供煤矿井下测水PROTEM瞬变给力

探测地下储水构造的较佳方法是瞬变电磁法，因为瞬变电磁法在各种电法和电磁法中分辨率较高，对含水低阻体较敏感。当然，在地面也可以探测地下储水构造，但如果在井下探测则分辨率较高，较准确。因为井下的外界电磁干扰很小，观测数据质量高，探测装置离目标体近，准确度高。较近三年来（到2006年底）我国已有13个煤矿和高校购买了TEM47HP井下探水系统，并获得了成功应用，避免了井下透水事故的发生。
我国不少煤矿发生过透水事故。重大透水事故造成人员重大伤亡和财产严重损失并导致煤矿停产。
煤矿透水事故原因各异，有的是**板上方老窑积水倾泄至工作面，有的是底板下方承压水涌入采区，有的是在掘进头前方迂到了构造破碎带、裂隙发育区、岩溶、陷落柱等富水区（体）。防止透水事故发生的有效方法，是事先探测出水患源头或储水构造的位置然后再注浆处理。




二、TEM47HP井下探水系统的组成
TEM47HP是加拿大Geonics 公司专门生产的井下探水瞬变电磁系统，也叫PROTEM47HP。其组成包括（图1）

图1 　TEM47HP井下探水系统的组成

●  PROTEM数字接收机
●  TEM47HP**机
●  高频接收线圈
●  可调节角度的井下多匝**线圈
●  全空间正、反演软件
其简单工作原理是，根据探测目标将井下多匝**线圈安置在合适的位置上，将高频接收线圈安置在距**线圈5－10m的位置上，TEM47HP**机向多匝**线圈发送脉冲电流（频率可选）产生一次场。该一次场向探测目标体扩散，当迂到探测目标体时则产生变化的二次场，即瞬变电磁场。该瞬变电磁场在高频接收线圈中产生感应电压并由PROTEM数字接收机接收和进行初步处理。
全空间正、反演软件是对数字接收机接收到的瞬变电磁场数据进行*处理和反演解释，以给出探测目标体的位置、形状和电阻率等参数。

三、井下瞬变电磁法的装置结构
瞬变电磁法有不同的装置结构，以适应不同的探测目的。由于井下瞬变电磁法是在巷道内进行，要在有限的施工空间内获取巷道前方，**、底板，以及采区下面的储水构造和储水体的分布情况，并且探测盲区还要尽量少。因此**仔细选择合适的仪器类型和合适的装置结构。

可在井下工作的装置结构有四种（图2）：

图2　剖面探测装置方式
●  重叠回线装置：**线圈与接收线圈重合。此种装置由于接收线圈和**线圈重叠，互感大、一次场影响大，所以关断时间长，盲区大。
●  中心装置：接收线圈RX位于**线圈TX的中心处。此种装置互感大，一次场影响大，盲区大。
●  共面偶较装置：**线圈TX与接收线圈RX共平面，两者相距5－10m，因此一次场对接收线圈的影响可以忽略，盲区小。此装置适合沿巷道探测其侧向采区下方的储水构造。此时，**线圈和接收线圈沿巷道布置，倾角45（或大、或小），相距5－10m。当探测巷道**、底时，**线圈和接收线圈沿巷道水平布置。
●  共轴偶较装置：**线圈TX与接收线圈RX分别位于前后平行的两个平面内，但处于同一轴线上，两者相距5－10m。此装置适合巷道掘进头的**前探测。此时，接收线圈贴近掌子面，**线圈位于其后5－10m处，两者轴线指向探测方向（图3）。如果接收线圈和**线圈分别向左、向右转动不同角度时（例如±30°，±45°），则探测方向也分别指向前方的不同角度，于是便可以探明掘进头前方扇形区域内的储水构造（图4）。
图3 巷道掘进头TEM**前探测装置方式　　　　图4 巷道掘进头**前探测方式与探测范围
βi表示探测方向为前方偏右βi角度
θi 表示探测方向为前方偏左θi角度；
四、技术指标
1、PROTEM数字接收机
图5　 PROTEM数字接收机
技术指标：
●  观测值：三分量感应磁场的衰减比，nv/m2
●  电磁传感器：空心线圈
●  道数：单道连续测量三分量或三道同时测量三分量
●  时间门：在两个量级时间轴上20个门测量，或三个量级时间轴上30个门测量
●  信号分辨率：24位，包括1个符号位，系统分辨率29位
●  基本频率：0.3，0.75，3，7.0，30，75，285Hz（60Hz工频时）
   0.25，0.625，2.5，6.25，25，62.5，237.5Hz（50Hz工频时）。
●  积分时间：0.5，2，4，8，15，30，60和120秒
●  显示器：240×64点液晶显示
●  数据管理：固态存储3300套数据，RS232输出
●  同频：参考电缆同步
●  工作温度：-40℃—+60℃
●  电源：12V可充电电源，可连续工作8小时
●  重量：15Kg
●  体积：34×38×27cm
2、TEM47HP**机
图6 　TEM47HP**机
技术指标：
●  电流波型：偶较方波，占空系数50%
●  基本频率：30，75，285Hz（功率传输线为60Hz时）
          25，62.5，237.5Hz（功率传输线为50Hz时）
●  关断时间：关断时间2.5μs（40m×40m**线圈），较终关断时间取决**线圈有效面积S及**电流A
●  **线圈尺寸：1.5m×1.5m(80匝)或2m×2m（64匝）
●  输出电压：0－12V  24V或32V
●  较大输出电流：10A
●  同步：电缆同步
●  工作温度：-40℃—+60℃
●  电源： 内置12V，外接12V或24V 
●  重量：6公斤
●  尺寸：43 x 25 x 25 厘米
五、巷道掘进头**前探测应用实例
1．对巷道掘进头的**前探测
图7－图11是某煤矿－250米排水巷道在掘进过程中不同时间的**前探测结果，其目的是确定不断向前推进的巷道掘进头前方是否有储水构造，以**掘进的*。
●　图7是2004年9月30日进行的**次**前探测，结果发现掘进头前方30m-40m 为低阻区，此低阻区位于巷道正前方偏左方向，正前偏右方向及右帮无异常。经钻探证实低阻区是局部含水区，由于及时采取措施**了*掘进。图中侧帮平探，采用共面偶较方式，掘进头前探采用共轴偶较方式，然后把两个方位的探测结果作为同一剖面成图，所以图中结构实际上反映的是两个方向的情况，这样就可以在同一标准下比较不同方向的电阻率分布，为分析掘进头前方的含水性提供依据。
图7　　**次初探结果
● 图8是2004年11月8日进行的*二次**前探测，结果反映掘进头前方75m范围内岩性比较均匀，无明显低阻异常，虽然在60多米以上存在局部相对低阻区（图8**部颜色较深的区域），但电阻率普遍大于40Ω?m（该地的富水区电阻率普遍小于1Ω?m），不大可能是富水区，因而我们预报为*区，可以掘进。实际掘进过程比较顺利，没有遇到异常情况。
图8　　*二次跟踪探测结果
●  图9是2005年2月5日进行的*三次**前探测，结果发现掘进头前方25— 45m之间有一低阻异常区（图9），异常**区位于巷道前方偏右部位。据此建议进行钻探。钻孔朝巷道正前方、正前方偏右和正前方偏左布置。其中正前方钻孔进尺37m时出水，偏右方向钻孔水量（17 m3/h）明显增大，岩层呈破碎状。经过预防治理，排除了突水隐患。
图9　　*三次跟踪探测结果
●　图10是2005年5月6日进行了*四次**前探测。结果发现掘进头正前方30—50m段为横贯巷道走向的低阻区（图10），由于异常呈条带状连续分布，判断为断层。当巷道向前掘进18m时开始打钻（保持*距离不小于10m），钻探进尺18.5m(即位于探测时掘进头位置前方36.5m)时出水，水量75m3/h,及时采取了治理措施。最后掘进证实此区段是一含水破碎带。
图10　 *四次跟踪探测结果
●　图11是2005年9月28日进行的*五次**前探测。探测结果反映掘进头前方偏左存在一个低阻异常区（图11），但规模不大，电阻率也不是很低（>1Ω?m），根据经验，不会有大的水情。实际情况表明，巷道在该区段的掘进过程比较顺利，没有水情出现。但也说明，该方法给出的结果并不是**的正确，也可能给出假的低阻异常。产生这种现象的原因除了环境噪音外，周围介质影响也可能是一个重要因素。换句话说，虽然我们设定目标体位于探测面前方，但并不能排除探测面以外，特别是后方介质的影响。
图11　*五次跟踪探测结果
2．在巷道内探测采区煤层底板储水构造
如**三节所述，在此类应用中采用共面偶较装置。现将河南一些煤矿在这方面的应用实例列举如下：
●　图12为瞬变电磁法在某西大巷向下帮（平行岩层倾向）侧向探测距离110m处有无平行西大巷走向、断距为25米的导水断层(此断层是根据少量钻孔资料推测结论)。探测结论为：110m附近均为相对高阻，不存在导水断层，并得到钻探和巷探证实。
 
                        图 12 　侧向探测是否存在导水断层
●  图13为15011工作面下风道瞬变电磁（45°斜下方）探测煤层底板岩层赋水性结果图。由图中看出，该面通尺40----260m段为相对低阻区（图中兰色部分），低阻区呈上下连通状且导高较大，探测结论为：此区域在工作面回采时易发生底板突水，应提前采取**措施（232m处为已知底板出水点，与物探结果吻合）。
   图13  圈定工作面回采时易突水地段
●  图14为瞬变电磁法在某矿西大巷确定放水（疏水降压）孔位置实例。瞬变电磁探测到50m附近巷道底板下方为低阻区中心区域，在此布置了4#放水孔出水量为60m3/h。
 
图14   圈定放水（疏水降压）孔位置
● 图15和图16分别为某工作面下顺槽底板注浆改造前、后瞬变电磁勘探（ 45°斜下方）结果对比图。注浆改造前物探结果显示，工作面中存在多处上下沟通状低阻异常区（图中兰色部分为纵向裂隙发育区）；注浆改造后物探结果显示，上下沟通状低阻区大多变为相对高阻区，剩余的少数深部低阻异常导高明显变小，说明注浆改造效果理想。斜距50m左右分布的横向窄带状浅部低阻异常，系注浆浆液迫挤水分的反映，此低阻区厚度及上下延伸较小，对工作面回采无影响。
 
图15和图16   煤层底板含水层注浆改造前、后效果对比
3．探测巷道下方储水构造
图17和图19是河北省梧桐庄煤矿井下瞬变电磁法探测结果。
 
  图17　偶较方式
图17是沿测线的TEM响应曲线，该图是判断测区水异常较重要的依据。上图给出了瞬变场响应曲线，可见剖面中部具有强异常，是较可能含水的地方。
图中由上向下表示从早期道到晚期道的响应，反映了测量面由浅到深的异常情况。

**/接收框的位置以及观测方式如下图所示
图18　　偶较方式
图19是根据图17中的瞬变场响应曲线，对井下储水构造的成像图，以及钻孔验证的出水量。
距离
图19　是储水构造成像
上述井下瞬变电磁法的应用实例，主要来自焦作煤业（集团）有限责任公司郭纯和刘白宇先生以及中科院地质与地球物理*白登海教授所发表的文章

2008年创建于武汉市东湖****产业开发区“中国光谷”内的武汉地探科技有限责任公司，为武汉市三湖（东湖、南湖、汤逊湖）、六山（珞珈山、南望山、喻家山、马鞍山、伏虎山、狮子山）所环抱，环境优美，周边大学林立。
      武汉地探公司主要从事国外各种物探、地球物理仪器设备和软件的销售,系统集成，市场营销，售后技术服务，以及工程技术咨询服务。
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