩散，其向下传播的速度为： （4）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。3.2 矿井瞬变电磁法矿井瞬变电磁法与地面瞬变电磁法一样,采用仪器和测量数据的各种装置形式类似。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200m 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
8、解释中,必须结合具体地质和水文地质情况综合分析。总结起来，矿井瞬变电磁法与地面瞬变电磁法相比具有以下几个方面的特点:1）由于井下测量环境不同与地表，不可能采用地表测量时的大线圈（边长大于50m）装置，只能采用边长小于2m的多匝小线框，因此与地面瞬变电磁法相比具有数据采集工作量小，测量设备轻便，工作效率高，成本低等优点；2 ）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，提高勘探分辨率，特别是横向分辨率；3）井下测量装置距离异常体更近，大大提高测量信号的信噪比，实际测量结果说明，井下测量信号的强度比地面同样有效面积的相同装置测量的信号强10100倍。地面测量信号在衰减到一定
9、时间段（一般小于15毫秒）就被干扰信号覆盖，无法识别有用异常信号；而本次所使用的瞬变电磁仪是大电流（50A）供电，从而有效地压制干扰，视窗时间达到150毫秒，使得有效勘探深度达到200m。4）地面瞬变电磁法勘探一般只能将线圈平置于地面测量，而井下瞬变电磁法可以将线圈置于巷道底板测量，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，当线圈面平行巷道掘进前方，可进行超前探测；当线圈面平行或以某一角度面向于巷道侧面煤层，可探测工作面内和顶、底板一定范围内含水低阻异常体的发育规律。5）由于瞬变电磁法关断时间的影响，与其它物探方法相比，无法探测到更浅部的异常体（浅部15m
10、左右）。同时对于其他矿井物探方法无法施工的巷道（巷道长度有限或巷道掘进迎头超前探测等），可采用测量装置小、轻便的矿井瞬变电磁法探测。6）矿井瞬变电磁法勘探从数据采集、资料处理、成图和定量解释工作均可在微机上实现，无须手工作业，因此，矿井瞬变电磁法勘探是一高自动化程度的勘探系统。3 井下瞬变电磁技术的装置方式及工作方法 3.1 装置方式井下瞬变电磁勘探在巷道内进行，一般利用多匝小线圈，采用重叠回线装置方式进行发射和接收。 3.2 井下工作方法施工时，依次按不同角度对巷道周围或工作面内底板岩层进行多个方向（如探测方向与水平夹角分别为90O、67.5O、45O、22.5O和0 O）探测，就可以得出底
11、板岩层纵深和平面各方向的赋水性信息。图4 井下施工（底板）线框摆放角度示意4 仪器及工作参数现场仪器拟使用武汉地大华睿地学技术有限公司生产的TEMHZ75矿用瞬变电磁仪和TEMJF50矿用隔爆兼本安型发射机（大功率）组合实现。该系统的主要的特点：1) 轻便瞬变电磁仪发射系统；2) 采用大电流（50A）小线圈(1.5米)工作方式；3) 视窗时间达到150毫秒，使得最大探测距离可达到200m ；4) 大功率发射电流，从而有效地压制干扰；5) 保愚性与安全性好；多重的抗干扰技术；6) 工控机作主控机和Windows操作平台；采样率高；7) 先进的解释软件系统。图5 仪器技术参数（1）图6 仪器技术参
12、数（2）5.测点布置每次超前探布置基本测线3条，每条测线13个测点，总计39个物理点。6. 井下瞬变电磁技术应用中需要注意的问题6.1 干扰及应对办法瞬变电磁技术具有分辨率高的优点，但易受金属体干扰。井下探测时，施工巷道内应清理干净，电缆尽可能断电。发射线圈和接收线圈尽量远离金属体。对于铁轨、皮带架、刮扳机等长条型无法移动的金属物，尽可能使发射线圈和接收线圈与它们保持固定的方位和距离。总之要尽可能创造有利的探测环境，保障探测效果。要求：1） 巷道具有10m以上长度。2） 巷道迎头向后15m左右范围无大型金属机械（综掘机械、扒矸机械、钻机、水泵和堆积其它金属体等，有金属支护没有关系），巷道迎头范
13、围有2m以上高度，通风正常。3） 探测期间迎头位置严禁放炮和炮孔内有雷管、炸药。4） 探测期间尽可能希望矿方配合对巷道附近进行停电处理，探测时间一小时左右结束。6.2 资料解释井下瞬变电磁技术属全空间范畴需用全空间软件进行处理和解释。处理过程与地面瞬变电磁资料处理过程基本一致。7.工作安排井下具体探测时间由甲方确定，提前2两天通知乙方，乙方完成井下数据采集工作后，当日内提交初步成果，同时配合矿上物探部门，做出探防水钻孔设计方案。3日内提交成果报告四份，探测赋水区平面分布图和瞬变电磁解释图件（包括电子版）。8.主要安全质量管理措施8.1执行规范整个工作将严格执行下列规范：1、煤田电法规范，国家煤
14、炭工业局1998（262号）年颁布。2、煤炭资源勘探工程测量规程，1987年煤炭工业部颁布。8.2质量管理措施1、施工时依据勘查设计进行施工，并根据三边工作对设计进行调整和修改。2、实行操作员现场负责制，操作员对质量直接负责。坚持不合格记录及时补测，检查点在全区分布，对异常地段、可疑点、突变点重点检查，保证现场数据采集质量。3、项目组坚持到施工现场，协助操作员及时处理好现场出现的问题，以保证无人为因素影响记录质量。8.3安全管理措施1、建立以项目经理为首的安全领导小组，并设安全监督员。2、定期开安全生产会议，提高每位员工的安全意识。9.专业报告提交的主要内容A、文字报告一本。B、超前探测线视电阻率剖面图（斜向上，顺层和斜向下三个方向） 9
