井下瞬變電磁施工設計
武漢地大華睿地學技術****
§1.概況
為了查明回採工作面煤層上覆地層富、導水情況，用井下瞬變電磁法進行勘探，得出頂底板岩層及回採工作面內煤層的賦水性資訊，編制回採工作面瞬變電磁勘探報告。
§1.1.物探工作範圍
本次井下瞬變電磁勘探區位工作面井下巷道內，由以下a9、a12、a32、a35四個點座標控制：
1、 a9： x = 1850.590 y = 5594.475
2、 a12： x = 2047.315 y = 5583.509
3、 a32： x = 2047.317 y = 4895.160
4、 a35： x = 1850.295 y = 4897.192
§1.2.地質任務
本次井下瞬變電磁勘探主要是為了查明回採工作面頂底板和煤層的低阻體異常及分布範圍，使用井下瞬變電磁法進行勘探，編制回採工作面瞬變電磁勘探報告，為煤礦安全生產提供科學依據。
§2. 礦井瞬變電磁法基本理論
從電性上分析不同地層的電性分布規律為：煤層電阻率值相對較高，砂岩次之，粘土岩類最低。由於煤系地層的沉積序列比較清晰，在原生地層狀態下，其導電性特徵在縱向上固定的變化規律，而在橫向上相對比較均一。
當存在構造破碎帶時，如果構造不含水，則其導電性較差，區域性電阻率值增高; 如果構造含水，由於其導電性好，相當於存在區域性低電阻率值地質體。
綜上所述，當斷層、裂隙和陷落柱等地質構造發育時，無論其含水與否，都將打破地層電性在縱向和橫向上的變化規律。這種變化規律的存在，為以岩石導電性差異為物理基礎的礦井瞬變電磁法探查提供了良好的地質條件。
瞬變電磁法或稱時間域電磁法(time domain electromagnetic methods)，簡稱tem，它是利用不接地回線或接地線源向地下發射一次脈衝電磁場，在一次脈衝電磁場間歇期間，利用不接地線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法。其基本工作方法是：於地面或井下設定通以一定波形電流的發射線圈，從而在其周圍空間產生一次磁場，並在地下導電巖礦體中產生感應電流。
斷電後，感應電流由於熱損耗而隨時間衰減。衰減過程一般分為早、中和晚期。早期的電磁場相當於頻率域中的高頻成分，衰減快，趨膚深度小; 而晚期成分則相當於頻率域中的低頻成分，衰減慢，趨膚深度大。
通過測量斷電後各個時間段的二次場隨時間變化規律，可得到不同深度的地電特徵。
3.1基本原理
在導電率為σ、導磁率為的均勻各向同性大地表面鋪設面積為s的矩形發射迴線，在迴線中供以階躍脈衝電流，
其中1）
圖1 瞬變電磁法工作原理示意圖
在電流斷開之前，發射電流在迴線周圍的大地和空間中建立起乙個穩定的磁場（如圖1所示）。在t=0時刻，將電流突然斷開，由該電流產生的磁場也立即消失。一次磁場的這一劇烈變化通過空氣和地下導電介質傳至迴線周圍的大地中，並在大地中激發出感應電流以維持發射電流斷開之前存在的磁場，使空間的磁場不會即刻消失。
由於介質的熱損耗，直到將磁場能量消耗完畢為止（見圖2）。
圖2 瞬變電磁法感應電磁場轉換原理示意圖
由於電磁場在空氣中傳播的速度比在導電介質中傳播的速度大得多，當一次電流斷開時，一次磁場的劇烈變化首先傳播到發射迴線周圍地表各點，因此，最初激發的感應電流侷限於地表。地表各處感應電流的分布也是不均勻的，在緊靠發射迴線一次磁場最強的地表處感應電流最強。隨著時間的推移，地下的感應電流便逐漸向下、向外擴散，其強度逐漸減弱，分布趨於均勻。
研究結果表明，任一時刻地下渦旋電流在地表產生的磁場可以等效為乙個水平環狀線電流的磁場。在發射電流剛關斷時，該環狀線電流緊挨發射迴線，與發射迴線具有相同的形狀。隨著時間推移，該電流環向下、向外擴散，並逐漸變形為圓電流環。
等效電流環象從發射迴線中「吹」出來的一系列「煙圈」，因此，人們將地下渦旋電流向下、向外擴散的過程形象地稱為「煙圈效應」（如圖3所示）。
「煙圈」的半徑r、深度d的表示式分別為：
2）3）
圖3 瞬變電磁場的煙圈效應
式中a為發射線圈半徑。發射線圈半徑相對於「煙圈」半徑很小時， 「煙圈」將沿傾斜錐面擴散，其向下傳播的速度為：
4）從「煙圈效應」的觀點看，早期瞬變電磁場是由近地表的感應電流產生的，反映淺部電性分布；晚期瞬變電磁場隨時間的變化規律，可以探測大地電性的垂向變化。
3.2 礦井瞬變電磁法
礦井瞬變電磁法與地面瞬變電磁法一樣,採用儀器和測量資料的各種裝置形式類似。由於礦井瞬變電磁法勘探環境的限制,測量線圈大小有限,其勘探深度不如地面深,一般深度在200m 左右。地面瞬變電磁法為半空間瞬變響應,這種瞬變響應來自於地表以下半空間地層;而礦井瞬變電磁法為全空間瞬變響應,這種瞬變響應是來自於迴線平面上下(或兩側) 地層,對確定異常體的位置帶來困難。
實際資料解釋中,必須結合具體地質和水文地質情況綜合分析。總結起來，礦井瞬變電磁法與地面瞬變電磁法相比具有以下幾個方面的特點:
1）由於井下測量環境不同與地表，不可能採用地表測量時的大線圈（邊長大於50m）裝置，只能採用邊長小於2m的多匝小線框，因此與地面瞬變電磁法相比具有資料採集工作量小，測量裝置輕便，工作效率高，成本低等優點；
2 ）由於採用小線圈測量，點距更密（一般為2～20m），降低體積效應的影響，提高勘探解析度，特別是橫向解析度；
3）井下測量裝置距離異常體更近，大大提高測量訊號的訊雜比，實際測量結果說明，井下測量訊號的強度比地面同樣有效面積的相同裝置測量的訊號強10～100倍。地面測量訊號在衰減到一定時間段（一般小於15毫秒）就被干擾訊號覆蓋，無法識別有用異常訊號；而本次所使用的瞬變電磁儀是大電流（50a）供電，從而有效地壓制干擾，視窗時間達到150毫秒，使得有效勘探深度達到200m。
4）地面瞬變電磁法勘探一般只能將線圈平置於地面測量，而井下瞬變電磁法可以將線圈置於巷道底板測量，探測巷道底板下一定深度內含水異常體垂向和橫向發育規律，也可以將線圈直立於巷道內，當線圈面平行巷道掘進前方，可進行超前探測；當線圈面平行或以某一角度面向於巷道側面煤層，可探測工作面內和頂、底板一定範圍內含水低阻異常體的發育規律。
5）由於瞬變電磁法關斷時間的影響，與其它物探方法相比，無法探測到更淺部的異常體（淺部15m左右）。同時對於其他礦井物探方法無法施工的巷道（巷道長度有限或巷道掘進迎頭超前探測等），可採用測量裝置小、輕便的礦井瞬變電磁法探測。
6）礦井瞬變電磁法勘探從資料採集、資料處理、成圖和定量解釋工作均可在微機上實現，無須手工作業，因此，礦井瞬變電磁法勘探是一高自動化程度的勘探系統。
§3 井下瞬變電磁技術的裝置方式及工作方法
§3.1 裝置方式
井下瞬變電磁勘探在巷道內進行，一般利用多匝小線圈，採用重疊迴線裝置方式進行發射和接收。
§3.2 井下工作方法
施工時，依次按不同角度對巷道周圍或工作面內頂底板岩層進行多個方向（如探測方向與水平夾角分別為90o、67.5o、45o、22.5o和0 o）探測，就可以得出頂、底板岩層縱深和平面各方向的賦水性資訊。
α=22.5 o β=45 o γ=67.5 o
圖4 井下施工（頂板）線框擺放角度示意圖
α=22.5 o β=45 o γ=67.5 o
圖5 井下施工（底板）線框擺放角度示意圖
α=22.5 o β=45 o γ=67.5 o
圖6 井下施工（頂板）方法示意圖
α=22.5 o β=45 o γ=67.5 o
圖7 井下施工（底板）方法示意圖
§4 儀器及工作引數
（大功率）組合實現。
該系統的主要的特點：
1) 輕便瞬變電磁儀發射系統；
2) 採用大電流（50a）小線圈(1.5公尺)工作方式；
3) 視窗時間達到150毫秒，使得最大探測距離可達到200m ；
4) 大功率發射電流，從而有效地壓制干擾；
5) 保愚性與安全性好；多重的抗干擾技術；
6) 工控機作主控機和windows操作平台；取樣率高；
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