●地下瞬变电磁法

 
  ---- ----  日期:[2016年4月5日]
 
 

瞬变电磁法除具有穿透高阻层能力强及随机干扰影响小等优点外,该法还明显地具有:(1)断电后观测纯二次场,可以进行近区观测,减少旁测影响,增强电性分辨能力;(2)可用加大发射功率的方法增强二次场,提高信噪比,从而增加勘探深度;(3)通过多次脉冲激发,场的重复测量叠加和空间域拟地震的多次覆盖技术应用,提高信噪比和观测精度;(4)可选择不同的时间窗口进行观测,有效地压制地质噪声,可获得不同勘探深度的地质信息等一系列优点。(5)仪器轻便,工作效率高。由于其诸多的优点也广泛应用于矿井、隧道中。近年来该方法先后在重大场地的工程地质调查,矿山防水,采空区及地裂缝探测及众多工程勘察领域取得了明显的地质效果和显著的社会经济效益。

地下瞬变电磁和地面瞬变电磁法的基本原理的一样的,理论上也完全可以使用地面电磁法的一切装置及采集参数,但受井下环境的影响,地下瞬变电磁法与地面的TEM的数据采集与处理相比又有很大的区别。由于矿井轨道、高压环境及小规模线框装置的影响,在井下的探测深度很受限制,一般可以有效解释100m左右。另外地面瞬变法为半空间瞬变响应,这种响应是来自地表以下半空间层,而地下瞬变电磁法为全空间瞬变响应,这种响应是来自回线平面上下或两侧地层,这对确定异常体的位置带来很大的困难。

由于地下瞬变电磁勘探在井下巷道中进行,采用非接触式、多匝数、小回线工作装置进行探查,井下噪声、资料处理和解释方法与地面瞬变电磁法和矿井直流电法勘探不同,因此,矿井瞬变电磁法勘探主要有以下几个方面的特点:

(1).受矿井巷道的影响矿井瞬变电磁法只能采用边长1.5m的多匝回线装置,这与地面瞬变电磁法相比数据采集劳动强度小,测量设备轻便,工作效率高,成本低;

(2).采用小规模回线装置系统,因此为了保证数据的质量、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,大大的提高测量信号的信噪比,经验表明,井下测量的信号强度比地面同样装置及参数设置的信号强很多;

(4).地面瞬变电磁法勘探一般只能将线框平置于地面测量,而地下瞬变电磁法可以将线圈放置于巷道底板测量,探测底板一定深度内含水性异常体垂向和横向发育规律,也可以将线圈直立于巷道内,当线框面平行巷道掘进前方,可进行超前探测;当线圈平行于巷道侧面煤层,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).矿井瞬变电磁法对高阻层的穿透能力强,对低阻层有较高的分辨能力。在高阻地区如果用直流电法勘探要达到较大的探测深度,须有较大的极距,故其体积效应就大,而在高阻地区用较小的回线可达到较大的探测深度,故在同样的条件下TEM较直流电法的体积效应小得多。

在施工方法方面,地下瞬变电磁法经常使用的工作装置形式主要有重叠回线和偶极—偶极两种。重叠回线装置形式地质异常响应强、施工方便,但线圈间存在较强的互感,一次场影响严重;偶极—偶极装置收发线圈互感影响小,消除了一次场影响,但二次场信号弱,不易于地质异常体识别。由于井下施工环境的限制,不可能采用大线圈装置形式,只能采用边长小于3 m的多匝小线框,工作效率高.井下瞬变电磁法在施工过程中,具有一定的方向特性.在探测过程中,根据地质任务的不同,可调整发射线框与煤层底板之间的角度.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,或探测煤层内的含水构造异常体;也可以将线圈置于巷道底板,并设置一定的夹角,通过探测了解煤层底板下一定深度范围内含水异常体垂向和横向的发育规律.发射线框和接收线框分别为匝数不等且完全分离的2个独立线框,以便与地下(前方)异常体产生最佳藕合响应.在工作面回采前,利用现有巷道对相邻工作面未掘巷道实施侧向探测,确定隐伏含水异常范围及位置,为掘进中防、探水工作提供技术依据.减少、取代和部分取代现行超前探测工作。

在隧道掌子面工作时,类半平面问题在掌子面高和宽大于5倍的回线尺寸的情况下,近似认为是半平面.引进了微分电导成像技术,解决掌子面前方含水构造探测问题.采用3米长的回线框作为发送,直立地贴近于掌子面,用特制的接收磁探头(固定于回线正中心)接收来自掌子面前方的二次感应电压信号,通过一系列各种隧道效应校正,得到较好的资料.通过近年来几十个隧道探测,取得了较多的经验和效果.

理论技术研究方面,国内矿井瞬变电磁法勘探始于20世纪90年代末,中国矿业大学率先将该方法引人到井下探测工作中,并在全空间瞬变电磁场分布规律、数值模拟、时深转换方面进行了研究,技术方面对关断时间、发射功率、发射线圈匝数、干扰因素等方面开展了试验研究。中科院地质与地球物理所、长安大学、安徽理工大学、中煤科工集团重庆研究院和西安研究院、中国地质大学、吉林大学等单位在数据处理、软件开发、仪器研制和工程应用等方面也进行了大量研究岳建华,杨海洋等对层状介质地下瞬变电磁全空间效应进行了研究并提出地下瞬变电磁法全区视电阻率核函数算法;闫述提出了全空间瞬变法的FDTD算法和细导线模拟;程久龙提出了瞬变电磁法波场变换和数据处理方法于景邨,刘志新,姜志海等研究了地下瞬变电磁法在矿井中的施工技术;长安大学,西安煤炭研究所率先使用瞬变电磁法进行隧道掌子面不良地质体的探测;仪器方面,林君等进行了矿井瞬变电磁空芯传感器的工作,刘盛东等完成国产本安型矿井瞬变电磁仪YCS40(A)的研发工作并与国外仪器进行对比试验。

(课题组张林波供稿)

 

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