浅析瞬变电磁法在煤田地质勘查中的应用

浅析瞬变电磁法在煤田地质勘查中的应用

牛汉清

新疆焦煤（集团）有限责任公司830025

摘要：电场和磁场交替产生，由近及远，扩散的速度与地下岩层的电阻率有关，不同时间扩散到不同深度。低电阻率地质体如导水断层、富水区、金属矿体等能引起较强且衰减慢的二次涡流场，而贫水区等高阻体引起较弱且衰减快的二次场。由于早期信号反映浅部地电特征，晚期信号反映较深部地电特征，这就可以达到测深的目的

关键词：瞬变电磁法；矿井瞬变电磁；探明地下水

1.瞬变电磁发展概况

瞬变电磁法是时间域电磁法之一，随时域方法而出现，它是发展在后而发展很快的电法勘探分支方法。将瞬变电磁信号用于地质勘探的设想，早在20世纪30年代就有人提出。最早的时域电磁法在西方称为Elrtna法，它基于L.W.Blna在1933年获得的发明专利，该法利用电磁脉冲激发供电偶极形成电磁场，用电偶极测量电场。

2.瞬变电磁法技术特点

瞬变电磁法是时间域电磁法之一，随时域方法而出现，它是发展在后而发展很快的电法勘探分支方法。

将瞬变电磁信号用于地质勘探的设想，早在20世纪30年代就有人提出。最早的时域电磁法在西方称为Elrtna法，它基于L.W.Blna在1933年获得的发明专利，该法利用电磁脉冲激发供电偶极形成电磁场，用电偶极测量电场。

方法的优点：

（1）断电后观测纯二次场，消除了频率域的装置耦合噪声，受地形起伏影响小。

（2）可采用不接地回线装置，适宜于在各种地理环境下工作，在沙漠、冻土带更显其独到特性。

（3）可以采用同点装置（如重叠回线、中心回线等）进行观测，达到与探测目标的最佳耦合，取得的异常强，形态简单，分层能力强。

（4）单脉冲激发就可以得到多信息的整条瞬变场衰减曲线，且对线圈点位、方位或接收距要求相对不严格，测地工作相对简单，工效高。

（5）可以通过多次脉冲激发，进行多次叠加观测，并采用空间多次覆盖技术，提高信噪比和观测精度。

（6）可以选择不同的时间窗口进行观测，有效地压制地质噪声，获得不同探测深度的信息。

（7）利用该方法的测量系统，可实施地面、空中、地下、水上、井中或坑道电磁法探测。

（8）不受高阻层的屏蔽影响，能穿透高阻层，对低阻层灵敏、分辨能力强，在低阻围岩区，由于是多道观测，早期道的地形影响较易分辨；

（9）剖面测量与测深工作同时完成，提供了更多有用信息，减少了多解性。

方法的缺点：

3矿井瞬变电磁法特点

矿井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，矿井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，这种瞬变响应来自与地表以下半空间层，而矿井瞬变电磁法为全空间瞬变响应，这种响应来自回线平面上下（或两侧）地层，这对确定异常体的位置带来很大的困难。实际资料解释中，必须结合具体地质和水文地质情况综合分析。

具体来说矿井瞬变电磁法具有以下特点：

（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，而井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。

4.矿井瞬变电磁工作仪器

本次矿井瞬变电磁物探工作使用的仪器为中国地质大学（武汉）高科资源探测仪器研究所生产的TEMHZ75矿用瞬变电磁仪。这套矿用瞬变电磁仪对低阻充水破碎带反映特别灵敏、体积效应小、纵横向分辨率高，且施工快捷、效率高等优点，既可以用于煤矿掘进头前方，也可以用于巷道侧帮、煤层顶、底板等探测，为煤矿企业在生产过程中水患和导水构造的超前预测预报提供技术手段。

TEMHZ75矿用瞬变电磁仪系统特点：

1）、轻便瞬变电磁仪发射系统；

2）、采用小线圈（1.5米）工作方式，方便快捷；

3）、视窗时间达到150毫秒，使得最大探测距离可达到80-100m；

4）、保愚性与安全性好；多重的抗干扰技术；

5）、工控机作主控机和Windowsxp操作平台；采样率高；

6）、先进的解释软件系统。

该瞬变电磁仪系统可以通过加大发射功率的方法增强二次场，提高信噪比，从而加深勘探深度；通过多次脉冲激发场的重复测量叠加和空间域多次覆盖技术的应用提高信噪比，从而应用于工作复杂、噪声干扰大的煤矿井下水害超前预报使用，有效勘探深度能达到100米。

5.瞬变电磁法在探明井下赋水实际应用

水害是我国煤矿五大自然灾害之一，严重制约着煤炭工业的健康发展。近年来，因各种原因造成的重、特大水害事故时有发生，不仅造成巨大的人员伤亡也使得经济遭受严重的损失。比如2010年发生在山西的王家岭煤矿透水事故，该事故共导致38人遇难，直接经济损失超过5000万元。因此，重视矿井防治水工作是十分必要的。

造成煤矿水害原因是多种多样的，但在煤矿开采中发生的突水事故通常与水源和导水通道这两大因素息息相关。水源主要有大气降水，地表水和地下水这三大类型，其中地下水又可以细分为孔隙水，裂隙水和岩溶水。导水通道则可以分为断裂构造，岩溶陷落柱，构造和地震裂隙，采动裂隙，导水钻孔，岩溶塌陷和天窗这几种类型。因此，对各种引起矿井突水灾害的水源体超前预测预报，是防止矿井突水灾害事件发生的根本保证。

6结论

随着科技的不断进步，现代地质学领域中也不断的引入一些新的技术和新方法，瞬变电磁法作为当前我国矿井水害防治传统手段的有效补充，对水害防治起着越来越重要的作用，新的电法技术就是其中最为引人注目的手段之一。作为一项十分优越的技术手段，尤其是最近一些矿区通过物探与钻探的有效结合，给企业带来了十分明显的经济效益和社会效益，其应用效果已经得到了广泛的认可。

参考文献：

[1]刘春明《强场源瞬变电磁系统的初步研究》；中南大学；2004年

[2]沈梅芳《瞬变电磁虚拟波场的偏移成像研究》；长安大学：2006

[3]段清明，朱凯光，《瞬变电磁法弱信号检测技术研究》吉林大学学报；2002年02期

[4]杨辉，黄临平；《综合地球物理联合反演综述》；地球物理学进展；2002年02期