纳米瞬变电磁

纳米瞬变电磁（精选十篇）

纳米瞬变电磁 篇1

纳米瞬变电磁法探测浅部断层效果很好, 可以更准确探测到断层的位置、倾角和宽度。激发极化法可以评价断层富水性, 但是该方法装置笨重, 在山区探测效率低, 很难大规模开展工作, 只能在小范围进行详测。三种方法的联合使用可以发挥三种方法的优点, 快速准确的查明断层, 并评价断层富水性。

1 概况

1.1 工程概况

小浪底北岸灌区位于济源市和焦作市, 灌溉面积74.6万亩。一期工程年均引水量为1.45亿m3, 由总干渠、一干渠和输水线路组成, 总干渠长17.917 km, 11号隧洞是总干渠包含的12条隧洞之一, F29断层与11号隧洞相交, 给施工带来了极大的安全隐患。需要查明F29断层的位置、规模和产状, 确定F29断层上盘是否有承压水。

1.2 地形地貌

29号断层所在区为单斜构造, 属王屋山余脉。地貌单元属基岩丘陵, 地面高程250 m~420 m, 高差50 m~100 m。山体以基岩为主, 出露基岩破碎。地表多黄土, 厚度几米至几十米不等, 植被发育。河谷呈“V”字形, 沟底多为坡积物覆盖, 常有泉水。

1.3 地质简况

29号断层为正断层, 推测走向325°, 倾角76°, 倾向东北, 断层带宽度5 m~20 m, 北侧与F59断层相交, 南侧与F52断层相交。断层上盘发育有大量的塌滑体。

依据钻孔资料, 探测深度内的地层岩性主要为砂岩和泥岩, 覆盖层为黄土状粉质壤土。

1.4 地球物理特征

分析探测结果:地层由上到下电阻率具有逐渐增大的特征, 对原始数据统计后得出, 基岩电阻率值为80Ω·m~220Ω·m, 本区的地下水位较浅, 断层破碎带充水后表现为条带状低阻体, 破碎带电阻率最小为25Ω·m;地层含水率越高, 极化率越高, 本区完整岩体极化率为1.0~1.6, 富水破碎带极化率为1.9~2.2;因此采用大地电磁法、纳米瞬变电磁探测断层, 采用激发极化法评价地层富水性具有较好的地球物理前提。

2 工作布置

顺洞轴线布置测线3, 分别用EH4、纳米瞬变电磁和激发极化法探测, 3种方法起点相同, 见图1。

2.1 大地电磁法

1) 方法原理。EH4是在大地电磁法 (AMT) 基础上发展起来的频率域电磁法, 在高频段使用人工场源作为补充, 在中、低频段仍使用天然源, 与传统大地电磁法一致, 但效率大大提高。其工作原理是基于麦克斯韦方程组完整统一的电磁场理论基础。利用天然场源或人工源, 在探测目标体地表的同时测量相互正交的电场分量和磁场分量, 然后用卡尼亚电阻率计算公式得出视电阻率。根据大地电磁场理论可知, 电磁波在大地介质中穿透深度与其频率成反比, 当地下电性结构一定时, 电磁波频率越低穿透深度越大, 能反映出深部的地电特征;电磁波频率越高, 穿透深度越小, 则能反映浅部地电特征。利用不同的频率, 可得到不同深度上的地电信息, 以达到频率测深的目的。

2) 工作布置。采用无源矢量模式, 20 m点距 (水平距离) , 20 m极距 (水平距离) 测量, 根据天然场实时强度, 中高频和低频段采用5次~20次叠加, 矢量测量方式为“十”字形布极 (见图2) 。探测时1根电极插在测点上, 另外4根以测点为中心对称布设, Ex, Hx与测线方向一致, Ey, Hy与测线方向垂直。

2.2 纳米瞬变电磁法

1) 方法原理。瞬变电磁法简称TEM, 以不接地回线通以脉冲电流, 以激励探测目的物感生二次电流, 在脉冲间隙测量二次场随时间变化的响应的一种电磁探测方法。

2) 工作布置。TEM探测使用的仪器是美国Zonge公司生产GDP-32Ⅱ纳米瞬变电磁系统 (Nano TEM) , 采用中心回线装置 (见图3) , 通过现场试验, 选用发射线圈为10 m×10 m的4匝导线, 接收线圈则采用5 m×5 m的2匝导线, 点距10 m, 发射电流4 A, 发射频率为32 Hz, 探测效果最好。

2.3 激发极化法

1) 方法原理。在人工电流场 (即一次场或激发场) 作用下, 具有不同电化学性质的岩石或裂隙水, 由于电化学作用将产生随时间变化的二次电场 (激发极化场) 。这种物理化学作用称为激发极化效应。它包括电子导体的激发极化效应和离子导体的激发极化效应。激发极化法是根据激发极化效应来解决水文地质、工程地质等问题的勘探方法。它又分为直流激发极化法 (时间域法) 和交流激发极化法 (频率域法) 。常用的电极排列有中间梯度排列、联合剖面排列、固定点电源排列、对称四极测深排列等。

2) 工作布置。为了与纳米瞬变电磁探测结果比对, 直流激发极化法也使用施龙贝格装置, 见图4。

最小AB/2为20 m, 最大AB/2为600 m, 最小MN/2为10 m, 最大MN/2为20 m, 详见表1。以铁电极作为供电电极, 不极化电极 (铅和氯化铅) 为测量电极, 使用12 V汽车电瓶加升压器作供电电源。

3 成果分析

3.1 大地电磁法

采用IMAGEM软件对预处理后的EH4数据进行反演计算, 反演后使用测量成果进行地形校正, 最终使用Surfer软件绘制电阻率—深度剖面图。

从图5中的电阻率—深度剖面图分析, 在水平距离220 m~300 m, 出现1条明显低阻条带, 低阻条带明显倾向大桩号一侧, 电阻率小于60Ω·m, 低阻区两侧的高阻区电阻率等值线明显上下错动, 小桩号一侧的高阻区电阻率120Ω·m~240Ω·m, 大桩号一侧的高阻区电阻率80Ω·m~120Ω·m, 小桩号电阻率值明显高于大桩号一侧, 推测存在1条北倾正断层, 小桩号一侧为下盘。

3.2 纳米瞬变电磁法

纳米瞬变电磁法数据采用“STEMIN”反演程序处理, 用“surfer”得到图6中的电阻率—深度剖面图, 剖面中部出现一条明显的低阻条带, 位置与3测线大地电磁法成果图中的低阻条带一致, 但更加精细, 更为精确的反映出断层的位置和倾角, 断层破碎带电阻率20Ω·m~40Ω·m, 小桩号一侧的高阻区电阻率120Ω·m~220Ω·m, 大桩号一侧的高阻区电阻率80Ω·m~160Ω·m, 小桩号电阻率值明显高于大桩号一侧, 电阻率大小关系与大地电磁法一致, 推测存在1条北倾正断层, 小桩号一侧为下盘。

3.3 激发极化法

从图7中激发极化法的电阻率—深度剖面图分析, 剖面中部出现明显的高极化区 (极化率1.9%~3.2%) , 位置、宽度均与3测线大地电磁法成果图中的低阻条带一致, 推测为富水性强的破碎带, 小桩号一侧极化率η为1.0%~1.6%, 大桩号一侧的极化率η为1.4%~1.6%, 小桩号电阻率值明显高于大桩号一侧, 极化率大小关系与大地电磁法反映的地质情况一致, 断层两侧的低极化率区域形态完整, 且越往深部极化率越低, 说明断层两侧地层富水性整体弱, 且越深富水性越弱, 未发现承压水迹象。地质解释见图8。

4 结语

经钻孔YZK01光学成像验证, 采用EH4、纳米瞬变电磁法和激发极化联合探测F29断层位置, 产状准确, 抽水试验结果与激发极化法推测富水性一致。说明用这三种方法探测山区断层并评价富水性的做法可行。纳米瞬变电磁法在浅层的工程探测应用中效果是比较显著的, 通过现场试验发现用小线框大电流可以有效提高探测深度。

参考文献

[1]何继善.可控源音频大地电磁法[M].长沙:中南工业大学出版社, 1989.

[2]石昆法.可控源音频大地电磁法理论与应用[M].北京:科学出版社, 1999.

实验报告 (瞬变电磁法) 篇2

实 验 报 告

专业：勘察技术与工程

学号：060231 33

姓名：郭猛猛

瞬变电磁法野外数据采集



一、实验目的

1.掌握瞬变电磁法的工作布置及观测方法；

2.了解瞬变电磁法法在良导体或高阻体上的视电阻率异常特征。

二、实验器材

瞬变电磁仪一台，电源一个，多匝线框两个

三、实验原理

瞬变电磁法称时间域电磁法 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磁场,在一次脉冲磁场间歇期间,利用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:于地面或空中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电磁场,并在地下导电岩矿体中产生感应电流,断电后感应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。

瞬变电磁仪的观测系统采用宽频带观测方式。因此，为了压制随

机干扰，提高信噪比，采用多次叠加技术。瞬变电磁法的探测深度除与介质导电性以及发射磁矩有关外，还与时窗选择有关。一般来说，中心频率越低，其时窗越往晚期方向伸延，这虽然有利于晚期信号 的观测，从而有利于对深部信息的采集，但由于早期信号观测不足导致浅部信息大量丢失。反之，中心频率越高其时窗向早期方向伸延这有利于对浅部信息的采集，但由于时窗的限制，其有效勘查深度亦受到限制。因此，在工作中根据具体的地质，地球物理条件，选择适当的中心频率是非常重要的。

对于重叠回线装置，在均匀半空间条件下，其感应电动势为：

由式可见V与t有着复杂的关系。在剖面测量中，基本的测量参数就是用发射电流归一的感应电动势值：V/I。

四、实验内容

在校园内找一片空旷的地方进行瞬变电磁法的模拟实验。

五、实验步骤

(1)按要求进行连接并经指导教师检查无误后方可开机；(2)开通主机，选择预置工作参数；

(3)按“采样”键开始测量，测量结束后返回主菜单，重新设置测点测线(其它设置不变)；

纳米瞬变电磁 篇3

关键词：矿井瞬变电磁 物理模拟实验 纵向响应特征

1 概述

近年来，凭借自身在探测方向性强、体积效应小、横向分辨率高等方面的优势，矿井瞬变电磁法得到快速的发展，并且广泛应用到矿井工作面、巷道超前探测、回采面顶底板等方面[1]。在探查矿井内隐伏的含水断层、导水通道，以及岩溶陷落柱效果方面，矿井瞬变电磁法勘探技术特别明显，在一定程度上能够为煤矿巷道开挖和工作面回采快速准确地提供相应的地质水文资料。

2 矿井瞬变电磁原理

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感应涡流场，从而探测介质电阻率的一种方法。借助所接收的瞬变电磁信号对其变化情况展开分析，以便掌握沿地层介质探测方向的变化规律[2，3]。矿井瞬变电磁法适用于采深几百米的煤层或岩层巷道。除此之外，它与地面瞬变电磁的工作原理无明显差异。在煤、岩巷道内使用矿井瞬变电磁法时，必须使用边长小于3m的多匝小回线装置，要在狭窄的巷道内使用大回线探测装置总归不现实。[2，6]此外，矿井瞬变电磁法采用来自于回线平面上下（或两侧） 地层的全空间瞬变响应，我们通常称之为烟圈效应。[4，5]这也是该模式不同于半空间地层响应的地面瞬变电磁法的一大特点。地面瞬变电磁法从地表以下的半空间地层接收响应，详见图1。另外，鉴于矿井顺便电磁法是从巷道周围空间有效探测范围内所有介质岩层接收电性特征的综合响应来形成感应电动势，矿井瞬变电磁法全空间岩层电性特征的综合响应——视电阻率，须按以下公式计算：

ρτ=B×C■（■）■=B×C×6.32×10-12×（S×N）■×（s×n）■×（V/I）■×t■（1）

其中：

■

3 矿井瞬变电磁法物理模拟实验设计

在野外环境进行电磁法勘探，可通过物理模拟实验了解电磁响应特征。处于野外环境中的岩（矿）石的质地和性质会有很大的变化，研究者无法通过数字解析式来表示目的物的响应。研究者借助性能卓越的电子计算机使用了有限元、有限差分等近似数值解法，的确扩大了解析范围，但是不可否认还有一部分问题无法解决。此外，所得近似解因缺少一套严格的解析解进行对比，研究者不得不对所得近似解进行物力模拟[4，5]来检验其近似程度和准确性。

物理模型及线圈参数设计。水平层状矿井是比较典型的研究案例。处于顶板与底板之间的煤层就相当于高电阻率介质。掘进巷道设在煤层之中（详见图2）。采煤工作面掘进巷道断面通常高2～4m，宽约3～5m。探测者此次针对综掘面顶（底）板处高发型水害的瞬变电磁响应特征进行物理模拟。因此，假设顶底板和煤层的电阻率相同，即巷道处于均匀全空间介质中。

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图2 矿井地质模型示意图

进行模拟实验时，用铜棒对柱状低阻异常情况（如含水陷落柱、直立导水通道等）进行模拟；用紫铜板对片状低阻异常情况（如富水裂隙、断层等）进行模拟；用以模拟围岩介质的黄沙必须是含不同盐水成分的黄沙。在实验中，应基于线圈发射功率及相似性原则选择适合物理模拟实验的线圈组合。绕制接收线圈的漆包线直径0.1mm；绕制发射线圈的漆包线直径0.15mm，用等边矩形塑料框架作回线支架，并且采用重叠回线式线圈组合装置进行物理模拟。表1给出了具体参数。

4 纵向多个异常响应模拟实验

纵向多个异常响应模拟实验是针对井下瞬变电磁法沿探测深度方向存在的多个低阻体影响或浅层存在的低阻屏蔽影响情形下的异常响应特征开展模拟试验。两铜棒沿探测深度方向呈不同距离分布时的响应特征模拟实验规划详见图3。在图中，铜棒1与测线相距10cm（即d=10cm）。铜棒2到铜棒1之间的距离r设定为四种情形，即r=0、r=5、r=10、r=20，使两铜棒在同一条垂直于测线的直线上同侧移动，并且两铜棒也和回线同处于一平面上。探测方向存在浅层低阻屏蔽的异常响应特征模拟实验见图4。图中，铜棒1紧邻铜板靠在其后，铜板到测线的水平距离d为5cm，铜板与铜棒之间的连线垂直于测线。图5所示感应电位多测道剖面图与图3的实验对应，图6所示感应电位多测道剖面图与图4实验对应。通过算术坐标显示横轴来表示测点，测点之间相距5cm；通过对数坐标显示纵轴来表示感应电位（即感应电动势与感应电流的比值），单位uV。

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图3 双铜棒在探测深度方向上的响应特征模拟实验设计示意图

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图 4 探测方向存在低阻屏蔽的异常响应特征模拟实验设计示意图

由图5得知，所有感应电位剖面曲线均为“拱形”，各曲线的变化情况以及感应电位幅值极为相似，由此可推断，其瞬变电磁响应基本一致。其中，图（a）为铜棒1所对应的感应电位曲线，感应电位极大值大值为3.0×103uV；相较于图（a）来说，图（b）所示铜棒1与铜棒2共同呈现的曲线变化情况，除了电位最大值有增大的趋势以外，其他部分变化不明显。而且图（c）、（d）、（e）、（f）的曲线变化趋势也基本类似于图（b）。也就是说，最终的响应结果与铜棒2之间不存在必然的联系。由此初步判定，探测装置在铜棒1所产生的低阻屏蔽效应的影响下无法对铜棒2的感应场作出明显的响应。

基于上述结论对图6进行分析。其中，（a）不放铜棒时感应点位曲线所呈现的形态及变化情况基本类似于图（b）放铜棒时的情况，并且二者的感应电位极大值近似。这表明，浅层有铜板存在时，深层的铜棒基本不影响瞬变电磁响应。

基于瞬变电磁理论和电磁感应原理作进一步探索[7-10]：假设矿井瞬变电磁法探测进程中存在浅层存在低阻薄层或其他良导体影响探测方向及探测深度，探测天线所产生的一次电磁场从浅层低阻体穿过时，仅有少量一次电磁波能量透射或反射出去，余下的则以热损耗的形式衰减。一次透射电磁波从浅层低阻穿过时能量明显弱化，当其达到浅层低阻背后深层低阻体时所呈现的二次感应场也是相当弱的。由浅层低阻体产生的二次场源固然能激发深层低阻的二次感应，但在良导体之间反复振荡消失的这部分电磁波能量就无法穿越浅层低阻体返回接受天线，这是深层低阻体的响应特征无法通过感应电位剖面图得出观测结果的主要原因。

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5 结论

本文基于沿探测深度方向上的矿井瞬变电磁法在受多个低阻体影响或浅层存在低阻屏蔽影响时所呈现的异常响应特征实施了物理模拟实验，结论如下：

①实施矿井瞬变电磁探测的过程中，假设若干个物性参数基本一致的低阻体分布于深度的方向上，浅层低阻体屏蔽深部低阻体的瞬变电磁响应而使之被掩盖或被压制，则在感应电位多测道剖面图中会呈现单一低阻体的响应形态及规律。②实施矿井瞬变电磁探测的过程中，假设低阻薄层分布于围岩表层产生屏蔽效应，会弱化隐伏于低阻干扰体背后的目标异常响应，并可能使之不易分辨。

在这种情况下，要求探测人员对测深频率、天线组合类型进行调整，细致分析该区域的地质水文、钻探、物探等情况，或借助其他办法进行进一步验证，由此获得比较客观的地质结果，从而确保探测结果科学实用。

参考文献：

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[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，2005.

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

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[10]杨海燕.矿用多匝小回线源瞬变电磁场数值模拟与分布规律研究[D].中国矿业大学，2009.

矿用瞬变电磁仪 篇4

天地 (常州) 自动化股份有限公司和中国矿业大学合作, 成功研制推出了独具特色的轻便、大功率发射、用于深部地质勘探的矿用瞬变电磁仪。该仪器采用非接触式、多匝小回线天线装置, 可在有限的巷道空间内进行全方位的测量, 观测方式灵活多变, 具有施工效率高的特点。该仪器主要应用领域: (1) 巷道掘进工作面前方的突水构造预测; (2) 顶、底板煤岩层内部富水异常区勘查; (3) 陷落柱等水文地质问题勘查; (4) 采空区及废弃的充水小煤窑水的突水水源勘查; (5) 板采矿扰动诱发的导水破裂带导通勘查。

纳米瞬变电磁 篇5

一 总 则

第一条 为贯彻落实安徽省政府安委会办公室皖安办明电„2013‟12号文件和《安徽省煤矿防治水与水资源化利用管理办法》（皖经信煤炭„2013‟128号）规定要求，根据《煤矿防治水规定》和公司《关于淮北矿业水文物探队伍建设及物探装备配臵的通知》（淮矿地测﹝2013﹞235号）文件的相关规定，有效防范陷落柱水害事故，特制定本办法。

第二条 矿井应坚持“物探超前、递进掩护；有掘必探、有疑必钻”的陷落柱水害防治原则，严格落实“三级水害隐患筛查”防范措施，提高地质预报的时效性和准确性。

第三条 矿井应根据采掘计划，制定超前物探计划，超前安排物探查疑、钻探验证及注浆加固工作，保证矿井生产正常接替。第四条 超前物探的范围：井下所有煤岩巷掘进工作面（沿空送巷、6（10）煤保护区范围除外）。

第五条 加强物探作业人员培训。物探仪器生产厂家派驻2名技术人员对试用矿井所有物探作业人员进行培训，采取地面集中轮训和井下现场操作实训的方式。培训由矿总工程师负责组织，培训内容包括：陷落柱的形成机理、赋存形态、对矿井安全生产的危害、突水前兆和基本防治方法等；瞬变电磁勘探基本原理、仪器操作、现场数据采集、数据处理与资料解释和典型探测案例等。确保参训人员能了解陷落柱的形成机理，充分认识到陷落柱对矿

井安全生产的危害及探查与防治的重要性，能够熟练操作仪器进行现场数据采集，正确进行数据处理与资料解释，并能够解决探测过程中的常见问题。

二 组织领导

第六条 公司总工程师是物探工作的分管领导，地测处是物探工作的业务主管部门，负责组织物探技术的考察与引进推广，负责物探仪器的选型和分配，负责组织物探工作的检查和考核。

第七条 矿井成立物探工作领导小组和物探工作小组。矿井物探工作领导小组：矿应成立由矿长任组长，矿总工程师任副组长，地测副总工程师负责日常工作的的瞬变电磁仪试用工作领导小组，按淮矿地测[2013]235号文要求，落实试用地点、人员配备与培训，建立岗位责任制和工作程序，制定瞬变电磁仪试用实施计划，并严格落实。

物探工作小组：由矿总工程师任组长，地测、掘进副总工程师任副组长，地质（副）科长、生产技术科长、生产技术科分管掘进技术负责人、水文物探技术员、地质技术人员、掘进区队负责人为成员。负责每月制定工作计划、按计划完成物探工作、及时分析解释物探数据、及时发放物探成果通知书、管理与维护物探仪器、管理物探成果资料、每月进行一次物探工作总结与对比分析、对物探技术的引进和仪器选型提出建议意见。物探工作组成员应相对稳定。

第八条 矿井应根据井型配备至少2名专（兼）职物探技术人员；采掘区长为物探具体实施主要负责人，负责现场物探环境 的准备，监督探测实施情况，区队跟带班干部负责现场数据采集，物探作业人员不得随意调整。承担瞬变电磁仪试用工作的掘进区队，应重新修订掘进正规循环作业图表，将超前物探纳入开工准备的内容，并制定补充安全技术措施，经审批后执行。

第九条 物探作业人员必须按第五条规定经过培训后才能上岗，且每年要进行至少一次物探学习培训。各矿地测副总程师、分管地质副科长、水文物探及地质技术员、区队管技人员均要掌握物探技术。

第十条 物探工作组到井下探测采集数据时，应提前通知施工队,施工队应按物探所要求的现场环境进行准备,施工队现场作业人员必须无条件配合，以减少干扰信号；现场施工队的跟班队干负责落实人员清理物探点的浮渣浮矸和其它干扰物质。

三 物探管理流程

第十一条 掘进工作面按照循环超前探查的方式进行超前物探，管理流程为：申报→物探→资料上报→具体分析→制定方案→反馈。即各采掘区队依据上次物探距离和本队施工进度，在确保物探超前距30m的前提下，申报物探工程。申报后到地测科领取物探仪器，现场具体实施物探工程，现场根据仪器显示的物探结果，判断前方异常体的位臵，初步确定巷道正常施工、暂停再探等处臵方案，再提交物探成果，交回物探仪器。地测科根据上报的物探资料，具体分析、资料管理和必要时进一步的处理解释（对不能排除的疑点联系地测处物探科安排复查、复验），制定方案。各采掘区队收集井下现场物探段施工的具体情况，并反馈

地测科，由地测科存档入库。

第十二条 物探的频次，岩巷每周进行一次超前物探，煤巷根据施工进度安排，不少于每周一次。物探仪器试用期间为提高物探仪器效能、工作效率和测试的准确度，加强物探作业人员培训，按照每天一次进行物探测试，测试结果要与常规仪器测试成果对比分析，结果不一致的要分析原因，并提出改进措施。

四 现场数据采集

第十三条 每次采集数据前，必须提前足够的时间对仪器进行充电；检查仪器及其附件的完好情况，发现问题应及时处理；明确仪器及其附件搬运分工；明确探测目的和方法。

第十四条 工作组到达现场后，由现场负责人向小组成员详细介绍施测方法，明确现场人员分工。

第十五条 探测前，应将迎头附近的浮渣浮矸清理干净，综掘机等大型金属设备退后迎头不少于10m，机电运输设备停电、排除积水等，做好现场地质及干扰因素描述记录，控制探测点位臵。

第十六条 按照现场确定的施测方法初步设臵采样频率、采样道数、时间等仪器参数，按照设计方向进行探测，并做好现场记录。

第十七条 现场采样前，要对底板进行采样试验，获取无金属干扰原始数据2组，作为后期数据处理时进行U型钢等金属干扰校正的背景值。

第十八条 掘进工作面必须先物探后掘进，并保持30m的物

探超前距，严格执行允许掘进通知单制度。每次物探后在探测点附近设臵物探标记线，设立物探管理牌板，严格掌握掘进进度，现场物探管理牌板、调度进尺台帐、掘进队进尺台帐和地测部门的物探工作台帐必须实现“四统一”。物探牌板悬挂在指定位臵，由区队负责管理，每次物探结束后，由物探操作员在该牌板上用醒目字体标明“由此向里允许掘进×m” 进行下次物探，施工区队按照安全距离进行施工，严禁超掘。

物探结束后，24小时内提交物探报告并经地测副总、总工程师审批，确保巷道前方无水害威胁，方可安全掘进。

第十九条 预计掘进工作面邻近相邻巷道已揭露的地质构造或地质异常时,应提前采用物探进行超前探测,并作好分析验证工作。

五 仪器管理与维护

第二十条 物探仪器是精密电子仪器，每一台物探仪必须明确一名物探工作组成员负责保管，不用时存放于仪器柜中。

第二十一条 不得野蛮搬运物探仪器，因搬运或操作不当,造成损坏物探仪器的，视情节轻重由矿确定赔偿比例。

第二十二条 现场探测操作时，必须爱护仪器和电线电缆。电线电缆铺设要规范，不能打结成团，注意敲帮问顶，避免浮矸砸伤人和砸坏仪器设备。

第二十三条 现场采集结束，仪器交回地测科前，保管人员必须将仪器、电线电缆擦拭干净，检查电线电缆有无破损。

第二十四条 每季度要在地面对物探仪器进行一次性能检

测，如果发现物探仪器有故障，必须查找原因，进行处理。如果不能处理，及时报告并联系厂家进行修理。

六 物探资料管理

第二十五条 现场物探采集完成后，应在8小时内将物探仪采集的数据传输到办公室电脑内，采用专门的计算机硬盘目录进行管理，一种仪器数据单独存放一个目录，目录名：“XX物探仪现场采集数据”。矿井应按照巷道分类或者探测目的建立子目录。

第二十六条 经地质部门研究后确定采用的物探分析成果资料必须建立一个专门的计算机硬盘目录进行管理，目录名：“XX物探仪分析成果资料”。各矿还应按照巷道分类或者探测目的建立子目录。

第二十七条 个人分析的物探阶段资料，必须每人单独建立一个计算机硬盘目录进行管理，各存各的目录，目录名：“XX物探仪XXX人分析资料”。

第二十八条 计算机内存放的物探采集数据、成果资料、个人中间分析资料达到一定量后，必须及时刻录光盘保存。每年至少刻录光盘一张。

第二十九条 每一个地点的物探分析成果资料至少保存纸质原件一份，集中保存。必须经主要分析人、地质技术负责人、地测科长、地测副总、总工程师审签。

第三十条 矿井应采用统一的《物探成果通知书》格式，《物探成果通知书》必须经主要分析人、地质技术负责人、地测科科长、地测副总工程师、总工程师审签。

第三十一条 物探探测后，必须在24小时内发放《物探成果通知书》。探测到危及安全的隐患时，必须先停止采掘活动，出井后立即分析解释、发放《物探成果通知书》。

第三十二条 每一个采区必须选择已知情况进行条件试验。包括穿层探测试验、顺层探测试验、可采煤层顺层探测试验。试验数据集中保存到“XX物探仪条件试验资料”目录中。矿井还应按照巷道分类或者试验目的建立子目录。

第三十三条 物探成果有其它实测资料或者钻探资料印证，有地质综合分析成果时，则发放《地质预报通知书》，不再发放《物探成果预报书》。

七 物探资料分析总结

第三十四条 每次现场物探完成后，必须在8小时内，利用专门的处理软件进行资料解释分析，形成物探成果。

第三十五条 物探解释分析应先由两个技术人员分别独立进行，然后再一起研究，形成基本一致的物探成果。

第三十六条 矿井每月至少召开一次物探工作总结会，总结前期的工作，研究和解决工作中存在的问题，制订或调整物探总体规划和实施计划。

八 责任与奖罚

第三十七条 矿井各施工单位要高度重视物探工作，由各单位主要负责人负责此项工作，若发现故意拖延、阻挠物探工作，每发现一次罚区队2000元，负责人500元，主管队长500元，跟班队长200元。

第三十八条 在物探施工中，各相关区队必须做好配合工作，因私自开动绞车或工作面机电设备造成物探仪器损坏的照价赔偿，并视情节严重给予500-5000元罚款。

第三十九条 出现弄虚作假现象，每发现一次对责任人罚款200元。

第四十条 在煤岩巷工作面允许掘进范围内施工，不准超掘，每超掘1m，对施工区队处以2000元罚款，超掘距离为无效进尺。

纳米瞬变电磁 篇6

【关键词】富水区；煤层采空区积水；顺层切片

煤层附近的富水区及煤层采空区积水严重威胁着煤矿的安全生产，矿井水灾已成为仅次于瓦斯的煤矿第二大灾害。为了保证煤层的安全开采，在煤层开采之前对煤矿的拟开采区进行水文物探勘查工作，查明煤层顶板、底板围岩的富水情况，采空区积水情况和主要断层、陷落柱构造的富水性及导水性具有十分重要的意义。

1.理论基础

1.1瞬变电磁勘探的基本原理。瞬变电磁法也称时间域电磁法（Timedomainelectromagneticmethods），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磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。简单地说，瞬变电磁法的基本原理就是电磁感应定律。瞬变电磁法发射的瞬态过程及信号向下传递如图1、图2。磁变电磁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。由于是在没有一次场背景的情形下观测纯二次场异常，因而异常更直接、探测效果更明显、原始数据的保真度更高。

掘进巷道水害井下瞬变电磁超前探测 篇7

矿井瞬变电磁法是近年来发展起来的在煤矿井下巷道内探查其周围空间不同位置, 不同形态含水构造的矿井物探方法之一, 其凭借体积效应小、方向性强、分辨率高、对低阻区敏感等一些优点, 已成为煤矿水害探测的最佳选择方法[1]。

祈南矿断层的力学性质多数为压性, 属于阻水断层。根据14-18孔和补22-3孔对F8断层 (正断层) 和F9断层 (正断层) 抽水试验, q=0.0007~0.0005l/s.m, K=0.00299~0.000208m/d。说明自然状态下断层的导水性较差, 富水性弱。从多处揭露断层的情况看, 断层中部仅以断层面的形式存在, 而未形成破碎带, 并且断层附近挤压、扭动痕迹明显是正断层不导水的主要原因之一。

1 施工技术及测点布置

超前探测主要是在掘进巷道迎头利用直接或间接的方法向巷道掘进方向进行探测, 探测前方是否存在地质构造或富水体及导水通道, 为巷道的安全掘进提供详细的地质资料。祈南矿在掘进过程中利用瞬变电磁法对掘进头前方进行探测。

由于受巷道迎头空间的限制, 矿井瞬变电磁法的发射和接收线圈的几何尺寸受到的一定的制约, 只能采用多匝小回线的发射和接收装置形式, 即边长为2~3 m。测点布置在巷道迎头空间位置, 即从巷道迎头左侧开始, 首先使发射、接收天线的法线垂直巷道左侧面进行测量, 然后旋转天线, 使天线的法线方向与巷道的左侧形成一定夹角进行探测;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1~2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形成一定夹角进行探测, 同时调整天线的法线与巷道底板的夹角大小, 以探测巷道顶板、顺层和底板方向的围岩变化情况, 其探测方向如图1所示, 测点间距2~5m, 共布置个物理点。

2 应用实例

图2为迎头位置矿井瞬变电磁超前探测视电阻率拟断面图:横坐标在0~150之间对应巷道左侧帮, 150~250之间对应巷道迎头位置, 250~400之间对应巷道右侧帮, 纵坐标为沿探测方向距离, 单位均为m。左图为向顶板方向探测结果, 中图为顺巷道掘进方向探测结果, 右图为向前方底板探测结果。

分析顶板探测结果中视电阻率等值线变化规律可以看出, 纵坐标小于40m、横坐标在0~40范围, 对应迎头前方及两侧帮顶板范围, 视电阻率等值线横向变化差异小, 等值线分布均匀, 横向基本呈平行分布, 等值线数值大于6Ω•m, 为明显高阻反映, 说明迎头顶板对应探测范围内赋水性弱。横坐标在0~10之间和25~40之间位置、纵坐在40~125m之间范围, 对应迎头位置左右两侧帮顶板, 视电阻率等值线横向变化差异大, 纵向变化小, 视电阻率等值线值在4Ω•m左右。横坐标在15~25之间、纵坐在40~95m之间范围, 视电阻率等值线横向变化差异大, 视电阻率等值线值小于3Ω•m, 比两测帮低, 为明显低阻异常反映, 说明迎头前方顶板对应探测范围局部赋水性较强, 纵坐标在95~125m之间, 等值线数值大于4Ω•m, 说明顶板对应探测范围赋水性较弱。

分析顺掘进方向探测结果中视电阻率等值线变化规律可以看出, 纵坐标小于35m、横坐标在0~40范围, 等值线数值大于5Ω•m, 为明显高阻反映, 说明迎头前方对应探测范围内赋水性弱。纵坐标在35~70m之间, 等值线横向变化较大, 等值线数值小于3Ω•m, 为相对低阻异常反映, 特别是右侧帮反映最明显, 说明迎头右侧帮对应探测范围局部赋水裂隙发育。分析视电阻率等值线沿探测方向变化特征, 纵坐标在35m左右位置, 等值线出现明显扭曲现象, 等值线数值由高阻突然减小到低阻, 为构造发育反映, 局部赋水裂隙发育。

分析向底板探测结果, 纵坐标小于35m、横坐标在0~40范围等值线数值大于5Ω•m, 为明显高阻反映, 说明迎头前方底板对应探测范围内赋水性弱。纵坐标在35~70m之间, 等值线横向变化较大, 等值线数值小于3Ω•m, 为相对低阻异常反映, 特别是右测帮底板反映最明显, 迎头右侧帮底板对应探测范围局部赋水裂隙发育。分析视电阻率等值线沿探测方向变化特征, 纵坐标在35m左右位置等值线出现明显扭曲现象, 等值线数值由高阻突然减小到低阻, 同样为为构造发育反映, 与顺层方向探测有联系, 局部赋水裂隙发育。

3 结论

通过利用瞬变电磁法对掘进头前方进行探测, 得出如下结论:迎头位置侧帮外30m左右位置构造发育, 前方25~45m之间、顶板上15~35m之间局部富水裂隙发育, 底板赋水性相对弱, 通过综合矿井地质和水文地质资料分析, 探测准确, 具有很高的可行性。因此, 采用瞬变电磁法能够准确、快速的探测矿井巷道水害。

摘要：瞬变电磁法是矿井防治水害的主要技术手段之一, 本文介绍了瞬变电磁法的基本原理和该方法在巷道超前探测上的方法技术, 论述了矿井瞬变电磁技术在探测巷道掘进头前方水的有效性, 并结合实例证明该方法可以准确反映巷道前方地质体的空间特征, 为防治掘进巷道水害提供了依据, 很好地满足矿井巷道超前探测预报的要求。

关键词：矿井瞬变电磁法,煤矿水害,超前探测,防治水

参考文献

浅谈瞬变电磁法的发展 篇8

关键词：瞬变电磁,二次场,勘探深度

1引言

瞬变电磁法[1,2,3,5]即时间域电磁方法, 是建立在电磁感应原理基础上的时间域电磁的一种探测方法。它利用不接地回线或接地线源向地下发送一次场, 在一次场的激发下, 地下地质体中激励起的感应涡流将产生随时间变化的二次场。但是, 它不是单纯的二次场, 而是夹杂了接收线圈固有的暂态过程[6]。换言之瞬变电磁法就是通过回线中供入稳定电流产生的一次磁场, 断电后导体中产生电流的二次磁场随时间变化的衰减特性, 从而达到解决地质问题的目的。

2国内外研究进展与现状

2.1 国外研究进展与现况

瞬变电磁法在西方始于上世纪50年代, 地球物理学家在基础理论上、应用技术等方面进行深入的研究, 在通过大量实验数据结果, 50～60年代成功的完成了瞬变电磁法的一维正、反演。特别是前苏联在上世纪70～80年代开展过大规模的测量工作, 重点在在二、三维正演方面。进入80年代后, 瞬变电磁法得到了快速的发展, 前苏联学者吸取了“偏移成像”的广义概念, 提出了电磁波拟地震波的偏移方法, 此后正则偏移和解析延拓偏移两种方法也纳入了电磁法。80年代末, 前苏联在激发极化现象理论基础上, 研究了时间域瞬变电磁法的激电响应的变号现象, 更进一步拓宽了其应用空间, 在矿产勘查、油气勘探、环境调查、工程勘查、军事探测、考古探测等多方面, 得到更好的应用。20世纪中叶瞬变电磁法 (TEM) 的解释理论和野外工作方法得到了肯定之后, 瞬变电磁法才慢慢进入实用阶段。之后, 瞬变电磁法广泛应用于世界各国。

现在瞬变电磁法中的一维正、反演计算理论比较成熟, 但是二、三维问题的正、反演计算有待于进一步研究。早期西方生产的瞬变电磁仪是一种使用单一方法用的仪器, 近年来电磁阀一起趋向于集成化, 各种多功能电测系统。

直流电法作为发展最早、最成熟的方法之一, 早在1971年, Roy和Apparao就发表了有关直流电法探测深度的全面论述[7]。在时变电磁法方面, 1989年Spies发表了电磁测深方法探测深度的论文, 分别给出了频率域时谐场的趋肤深度公式和时间域瞬变场的扩散深度公式[8]。目前, 瞬变电磁 (TEM) 法的应用日趋广泛, 对其探测能力的评估已成为勘探工程设计与施工中迫切需要解决的问题。

2.2 国内研究进展与现况

我国早在20世纪70年代初就开始研究瞬变电磁法, 其中原长春地质学院的朴华荣、曾孝箴、王延良等人, 通过这项研究推出了均匀大地上空时间与电磁响应, 并将脉冲式航电以用于地质填图和找矿。1977年脉冲电磁法用于勘探良导体金属矿。脉冲电磁法于1985年用于金属矿勘探, 并取得了明显的效果。经过二十多年的努力, 结合大量的应用实例研究成果, 使得TEM在我国的应用和发展有了更一步的拓展。在我国最早在20世纪30年代就提出了瞬变电磁法 (TEM) , 到50～60年代, 成功地完成了瞬变电磁法的一维正演、一维反演, 建立了瞬变电磁法的解释理论和野外工作方法之后, 瞬变电磁法才开始进入实用阶段, 此后, 瞬变电磁法在世界范围内得到了广泛的研究和应用, 70年代初我国开始引进和研究TEM, 使其在石油勘探、地下水寻找、地热勘探引、工程勘探矿产调查等诸多领域得到了广泛的应用。

3结论

随着社会经济和城市建设的发展, 瞬变电磁法 (TEM) 是近年来国内外发展速度较快、应用效果较好的一种电磁方法, 由于其施工便利、成本低廉、工作效率高、应用效果明显等优点, 已广泛应用于金属、煤炭、地下水等矿藏勘查, 但是由于瞬变电磁法固有的技术难点, 探测盲区问题至今没有根本解决, 这有待于进一步研究。

参考文献

[1]方文藻, 李予国, 李貅.瞬变电磁测深法原理[M].西安:西北工业大学出版社, 1999

[2]李貅.瞬变电磁测深的理论与应用.西安:陕西科学技术出版社, 2002

[3]彭仲秋.瞬变电磁场.北京:高等教育出版社, 1989

[4]薛国强.论瞬变电磁测深法的探测深度.石油地球物理勘探, 2004, 39 (5) :575～578

[5]牛之琏, 1992, 时间域电磁法原理, 中南工业大学出版社。

[6]党瑞荣, 赵文涛, 任志平.瞬变电磁法中接收线圈过渡过程分析.石油仪器.2009, (23) 2

[7]Roy A Apparao A.Depth of investigation in direct current methods.Geophysics, 1971, 36 (5) :943～959

瞬变电磁勘探在煤矿防治水中的应用 篇9

关键词：瞬变电磁法,视电阻率,富水异常区

1瞬变电磁勘探原理

瞬变电磁法 (简称TEM法) 是利用不接地回线或接地电极向地下发送脉冲式一次电磁场, 用线圈或接地电极观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场的空间和时间分布, 从而解决有关地质问题的时间域电磁法[1]。瞬变电磁法的激励场源主要有两种, 一种是载流线圈或回线, 另一种是接地电极。目前, 使用较多的是回线场源。发射的电流脉冲波形主要有矩形波、三角波、和半正弦波等, 不同波形有不同的频谱, 激发的二次场频谱也不相同。

2矿区情况以及地质地球物理特征

2.1矿区基本情况

矿区行政隶属河南省偃师市, 该区总体地貌属山前缓倾平原, 南高北低, 属丘陵区。最低点为北东端, 海拔+244 m;最高点在矿区东南, 海拔+298 m, 相对高差54 m。矿区南东冲沟发育, 北部村落较密集, 属暖温带大陆性干燥季风气候, 春季干旱且多风, 夏季炎热雨量集中, 秋季晴和日照长, 冬季严寒雨雪少。本矿区属黄河流域伊河水系, 东部有马涧河流过, 南东部冲沟发育, 南中部有陆浑水库东一灌渠通过。据嵩山精勘资料, 马涧河属季节性河流, 由南向北注入伊河, 近年因雨水稀少已干涸。陆浑灌渠主要用于沿线灌溉。

2.2矿区地层

矿区均被第四系所掩盖, 矿区南部有寒武系、奥陶系裸露。现依据区内钻孔揭露和嵩山井田资料, 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) 、石炭系上统本溪组与太原组 (C2b) 、二叠系下统山西组 (P1sh) 及第四系 (Q) 。

矿区位于华北板块南部的嵩箕构造区, 属嵩山背斜北翼、嵩山断层上盘, 整体为一单斜构造。地层走向98°, 倾向8°, 倾角24°。未见构造形迹, 构造简单。

2.3矿区水文地质概况

矿区属佛光 (偃师市) -龙门 (洛阳市) 水文地质单元一部分, 区内地表没有大的自然水体, 东南部冲沟发育, 雨季有水 (暴雨时有洪水) , 旱季干涸。矿区内新近系及第四系松散层中水量丰富, 村民居住区有水井, 地表无泉水。南中部有陆浑水库东一灌渠通过, 主要用于沿线灌溉。在地表煤层露头、塌陷裂缝处及含水层出露区可对地下水进行补给。

2.4矿区地球物理特征

利用电法勘探解决地质问题的前提条件是目标地质体和围岩存在电性差异, 理论上讲, 干燥的岩石的电阻率为无穷大, 但实际上岩石孔隙、裂隙总是含水的, 并且随着岩石的湿度或者含水饱和度的增加, 电阻率急剧下降。岩层完整时其电阻率较高, 受构造运动等地质作用的影响岩层中常发育有破碎裂隙, 岩石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, 剖面图上会有明显的低阻异常反映。

测区内各地层之间 (垂向上) 均有较明显的电性差异, 正常情况下, 地层由新到老视电阻率变化规律为中低阻~高阻, 本区的地层除浅部电性差异较大外, 深部电性差异不大, 对本区资料的定量解释带来了一定的困难。含水砂层相对干燥砂层具有电阻率较低的特征;隔水的黄土层、泥岩相对下伏砂岩具有电阻率最低的特征;砂岩为相对高阻特征;煤层表现为高电阻率特征。这为该区开展电法勘探提供了地球物理前提。

测区地层电性见表1。

该矿区干燥采空区呈现高阻反应, 当采空区内积水时, 就呈现低阻反应, 电阻率值在150Ω·m左右, 并且伴随向下凹陷的台阶。正常地层的电阻率是稳定的, 当正常地层内有水存在时, 导电性增加, 电阻率值变小, 富水异常的值一般小于90Ω·m。

3结果分析

3.1正常层位视电阻率断面图分析

1880线视电阻率断面见图1。

由图1看出, 该测线在测区的中部, 图中颜色的过渡表示视电阻率值由低到高阻的变化过程。

从纵向上看, 从浅到深其视电阻率基本呈现低~高阻的电性特征。从上到下呈现逐渐增的趋势, 其值从10Ω·m到2 000Ω·m左右。图中上部为低阻反映, 主要反映了第四系粘土、亚粘土及黄土和二叠系砂岩、砂质泥岩互层, 下部高阻主要为奥陶系灰岩及寒武系灰岩的电性特征。

3.2采空区视电阻率断面图分析

1720线视电阻率断面见图2。

由图2看出, 该测线在测区的中部。从纵向上看, 从浅到深其视电阻率同样呈现由低~高阻的电性特征。从横向上看, 图中虚线椭圆位于测点1200~1420附近, 视电阻率等值线在二1煤层附近出现相对低阻异常, 其视电阻率值呈现中低状态, 推测该区采空存在积水。与矿方提供的矿井综合水文地质图提供的采空区位置大致相符。

通过对测区视电阻率断面图的分析, 不难发现, 该区范围内采空区一般呈低阻反应, 同时通过现场观察调查, 在地表下十几米的位置就能到达浅水面, 采空区同时存有积水, 所以综合推断本区采空区同时存有积水。

3.3视电阻率水平切片图分析

二1煤层顺层切片见图3。

图3中横向坐标轴, 对应的是各条测线线号, 纵向坐标轴对应的是各测线点 (桩) 号。图中颜色的过渡表示视电阻率值由低到高阻的变化过程。图中红色虚线所圈定的范围为采空区范围。该区域的视电阻率值, 同周边正常区域的视电阻率值相比, 明显较低, 推测为采空区并伴有积水。而右侧区域, 为富水异常区, 该区南部有一水库, 距离该区较近, 存在一定落差, 会对勘探区内地下水进行补给。因此, 在以后开采的过程中, 需要密切注意顶板水, 谨防对煤矿生产造成威胁。

4结论

通过本次试验工作可以发现瞬变电磁法是煤矿防治水调查的有效手段, 对煤矿安全生产具有重要意义。该方法在寻找和确定良导地层 (断层带富水、含水层的富水性、采空区以及老窑积水等) 等空间状态亦可有良好的地质效果。

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] 霍全明.瞬变电磁法在煤矿水害防治中的应用[M].西安:西北工业大学出版社, 1994.

[3] 梁爽, 李志明.瞬变电磁法在阳泉二矿探测积水采空区效果分析[J].煤田地质与勘探, 2003, 31 (4) :49-51.

[4] 张保祥, 刘春华.瞬变电磁法在地下水勘查中的应用综述[J].地球物理学进展, 2004, (3) :537-542.

[5] 孙银行.瞬变电磁资料的精细处理和解释研究[D].济南:山东科技大学, 2007.

纳米瞬变电磁 篇10

瞬变电磁系统能否探测到目标体, 不仅与目标体埋深有关, 而且还与目标体本质结构、背景大地电阻率、仪器性能、工作方式及野外环境噪声等多种参数有关。探测深度能够达到目标体深度, 不一定能分辨出目标体。仅根据趋肤深度公式进行简单推断, 则有可能导致无效施工。因此, 需要研究新方法, 全面评估瞬变电磁探测系统对目标体的探测能力。

目前, 国内外对瞬变电磁探测深度研究较多, 对目标体的分辨能力则未进行系统分析。蒋邦远结合仪器系统分辨率、大地二次场感应电压, 计算了最大探测深度[4];嵇艳鞠、栾卉等结合仪器分辨率、导电薄板的感应电压, 计算了航空瞬变电磁全波形探测的分辨率[5];周逢道、林君等结合仪器截止频率, 研究了仪器对浅层大地目标体的分辨能力[6]。以上研究都是以比较仪器分辨率与目标体感应电压的大小作为仪器对目标体分辨能力的判定依据。这导致即使探测深度能够达到目标体深度, 也有可能无法分辨出目标体, 具有一定的片面性。

笔者分析了判断瞬变电磁对目标体分辨能力的必要条件, 提出结合仪器参数、目标水体参数, 采用时域三维有限差分方法[7]计算目标水体大地二次感应电压、背景大地二次感应电压, 结合环境噪声, 计算出有效探测时间;再通过比较有效探测时间内仪器分辨率与感应电压绝对差的大小, 判断能否分辨出目标水体。采用上述方法, 以EMRS-3型地面小回线、强场源瞬变电磁仪器为例, 分析其对典型的充水陷落柱、充水巷道、含水层、充水采空区等水体的分辨能力。

1 目标体分辨原理

如图1所示, 发射线圈向大地发射一次场, 在一次场消失后, 在大地和目标体中会分别激发出二次涡流, 接收线圈中二次感应电压Vr (t) 为背景大地二次场感应电压Vg (t) 与目标体二次场感应电压Vo (t) 之和, 因此:

设接收系统分辨率为Vrs, 由式 (1) 可以看出, 只有当总感应电压与背景感应电压之差Vo (t) 大于仪器分辨率时, 仪器才可以分辨出目标体。因此, 可以分辨出目标体的必要条件之一为:

由于在实际探测中存在野外电磁干扰, 接收系统中存在系统噪声, 尽管通过叠加、滤波等处理方法可以消除一部分, 但不能完全消除。感应信号经过一定时间tv进入噪声区, 此后数据皆为无效数据。只有在有效探测时间tv内, 仪器才可能分出目标体, 这是仪器可以分辨出目标体的必要条件之二。结合式 (2) , 仪器是否可以探测到目标体的判定条件为:

2 分辨能力计算

由式 (3) 可知, 只需计算出Vr (t) 和Vg (t) , 再测算出仪器的分辨率和噪声, 即可以判断出仪器是否能分辨出待测目标体。Vr (t) 、Vg (t) 与大地的本质结构、接收系统的装置参数有关, 将模型参数代入瞬变电磁三维有限差分计算程序中, 即可计算目标体响应。仪器分辨能力计算流程见图2。

3 模型验证

在煤田开采时, 充水陷落柱、充水巷道、充水采空区、含水层等水体对煤田生产构成极大威胁。地面物探通常采用瞬变电磁方法来探测地下水体的分布情况。在此以EMRS-3型瞬变电磁仪为例, 采用上述方法, 计算该仪器对地下充水陷落柱、充水老空区、含水层、充水采空区的分辨能力。计算参数见表1。

3.1 含水陷落柱

当陷落柱充水时, 与背景大地相比电阻率为低阻, 可以采用瞬变电磁方法进行探测。采用EMRS-3型瞬变电磁仪, 对地下不同埋深含水陷落柱探测的二次场感应电压衰减曲线、衰减曲线与背景场的绝对差见图3~4。

由图4可以看出, 系统有效探测时间为800μs。在有效探测时间内, 当充水陷落柱埋深小于130 m时, 绝对误差在一段时间内大于仪器分辨率, 仪器可以探测到该充水陷落柱。当充水陷落柱埋深大于130 m时, 绝对误差在有效探测时间内都小于系统分辨率, 仪器无法探测到充水陷落柱。因此, 仪器对该参数充水陷落柱的探测深度为130 m。

3.2 含水巷道

当废弃巷道充水时, 与背景大地相比电阻率为低阻, 可采用瞬变电磁方法进行探测。采用EMRS-3型瞬变电磁仪, 对地下不同埋深充水巷道探测的二次场感应电压衰减曲线、衰减曲线与背景场的绝对差见图5~6。

由图6可以看出, 系统有效探测时间为800μs。在有效探测时间内, 当充水巷道埋深小于130 m时, 绝对误差在一段时间内大于仪器分辨率, 仪器可以探测到充水巷道。当充水巷道埋深大于130 m时, 绝对误差在有效探测时间内都小于仪器分辨率, 仪器无法探测到充水巷道。因此, 仪器对该参数充水巷道的探测深度为130 m。

3.3 含水层

与背景大地相比, 含水层电阻率为低阻, 可采用瞬变电磁方法进行探测。采用EMRS-3型瞬变电磁仪, 对地下不同埋深含水层探测的二次场感应电压衰减曲线、衰减曲线与背景场的绝对差见图7~8。

由图8可以看出, 仪器有效探测时间为800μs。在有效探测时间内, 当含水层埋深小于300 m时, 绝对误差在一段时间内大于仪器分辨率, 仪器可以探测到含水层。当含水层埋深大于300 m时, 绝对误差在有效探测时间内都小于系统分辨率, 仪器无法探测到该含水层。因此, 仪器对该参数含水层的探测深度为300 m。

3.4 含水采空区

当采空区含水时, 与背景大地相比电阻率为低阻, 可采用瞬变电磁方法进行探测。采用EMRS-3型瞬变电磁仪, 对地下不同埋深含水采空区模型探测的二次场感应电压衰减曲线、衰减曲线与背景场的绝对差见图9~10。

由图10可以看出, 仪器有效探测时间为800μs。在有效探测时间内, 当含水采空区埋深小于240 m时, 绝对误差在一段时间内大于系统分辨率, 仪器可以探测到采空区。当含水采空区埋深大于240 m时, 绝对误差在有效探测时间内都小于仪器分辨率, 仪器无法探测到该采空区。因此, 仪器对该参数含水采空区的探测深度为240 m。

4 结论

1) 采用瞬变电磁法对煤矿水害进行探测时, 结合仪器参数、目标水体物性参数、背景噪声, 采用时域三维有限差分法计算出背景大地和含目标水体大地二次场感应电压, 再通过比较有效探测时间内感应电压绝对差与仪器分辨率的大小, 可以判断出仪器是否可以探测到该目标水体。

2) 与传统方法相比, 该方法考虑了多种影响对目标水体分辨能力的参数, 避免了因仅凭探测深度片面判断仪器是否可以探测到目标水体带来的误差, 为仪器设计和实际施工提供了方法和手段。

3) 以上模型计算时未考虑仪器失真、一次场影响、外界金属干扰等可能对二次场信号产生影响的因素。瞬变电磁系统是否可以探测到目标水体, 在计算过程中需要考虑尽可能全面的参数, 提高准确率, 这是今后努力的方向。

参考文献

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