地面瞬变电磁法

地面瞬变电磁法（精选12篇）

地面瞬变电磁法 第1篇

华北型煤田地表被巨厚第四系松散层所覆盖。在原先设计时, 为保证矿井安全生产, 按照规程均留设了较高的防水安全煤岩柱[1,2,3]。随着矿井采掘活动的长期疏排, 各个矿井的浅部水文地质条件均发生了较大变化, 对原先留设的煤岩柱高度进行了不断缩小的可行性研究, 取得了大量相关研究成果[4,5,6]。鲍店煤矿五采区西部属于薄基岩区域, 南北呈近似长条形, 被巨厚松散层覆盖。目前对于该区域第四系底部含水层 (底含) 及隔水层 (底粘) 和下伏基岩物理力学性质已通过施工的补勘钻孔的方法获得, 但对底含及底粘、风氧化带和基岩富水性仅靠单一钻探资料误差较大, 是无法准确获得其物理力学性质的。为此, 必须采用地面瞬变电磁法进行探测研究。

1 研究区及探测方法概况

1.1 研究区概况

研究区位于鲍店煤矿五采区西部, 平面上基本呈南北方向的狭长条带状, 位于鲍店井田的西北角, 南起郭家营村北, 北至钱家村附近, 南北长约2 300 m, 测区南部宽度1 100 m, 向北逐渐变窄, 至测区最北端宽度减为600 m, 面积为1.94 km2。

探测区共有4个拐点坐标控制, 具体为: (1) X:3 924 326.12, Y:39 482 265.77; (2) X:3 926 631.50, Y:39482917.34; (3) X:3926 626.62, Y:39 483 501.04; (4) X:3 924 326.12, Y:39 483 366.14。

1.2 探测方法简介

瞬变电磁法是通过接地电极或不接地回线通以脉冲电流而在地下建立起一次脉冲磁场, 在一次磁场间歇期间, 在时域接受感应二次电磁场。由于早期信号反映浅部地电断面, 晚期信号反映较深部地电断面, 这就可以达到测深的目的[7]。该方法在煤矿安全开采方面已起到重要作用, 被广泛应用于采掘前方顶板[8,9,10]、底板[11]、采空区[12,13]等位置的富水性探测。

瞬变电磁探测时对异常区通常用低电阻率 (低阻) 进行判定, 但低阻是一个相对的概念, 对于不同的探测目的划分低阻的界限存在较大差异[8,9,10,11,12,13]。在视电阻率断面图上, 一般认为电阻率等值线发生变化呈凹陷状的地段, 应视为可疑地段, 要进行重点分析。富水区在顺层切片上表现为电阻率相对低阻的特征, 富水性越强的地段电阻率值越低。

2 探测结果与分析

本次探测的测网布设原则为主测线大致垂直于本测区的地层走向, 采用东西向布设, 测网密度为40 m×20 m。测区共布设瞬变电磁测线59条, 设计坐标点2 578个, 试验坐标点27个 (Q下-21、O2-9、水-2钻孔附近) , 折合成物理点69个。检测点按总坐标点5%计算, 计128个;共计瞬变电磁物理点2 775个, 五级纵轴电测深点5个。

相关成果图绘制时, 首先对断面图上有异常反应的区域在平面位置上进行圈定和组合, 初步确定异常区的范围;然后与顺层切片图进行对比分析, 进一步确定异常区的分布形态, 并与地质成果对应, 分析第四系底含、底粘、风氧化带及基岩富水异常区的分布规律;最后通过对全区地质资料及绘制的各种图件和参数进行综合分析, 分别划分异常区, 绘制相应的成果图。

2.1 第四系底部砂层与粘土层分布特征

根据钻孔资料, 探测区第四系下组厚度平均为50 m, 由灰绿色、灰黄色、灰白色粘土、砂质粘土、含粘土质砂 (砾) 等相间组成。第四系底部底含和底粘分布如图1所示。

图1是依据视电阻率断面图和顺层切片图, 按照相对的原则绘制而成, 该层位视电阻率值一般在3~26Ω·m之间, 平均值为15Ω·m。将视电阻率值低于15Ω·m的划分为底粘 (粘土层) 分布区, 将视电阻率值高于15Ω·m的划分为底含 (砂层) 分布区。结合测区内Q下-21钻孔、O2-9钻孔、Q下-18钻孔、水-2钻孔和D19钻孔在第四系底部15 m范围内粘土层的分布情况, 以及第四系底部切片图划分粘土层、砂层的分布范围, Q下-21钻孔和O2-9钻孔资料表明, 在第四系底部15 m范围内有较厚粘土层分布。考虑到在切片图中其位于高、低视电阻率的交界处, 因此把此位置划分为粘土层和砂层的边界。Q下-18钻孔在第四系底部15 m范围内有1层5 m厚砂质粘土, 与切片图的低阻反映一致, 为粘土层区。水-2号钻孔在第四系底部有一厚2.2 m的砂质粘土, 与切片图中低阻反映一致, 划分为粘土区。D19钻孔在第四系底部有一较厚粘土、砂质粘土层, 厚8.62 m, 与切片图中低阻反映一致, 将其划分为粘土区。

从图1的分布规律上来看, 粘土层主要分布在测区中部以及南北两侧, 分布较集中。

2.2 煤层风氧化带分布特征

山西组3煤层风氧化带视电阻率值在2~36Ω·m之间, 平均值为19Ω·m, 视电阻率变化较小。由于此切片是根据煤层底板等高线绘制的, 因此视电阻率应该均为高阻反映。但在煤层露头风氧化带附近, 裂隙较发育, 富水性较好, 视电阻率较低。因此可以根据相对的低阻异常来划分风氧化带范围。将煤层露头附近视电阻率值低于19Ω·m的划分为风氧化带, 用黑色斜线填充, 如图2所示。从分布规律看, 南北两侧分布较厚, 中间偏薄。

2.3 山西组3煤层顶板富水异常区分布特征

探测区主采的山西组3煤层顶板富水异常区分布如图3所示。图3中的圈定区域为本次瞬变电磁解释出的富水异常区范围, 共划分了富水异常区10个, 编号A1—A10。图3是依据视电阻率断面图和顺层切片图绘制而成的, 该层位视电阻率值一般在2~30Ω·m之间, 平均值为16Ω·m, 将视电阻率值低于16Ω·m的划分为富水异常区。

结合已有勘探资料, 从富水异常区的分布规律来看, A1富水异常区内分布有V-F14断层和V-F74断层。通过分析视电阻率断面图, 低阻反映明显, 因此2断层为含水断层;A2—A6富水异常区, 在视电阻率断面图上低阻反映明显, 其相互之间距离较近, 但面积小且相互之间水力联系一般, 因此其富水性一般;A8—A9富水异常区在剖面视电阻率图上反映明显, 且根据其视电阻率等值线的变化趋势, 其与A7富水异常区在水平方向具有一定的水力联系;A7和A10富水异常区分布在煤层风氧化带附近, 其通过裂隙等导水通道与风氧化带具有紧密的水力联系, 受风氧化带富水性影响, 其富水性可能较强。

3 结论

(1) 依据视电阻率断面图以及钻孔资料, 以视电阻率值15Ω·m为界限对探测区域第四系底粘和底含分布范围进行了圈定, 将视电阻率值低于15Ω·m的划分为粘土层分布区。

(2) 根据不同的电性特征, 以视电阻率值19Ω·m为界, 确定了山西组主采煤层3煤层风氧化带的分布范围。煤层电阻率相对较高, 而煤层露头附近由于煤层风氧化后裂隙较发育, 富水性较好, 视电阻率值较低。

(3) 以视电阻率值16Ω·m为界, 绘制了山西组3煤层顶板富水异常区分布图, 共划定了10个富水异常区, 并探讨了各异常区之间的水力联系。

摘要：采用地面瞬变电磁法探讨了鲍店煤矿五采区浅部南北近似呈长条状薄基岩区域富水性, 以及其顶部风氧化带与第四系底含及底粘分布特征, 为矿井提高回采上限提供基础资料。研究结果表明, 该区域底粘分布范围较大, 呈现出中间分布大, 两端偏小的变化特征;风氧化带两端较厚, 中间较薄;划分出10个富水异常区, 并研究了各富水异常区之间的水力联系, 对该区域工作面布置及掘采水害防治具有较重要的参考价值。

用瞬变电磁法探测煤矿水害 第2篇

用瞬变电磁法探测煤矿水害

瞬变电磁法(简称TEM法)具有简便、快捷、对低阻体敏感等优点,在寻找地下水、查明采空区、探测岩溶发育带等方面有着广泛的应用.本文以TEM法在山西某矿的应用为例,说明其良好的地质效果.

作 者：李晨 梁爽 王信文  作者单位：神华乌海能源公司,内蒙古,乌海,016000 刊 名：内蒙古煤炭经济 英文刊名：INNER MONGOLIA COAL ECONOMY 年，卷(期)：2009 “”(4) 分类号：P641.461 关键词：瞬变电磁法   视电阻率   采空区   水文地质勘探  

瞬变电磁法技术在煤矿探测中的应用 第3篇

关键词：瞬变电磁法;电磁感应;采空区积水;火烧区富水性

1 瞬变电磁法勘探原理

瞬变电磁法遵循电磁感应原理，就是导电介质在阶跃变化的电磁场激发下而产生的涡流场效应，即利用一个不接地的回线或磁偶极子（也可以用接地线源电偶极子）向地下发射脉冲电磁波作为激发场源（习惯上称为“一次场”），根据法拉第电磁感应定律，脉冲电磁波结束以后，大地或探测目标体在激发场（即“一次场”）的作用下，其内部会产生感生的涡流，这种涡流有空间特性和时间特性。又称为时间域电磁法，是一种重要的时间域电磁勘探方法;它是利用接地导线或不接地回线，向地下发送脉冲电磁场，在一次脉冲电磁场的间歇期间通过观测与研究二次涡流场随时间的变化规律，来探测地下介质电性的物探方法。中心回线方式是瞬变电磁测深方法最常用的装置形式之一，由于该方法观测的是纯二次场，可在近区观测，它以分层能力强、精度高等特点，被广泛用于能源、矿产、水文、工程、环境等领域。一般来说，探测目标的几何规模越大、埋藏越浅、导电性越好则二次场的信号越强、持续时间越长，但在实际工作中选取取样数尽可能多一些，以提高观测范围，而叠加次数则希望取得少些，以提高观测速度，反之，探测目标的几何规模越小、埋藏越深、导电性越差则二次场的信号越弱，持续时间越短。通过观测和研究“二次场”的空间分布特性和时间特性，在测区范围边界区域作针对性地层电阻率试验，可以推测解译测区地层或地质目标体的几何和物性特征，以减小实际勘测中的相对误差。

2 技术试验

本次探测采用多组接收线圈采集信号，为避免因接收线圈参数不一致导致接收的二次场信号受到影响，需要对使用的接收线圈进行一致性检测。

2.1 接收线圈一致性。本次探测采用多通道接收，必须保证各通道信号在相同测点时采集数据的一致性。图1为各接收线圈的一致性对比，由该图可见，各道信号吻合性较高，在有效信号段内，各道信号基本一致，说明本次勘探采用的接收线圈一致性较高，可以投入使用。

图1  接收线圈一致性对比图

2.2 电性标志层。测区主要含煤地层为中侏罗统西山窑组上段，是以粉砂岩和泥岩为主的沉积岩层，本次勘探目标煤层B5煤层和B6煤层均位于该层段。该层段上部地层是以砂砾岩和风化岩层为主的头屯河组和第四系地层，其下部西山窑组下段为一套以粉砂岩和泥岩为主的地层段，再往下是侏罗统三工河组，该组主要由炭质泥岩、煤线和砾石层组成。从以上岩层沉积的岩性特征可以看出，测区内从浅至深岩层电阻率大体应呈现高阻-低阻-高阻的分布特征。

头屯河组及第四系地层均表现为相对高阻，西山窑组上段视电阻率相对降低，下段整体表现为相对高阻。根据三工河组岩性判断，其电阻率应为相对高阻。根据各地层视电阻率的相对关系，可选取西山窑组上段地层为电性标志层。

2.3 试验结论。根据本次试验中衰减曲线可以看出，360m×360m发射线框在采用合适的发射电流时，信号强度比240m×240m发射线框要强，因此在抗干扰方面，本测区的360m×360m发射线框要优于240m×240m发射线框。再从视电阻率曲线对比可以看出，360m×360m发射线框所反映出来的视电阻率曲线更符合本测区地层发育的电性特征，因此，本次探测将采用360m×360m发射线框进行。

以上分析表明，地面瞬变电磁法能较好反映测区地层的电性特征，测区内采用360m×360m的外框、8.333H的发射频率能反映出地层与异常体的电性信息，可作为本次工程的野外数据采集参数。

3 数据采集及处理

瞬變电磁仪野外观测的是垂直磁感应场的归一化感应电动势值，每个观测点记录的参数为：时间道、采样开始时间、采样窗口宽度、发射电流、归一化感应二次场、转换的磁感应强度值等如下图。

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根据以上采集及处理步骤，最后将所得数据以切片等值线图的形式绘制出来。

4 工程应用

根据现场调查，原联营煤矿主采煤层以B5煤为主，且开采时间较长，由于缺失该矿的开采分布情况，因此探查B5煤层采空区积水情况是本次探查工作的主要任务之一。该层段的视电阻率值在23到36之间变化，平均视电阻率值为29，根据试验和反演参数确定地层视电阻率值在23～26之间为低阻异常区，26～32之间为过渡区，32以上为高阻区。根据上述划分标准可为两个区：即推断火烧富水区和推断采空积水区。

5 结语

由于瞬变电磁法是基于岩层导电性异常的间接探测，数据的采集、处理、分析、推断等环节都可能存在不确定因素，仅从物探异常特征本身很难确认低阻异常是由砂岩裂隙水还是采空区积水引起，即异常的多解性不能完全排除。除了对电磁法探测能够明确的采空区和积水区予以重视外，特殊条件下为了增大安全系数，对疑似采空区按采空区对待、含水区按积水区对待，所处层位按照最具安全危险性的上层对待，必要时予以钻探验证。

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瞬变电磁法深度研究综述 第4篇

关键词：瞬变电磁法,深度定义,研究进展

0 引言

瞬变电磁法是使用阶跃波或其他脉冲电流场源激励大地产生过渡过程场, 断电瞬间在大地中形成涡旋交变电磁场, 测量这种由地下介质产生的二次感应电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[1]。瞬变电磁法拥有很多种传统直流电流法不具有的优点, 是得以迅速发展的新一代电磁勘探方法, 其应用范围已扩展到石油、地矿、水力、电力、交通、铁路、有色和国防等多个方向。所以, 非常有必要对瞬变电磁法的深度研究进展进行整理, 方便今后瞬变电磁法的研究发展。

目前, 国内外对于瞬变电磁法的深度有多种不同的定义, 有最佳探测深度、理论探测深度、解释深度、最小探测深度、最大探测深度等。

1 瞬变电磁法原理

瞬变电磁法属于时间域电磁感应法的一种, 英文缩写为TEM。它是使用不接地回线或接地线源向下发送一次脉冲磁场, 在一次脉冲磁场的间断期间, 利用接地极或线圈观测二次涡流场的一种方法[1]。该二次磁场是利用由地下良导地质体受激励引起的涡流产生的非稳定磁场。使用电偶源 (或不接地回线) 向地下发送电场 (或一次脉冲磁场) , 就是在发射回线上发送一个电流脉冲方波, 在方波下降的一瞬间, 就会产生一个能向地下传播的一次磁场。处于一次磁场的激励作用下, 地质体将产生涡流, 其涡流大小由地质体的导电程度大小决定。当一次场消失后, 该涡流不会立即消失, 它将有一个衰减过程 (过渡过程) , 该过渡过程又会制造一个衰减的二次磁场往地表传播, 地表仪器的接收回线和磁探头接收二次磁场的信号。该二次磁场的变化, 将反映地下地质体的电性分布情况。在接收机中根据不同的延迟时间测量二次感应电动势, 这样就获得了二次磁场随时间衰减的特性。TEM是在没有一次场背景的情况下观测二次场 (纯异常) , 这极大地简单化了对地质对象所产生异常场的研究, 对于提升方法的探测能力拥有更广阔的前景。

目前, 在这方面的研究主要集中在瞬变电磁方法的正反演计算上。一维正演计算大多数先在频率域讨论, 得到层状介质下的电磁响应表达式, 再转换到时间域计算;二维正演问题的数值计算多数采用的是有限差分法来做的, 也可以采用有限元方法在频率域计算二维的定解问题, 再转换到时问域计算;2.5维时间域电磁场数值模拟问题是目前未很好解决的难题, 有学者采用有限元对时间域和频率域电磁场2.5维响应进行正演模拟, 给多维反演研究提供了依据。3D正演数值计算的方法有三种, 即有限差分法、有限元法和积分方程法, 目前国内还没有较好的3D正演软件[2]。

瞬变电磁反演问题的主要方法有:浮动薄板解释法、烟囱理论解释法、人机对话自动反演法、成像类反演法, 人工神经网络反演、联合时一频分析反演法等, 这些方法各有优势, 为瞬变电磁法反演提供了有效的手段[3]。三维反演问题是研究的热门问题, 目前国内研究还很少。要实现三维反演的实用化, 还需要进行更多的研究。

2 最小探测深度

薛国强在2004年给出了最小探测深度这一定义。通常所说的瞬变电磁对目标层的探测深度, 主要指瞬变电磁的最大探测深度。但还有一个不被人们关注的问题, 那就是最小探测深度, 即瞬变电磁对地探测时还存在一个不可探测的“盲深度”[5]。因为不论是发送线圈还是接收线圈, 本身都有一个固有的过渡过程, 接收线圈所接收的信号有两种:一种是来自地下的电磁感应信号, 另一种是线圈本身的自感及发送线圈的自感影响。在瞬变电磁接收信号的早期时间道中, 线圈自感信号比有用信号大得多, 但比有用信号衰减也快得多, 所以总存在一个使瞬变电磁无法分辨有用信号的时间范围。对这一问题的讨论和定量估计, 目前较少引起人们的关注。如何进行信号分离, 研究瞬变电磁早期信号特征, 提高瞬变电磁的浅层分辨能力, 这是一个难点。对均匀半空间条件下瞬变电磁响应信号和线圈的自感信号进行分析和对比, 找出了自感信号的影响幅度和范围, 计算出可分辨有用信号的最早时间, 给出了估算瞬变电磁能探测的最小深度的方法和公式及估算结果。通过计算和对计算结果的分析得出的结论是:通常用的回线源装置下, 回线的自感信号衰减延迟为10Ls, 瞬变电磁的最小探测深度为1~50m;最小探测深度受地表介质电性影响比回线尺寸的影响大。计算结果及结论对生产具有指导作用。

3 最大探测深度

由于瞬变电磁场在介质中传播时能量不断地衰减, 具有趋肤效应, 当能量衰减到一定程度时就不可分辨, 所以此方法具有最大探测深度。通常所说的瞬变电磁对目标层的探测深度, 主要指瞬变电磁的最大探测深度。研究瞬变电磁早期信号特征, 提高瞬变电磁的浅层分辨能力, 这是一个难点[4]。在研究这一问题之前, 必须定量确定线圈自感的影响时间范围及瞬变电磁的最小探测深度。基于这一情况, 对均匀半空间条件下瞬变电磁响应信号和线圈的自感信号进行分析和对比, 找出自感信号的影响幅度和范围, 计算出可分辨有用信号的最早时间, 给出估算瞬变电磁能探测的最小深度的方法、公式及估算结果。同时分析了最大探测深度的影响因素, 计算了不同情况下瞬变电磁方法的最大探测深度[5]。提高探测深度可以通过改变线圈匝数、加大电流等方法来提高。

4 研究深度

殷长春在1992年给出了瞬变测深法的研究深度的具体定义:在电磁测深法中研究深度的合理定义应为, 对给定的装置形式和信号源强度, 观测到的信号中能分辨出埋藏于上覆电性层之下的电性层, 则该上覆电性层的最大厚度即为研究深度或为最大研究深度。或者说, 最大研究深度是指满足下列两个条件的上覆电性层的最大厚度: (1) 各种电磁测深方法在其使用的频带或采样时间内, 接收到的电磁响应信号应能准确分辨位于覆盖层下电性层的存在; (2) 观测到的关于下伏电性层的信号应不低于系统可分辨的最低有用信号水平[6]。研究深度这一概念的提出为以后关于深度的种种研究打下了一个良好的基础, 以后的各种深度范围都是在研究深度的基础上进行的。但仅仅对研究深度这一定义的研究并不能满足实际工作中的需求, 所以只起到了一个铺垫的作用。

5 理论探测深度

吴信民等在2013提出了电法勘探理论探测深度的概念, 就是指在假设各种条件下能有效区分探测目标最大深度的理论计算结果。虽然理论探测深度只是通过假设各种地电参数、工作参数、装置及干扰等正演计算得到, 但对电法勘探的野外工作设计、资料解释、仪器装置的设计、规程规范的制定及修订等都具有重要意义。并对影响理论探测深度的因素进行了研究, 得出了影响理论探测深度的因素以及线性关系。利用理论探测深度可较为方便的了解探测深度与异常体的形状、地面形状、使用的方法、观测误差、观测装置、使用的方法等等的联系。研究理论探测深度对于实际操作中仪器参数的选择, 具有指导性的作用[7]。影响理论探测深度的因素有:其他条件一定时, 只改变干扰电压, 则干扰电压越大, 对应的理论探测深度越小;其他条件一定时, 只改变供电电流, 则电流越大, 对应的理论探测深度增加;其他条件一定时, 当输入不同发射、接收线圈匝数时, 随着线圈数量的增加, 对应的理论探测深度增加。上述这些变化规律都不是简单的线性关系。随着电流加大、线圈数量的增加时, 理论探测深度增加较快, 最后会趋于饱和。但在实际工作中, 供电电流、发射线圈匝数的增加, 也意味着生产成本的提高, 而且不易于工作人员携带和操作, 同时线圈过多时, 线圈与线圈之间还会产生自感等干扰信号, 也会影响探测效果。因此应根据实际情况选择自身需要的发射线圈匝数, 而不能盲目地为了增大探测深度而增加线圈匝数。理论探测深度的定义对于深度的研究具有重大的理论意义, 也有利于寻找到适合在实际生产中既可以达到较大的探测深度, 又能够起到节省一系列仪器成本的作用。对在实际工作当中仪器参数的选择, 具有指导性的作用。

6 解释深度

解释深度的定义为:在假设各种条件下进行正演, 能正常的进行计算, 而不出现尾支震荡的最大深度[8]。影响解释深度的直接因素有:等效面积、线圈边长、中间层 (即目标层) 的电阻率值、中间层厚度等因素。影响解释深度的间接因素有:电流 (采集到的数据单位是μv/A, 经归一化处理) 、线圈匝数 (通过影响等效面积影响解释深度) 。

(1) 影响IX1D理论解释深度的直接因素有:等效面积、线圈变长、中间层 (即目标层) 的电阻率值、中间层厚度等因素。

(2) 影响IX1D理论解释深度的间接因素有:电流 (采集到的数据单位是μv/A, 经过归一化处理) 、线圈匝数 (影响等效面积) 。

(3) 如果已知目标体的深度, 通过计算可以选择适当的线圈边长及匝数进行数据采集, 以确保探测深度能够达到目标体的深度, 并且避免IX1D数据解释时出现尾支震荡。

7 国外瞬变电磁法研究深度综述

美国的地球物理学家Ahmand A.Behroozmand等人利用联合横向约束反演核磁共振测深 (RMS) 与瞬变电磁法的数据结果, 用来提高核磁共振测深 (MRS) 的参数推测准确度, 并得到了较好的成果[9]。希腊的Pantelis M.Soupios等在希腊的克里特岛西南海岸中应用瞬变电磁法解决相关地下水问题, 用瞬变电磁法仪器探测了目标区域106个测试点, 结合当地的地形条件和地质资料, 推测了目标区域的地下水文构造, 从而为解决目标区域的地下水问题提供了有利的参考条件[9]。美国科学家Mark Goldman, Vladimir Mogilatov等人选定海洋电磁法敏感性较好的电阻的目标, 通过对传统的可控源电磁法的研究, 推出瞬变电磁勘探与垂直电测深法, 以及仍处于理论阶段的海洋电偶极子法。由于这两种方法都是基本的短偏移时域技术, 它们在浅海和深海表现出更好的横向分辨率比受控源电磁法。与垂直电力线和海上圆电偶极子的瞬变电磁法勘探的最大缺点是要在海洋环境中准确地组装发射机天线[10], 这使得这些方法实用性显著低于实际的控制源电磁法。因此, 可控源电磁法仍然是深海探测中的领先的海洋电磁法勘探法。Liu Lianshen, Liang Longhua等人采用瞬变电磁法进行了可行性研究保护和硐室爆破失火识别。首先, 电磁背景场建立了测试;其次, 良性导体在室内预设, 然后背景场通过测量电磁场消除;其三, 瞬态电磁场测量确定后再爆破;最后, 硐室爆破失火检测, 通过比较认可预爆前、爆后预流导线的涡流场变化[11]。试验结果显示:当埋地深度铝箱的目标是不超过30米, 瞬变电磁法可以清楚地识别铝盒的位置, 当铝框的埋深大于30米, 埋深和铝框的位置是不确定的, 这是因为二级铝箱产生的涡流场。

8 结束语

本文论述了目前国内外在瞬变电磁法深度的定义的研究进展, 总结了各种深度定义的影响因素, 提出加大深度的发展方向:可以从增加叠加次数, 提高信噪比的方向来加大深度;解释深度从软件层面上应如何改进:通过计算几组不同的汉克尔变换系数, 并用这几组汉克尔变换系数来进行解释, 从而得到解释深度较大的一组汉克尔滤波系数。

参考文献

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多层采空区调查中瞬变电磁法的应用 第5篇

多层采空区调查中瞬变电磁法的应用

有些煤层存在2层或2层以上的采空区,目前很多方法只能有效地探测最顶层采空区.针对这一情况,根据多层采空区的地球物理特征,利用瞬变电磁法,通过分析多测道电压剖面图和拟视电阻率断面图,准确地探测出了多层采空区的位置.结果表明,根据多层采空区地球物理特征,利用瞬变电磁法准确探测多层采空区的.位置划清责任是形之有效的方法.

作 者：李成友 刘洪福 LI Cheng-you LIU Hong-fu 作者单位：太原理工大学,矿业工程学院,山西,太原,030024刊 名：物探与化探 ISTIC PKU英文刊名：GEOPHYSICAL AND GEOCHEMICAL EXPLORATION年，卷(期)：200731(z1)分类号：P631关键词：瞬变电磁法 煤矿多层采空区 地球物理特征 视电阻率

地面瞬变电磁法 第6篇

关键词：瞬变电磁法（TEM）;多测道剖面曲线图;视电阻率

一、应用原理

地下地质体由于受到地应力的作用会产生节理和断层形成裂隙，裂隙充水后使其导电性增强，形成低阻体。不同低阻体在瞬变电磁仪多测道图上有不同的反应。寻找地下水的过程就是间接寻找地下含水地质构造的过程。

1、用导电模板模拟地下含水低阻构造的不同响应特征。

（1）近于直立导电模板反映特征

导电模板的不同形态和地下低电阻体的倾角有关。具体可参见下图1。

当导电模板倾角a=90°时，在瞬变电磁仪多测道剖面曲线上，导电模板表现的异常为对称于模板的双峰异常。当导电模板倾角a=90°时，虽然发射、接收回线与导电模板距离最小，但是由于发射回线产生的磁场方向与导电模板平行，不能有效的激发导电模板的二次场电流，这样就在导电模板正上方产生了低电位反应，形成对称于导电模板的双峰异常。

⑵ 倾斜导电模板反应特征

当0°≤a<90°时在瞬变电磁仪多测道剖面曲线图上，导电模板表现的异常为不对称双峰异常，导电模板倾向的一侧表现为较高的峰值异常。随着倾角的不断变小，双峰异常的不对称性将更加明显，主峰异常的峰值将不断加大。当倾角a=0°时将在板体的正上方出现近似于单峰的高值异常，如图2 所示。

这种现象产生的主要原因是：当倾角a逐渐变小时，发射回线产生的一次磁场能在导电模板内更好的激发产生感应电流，产生较强的二次磁场。当a=0时导电模板与发射回线产生的一次磁场垂直，能最大限度的激发二次磁场，产生单峰最高异常。当90°

2、根据视电阻率剖面等值线断面图确定含水构造

除了上述，根据瞬变电磁测深多测道剖面曲线图对于导电模板的不同响应特征确定地下水赋存情况，我们还可以依据瞬变电磁测深内业整理成果：视电阻率等值线断面图，确定工作区内的地质构造，达到寻找地下水的目的。

参见图3  瞬变电磁测深视电阻率等值线断面图

二、应用实例

1、在深部地热勘查中的应用

⑴工区地质概况

工作区域一带，位于老爷岭地块的张广才岭边缘隆起中北部。南东部有北东50°延展的敦密岩石圈断裂通过。受敦密岩石圈断裂左行逆冲的挤压，其南东盘相对下陷形成了中生代以来的断陷盆地。受敦密岩石圈断裂控制，自上第三纪至第四纪形成多期玄武岩浆喷发。其中敦密岩石圈主断裂控制了第三纪玄武岩，次级断裂控制了第四纪玄武岩岩浆的活动。控制第四纪玄武岩喷发的断裂是地热源的主要来源。由于该区裂隙分布不均匀，所以确定地热井位难度非常大，一旦井位错误，将给单位造成的经济损失也是巨大的。

⑵工作方法及装置参数

为了增大勘探深度、减小电磁耦合的影响，我们采用大电流、重叠回線装置测量。最大供电电流：200A，发射回线边长25m，供电脉宽10ms，采样率4μs，利用接收线圈接收测量信号。工作网度1000×250m。

⑶成果解释与分析

图4  牡丹江南部地区地热普查860线瞬变电磁测深多测道图

图4中，在475号瞬变电磁测深点附近有一个明显的双峰异常，是一个低阻地质构造的反应，结合该区860线视电阻率等值线断面图图及以往的地质资料分析得到结论：在475号测深点附近有一深部基岩构造破碎带，倾向大号点，倾角大约60度。钻探工作于900m处出现漏液情况，且岩心不完整，是构造破碎带的反应。于井深1250m发现地下热水。成井后出水量30T/h，井口水文45°。

2、在浅层找水中的应用

⑴工区地质情况

北兴农场位于七台河煤矿采空区上方，由于采矿原因，区内地表下沉，地下水含量较少，给我们的水资源勘查工作带来很大的难度。区内第四系（Q）为粘土及砂砾石层，厚30m，第三系（N）为砂、泥岩互层，厚75m，三叠系（T）为中、细砂岩与砂质泥岩。我们工作的目标：在第三系砂、泥岩互层中找到含水裂隙构造。

⑵工作方法及装置参数

由于工作区内有铁磁性物质及高压线路影响为了减小外界耦合误差、提高观测成果的可靠性，我们采用重叠回线、小线圈、大发射电流工作。具体参数如下：发射回线边长1m，最大发射电流200A，供电脉宽10ms，采样率4μs，利用接收线圈接收测量信号。

⑶成果解释与分析

图5  北兴农场水源勘察瞬变电磁测深多测道图

图6  北兴农场水源勘察瞬变电磁测深视电阻率等值线断面图

根据图5北兴农场水源勘察瞬变电磁测深多测道图可以看到，在10号测深点附近有一双峰异常，是一个低阻地质构造的反映。从图6：该剖面的瞬变电磁测深视电阻率等值线断面图可以看出有一“人：字型破碎低阻构造，位置与多测道图的双峰异常吻合。将钻孔布设在10号测深点偏西10m位置，经打钻验证于井深140米处见构造破碎带，最终井深145米，出水量20T/H。

三、结论建议

瞬变电磁法观测频率选择的讨论 第7篇

瞬变电磁观测二次电磁场经过傅里叶变换可得其频谱, 高频反映浅部地质体特性, 低频反映深部地质体特性。一般认为探测深部地质体采用低频进行观测, 探测浅部地质体时使用高频。但此结论是否有一定的适用范围, 尚未见与瞬变电磁法相关的研究提及。因此有必要对这一问题进行探讨。

选择具有代表性的地质体 (高阻围岩中的导电球体) , 考察其瞬变电磁二次电位响应。

1高阻围岩中导电球体的瞬变电磁二次电位响应表达式

假设导电球体位于圆形发送回线的正下方, 重叠回线装置情况下其瞬变电磁场二次电位表达式如式 (1) [1,2]:

式 (1) 中, μ0为空气的磁导率 (一般取μ0=4π10-7h/m) , I为电流, σ为球体电导率, a为球体半径, h为球体埋深, R是圆形发送回线的半径, τ为确定V (t) 衰减速度的特性参数, 表达式为式 (2) 。

式 (1) 中含有无穷项求和, 在实际计算中, k值只能从1取到一个具体的值n (如n=100) , 在保证精确性的条件下确定n的取值。

2 n值的确定

《时间域电磁法原理》[1]一书中谈到一般要求重复观测值的平均相对误差小于10%。《地面瞬变电磁法技术规程》[9], 将15%作为精度衡量标准。

参考以上标准, 可考虑用相对误差10%作为确定n值的条件。考察取不同n值的瞬变电磁响应相对误差如式 (3) 。

式 (3) 中, V (t) n为k最大取n时的瞬变电磁二次电位响应表达式, V (t) n+1为k最大取n+1时的瞬变电磁二次电位响应表达式。需要确定一个最小的n值, 使得, 式 (3) 恒成立。

由式 (3) 化简得

令, 依次代入n=1, 2, 。在Mathematica[10]软件上观察函数F (n, t) 的曲线特征, 可知, 当n≥10时, , F (n, t) <0。即式 (3) 恒成立。式 (1) 可近似为

在实际应用中, 以V (t) /I作为观测量。

进行观测时, 观测量必须要大于仪器精度才有效, 因此有必要确定仪器的精度。

3仪器精度的确定

假设AD转换部件位数为a, 观测量程为±V0, 放大倍数k。则最小分辨率为, 定义3倍最小分辨率为仪器精度v, 用公式表达如式 (6) 。

假设V0=5 V (代入计算时换算为5106μV) , a=16、24, k=100、1 000。计算结果如表1。

根据瞬变电磁二次电位响应表达式可利用软件编程计算其衰减曲线, 进而讨论观测频率问题。

4高阻围岩中导电球体瞬变电磁二次电位响应的计算

选择野外常见的参数, 假设σ=1 S/m, a=20 m, h=0 m, 100 m, 300 m和500 m;R=100 m代入式 (5) , 进而利用Mathematica软件编写代码。主要计算式如下:

μ0=4π10-7h/m, σ=1 S/m, R=100 m, a=20 m, h1=0 m, A=10-6 (将电压转换为以μV为单位) , B=10-3 (时间以ms为单位, 转换为s参加计算, 下同) , τ=μ0σa2/π2

式 (7) ~式 (10) 分别为埋深0 m、100 m、300 m和500 m, 其他参数一定时的高阻围岩中导电球体瞬变电磁二次响应计算式。

运行程序后得到瞬变电磁二次电位响应随时间衰减的曲线, 见图1、图2、图3。其中, 图1由式 (7) ~式 (10) 和取对数后的单位电流的二次电压响应值0.5μV (即仪器精度值0.5μV) 经软件成图得到;图2由式 (7) ~式 (10) 和取对数后的单位电流的二次电压响应值0.006μV (即仪器精度值0.006μV) 经软件成图得到;图3由式 (7) ~式 (10) 和取对数后的单位电流的二次电压响应值0.002μV (即仪器精度值0.002μV) 经软件成图得到。

图1、图2、图3中标示了低、中、高频时窗的范围[11]:低频时窗:0.78~81 ms, 中频时窗:0.312~52.42 ms, 高频时窗0.078~8.1 ms。

5计算结果的讨论

选择不同频率 (时窗) 观测瞬变电磁二次电位响应有效性统计如表2、表3、表4:

由图1、图2、图3和表2、表3、表4知:

(1) 随着导电球体埋深的加大, 其瞬变电磁二次电位响应变弱。

(2) 当导电球体埋深一定时, 增加AD转换部件位数和仪器放大倍数, 有效观测时间延长。

(3) AD转换部件位数为16位, 放大倍数1 000倍时, 仪器精度值为0.5μV, 选择低频时无法观测埋深0 m、100 m、300 m、500 m的高阻围岩中的导电球体;选择中频可以观测埋深0 m、100 m的高阻围岩中导电球体;选择高频可观测埋深0 m、100 m、300 m的高阻围岩中导电球体。换言之, 只要地质体参数一定, 低频观测不到深部, 中频和高频能有效观测浅部、中部埋深地质体。

(4) AD转换部件位数为24位, 放大倍数100倍时, 仪器精度值为0.006μV时, 选择低频仍然无法观测埋深0 m、100 m、300 m、500 m的高阻围岩中导电球体;选择中频可观测埋深0 m、100 m、300 m的高阻围岩中导电球体;高频可以观测埋深0 m、100 m、300 m、500 m的高阻围岩中导电球体。此时, 中、高频能有效观测浅部、中部、深部埋深的地质体, 低频观测不到深部。

(5) AD转换部件位数为24位, 放大倍数1 000倍时, 仪器精度值为0.002μV, 低频不能观测到埋深100 m、300 m、500 m的高阻围岩中导电球体, 只能观测埋深0 m的高阻围岩中导电球体;选择中频、高频可以观测埋深0 m、100 m、300 m、500 m的高阻围岩中导电球体。说明低频仍无法观测埋深较深的地质体, 而中频、高频能有效观测埋深浅、中、深的地质体。

可见, 一般认为的探测深部地质体采用低频进行观测, 探测浅部地质体时使用高频这一结论并不是严格成立的。一般来说, 采用高频探测浅部, 采用高频或全频探测深部将会获得更好的效果。以上讨论中还能得到如下启发: (1) 实际工作中应尽量估算地质体参数, 计算其瞬变电磁二次电位响响应衰减曲线, 选出最佳的观测频率; (2) 在野外工作中, 可采取加大供电电流, 增加发射线圈匝数和接收线圈面积等方法来增强地质体二次电位响应强度, 达到利于观测的目的; (3) 在野外工作时可分别试验高、中、低频, 选出探测效果较好的频率; (4) 在设计仪器时, 可增加AD转换部件位数, 增大放大倍数, 应使时窗尽量靠前, 延长时窗前期观测范围。

摘要：选择瞬变电磁观测频率时, 一般认为探测深部地质体采用低频, 探测浅部地质体采用高频。对于高阻围岩中的导电球体, 在AD转换部件位数为16位、24位, 放大倍数为100倍、1 000倍的条件下, 选择野外常见的参数, 假设电导率1 S/m, 球体半径20 m, 埋深为0 m, 100 m, 300 m和500 m, 圆形发送回线半径100 m计算, 发现低频无法观测埋深较深的高阻围岩中导电球体的瞬变电磁二次电位响应;而高频可较好地观测浅、中、深部地质体。说明探测深部地质体采用低频这一结论并不是严格成立的。讨论还为实际工作和仪器设计提出了有益的建议。

关键词：瞬变电磁法,二次电位响应,观测频率,仪器精度,有效观测时间

参考文献

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[10] Trott M.The Mathematica Guide Book for Symbolics.New York:Springer, 2006

瞬变电磁法数据滤波方法对比研究 第8篇

瞬变电磁法(TEM)是目前地球物理探测领域里一种应用前景非常广阔的新勘探方法,与其它物探方法相比,它具有操作简单、信息丰富、精度较高、投资小、见效快等优点,因而被广泛地应用到地矿、工程地质、地下水资源评价、油气田和煤田水文地质勘探等方面[1~5]。十多年来,瞬变电磁法在国内备受青睐并快速发展,应用领域、新技术、新观测系统不断涌现,研究成果不断涌现[6~8]。由于瞬变电磁观测的是二次场,具有信号弱、噪声水平高的特点,尤其是在工程物探应用中,人文干扰更为严重,有效信号往往被淹没在噪声中。因此,在计算电阻率以前,为了得到真实的地质体电性特征,需要对原始数据进行滤波处理,从而突出有效信号,提高数据的信噪比,压制或剔除干扰信号[9]。瞬变电磁信号噪声处理方法较多,目前数据处理软件中常用的方法有多次叠加法、卡尔曼滤波法、多项式滤波法、三点滤波法和无相移滤波法等。由于瞬变电磁数据采集仪器通常都具有自动多次叠加功能,本文将结合实例研究卡尔曼滤波法、多项式滤波法、三点滤波法和无相移滤波法,探讨它们的数据处理效果。尽管对于瞬变电磁数据滤波方法的研究已经有了一些成果,如曹建章等提出了一种软、硬件相结合的自适应滤波方法[10];刘家富等对比了平滑法、独立成分法和小波方法对数据的滤波效果[11],结果表明采用快速独立成分分析法与小波分析联合算法,得到的数据均方根误差更小,信噪比更高,平滑度更小。但是,这些研究基本上都是局限于数据本身,并没有经过地质验证。本文在已知地质情况的基础上,分析了不同方法的滤波效果,因此数据滤波的效果更加直观。

1 瞬变电磁法介绍

瞬变电磁法或称时间域电磁法(time domain electromagnetic methods,简称TEM),它是利用不接地回线或接地线源提供双极性脉冲电流激发电磁场,在一次脉冲电磁场间歇期间,利用不接地线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。由于电磁场在空气中传播的速度比在导电介质中传播的速度大得多,当一次电流断开时,一次磁场的剧烈变化首先传播到发射回线周围地表各点,因此,最初激发的感应电流局限于地表。地表各处感应电流的分布也是不均匀的,在紧靠发射回线一次磁场最强的地表处感应电流最强。随着时间的推移,地下的感应电流便逐渐向下、向外扩散,其强度逐渐减弱。研究结果表明,任一时刻地下涡旋电流在地表产生的磁场可以等效为一个水平环状线电流的磁场。在发射电流刚关断时,该环状线电流紧挨发射回线,与发射回线具有相同的形状。随着时间推移,该电流向下、向外扩散,并逐渐变形为电流环。早期瞬变电磁场是由近地表的感应电流产生的,反映浅部电性分布;晚期瞬变电磁场随时间的变化规律,可以探测大地电性的垂向变化[12]。

由于TEM场与大地电阻率之间关系十分复杂,只能利用极限条件下瞬变电磁场表达式来推导视电阻率ρτ的公式。重叠回线装置视电阻率ρτ为[13,14]:

式中:L为发送回线的边长(m);t为测道的时间(ms);V(t)/I为观测值(μV/A)。

TEM测量的是随时间衰减的二次场瞬变信号,该信号往往受到来自瞬变电磁仪自身和外部的电磁噪声干扰,尤其是自然噪声和人文噪声。有效信号强度远小于外部噪声,特别是二次场的晚期信号,富含低频成分,直接与深度探测目标密切相关[12],使得深部地质目标的瞬变电磁响应被淹没在噪声之中,直接影响了瞬变电磁信号的质量以及后期的数据处理和反演计算等。本文研究了在TEM数据预处理中常用的四种方法,在实例分析的基础上,对比分析了这些方法的处理效果,为TEM数据预处理方法选择提供了参考。

2 滤波方法

数字滤波是一种广泛应用于实际生产中的数据预处理方法,具有方法简单、计算迅速、除噪效果好等优点。数据滤波处理的主要作用是消除晚期干扰噪声影响,以提高晚期信号的信噪比。常用的瞬变电磁数据滤波方法有四种:多项式滤波、卡尔曼滤波、无相移滤波和三点滤波。

多项式滤波是最小二乘滤波的一种,对于随时间变化的一组数据(tk,xk)(k=1,2,…n)可构造m次多项式:

使得下式取极小值:

式中:tk表示时间;xk表示tk时刻的测量值;m为多项式的次数;n为选取的数据点总数;x(tk)表示tk时刻的除噪值。通过解线性方程组便得到多项式系数a0,a1,…,am的值。

卡尔曼滤波是一种高效率的递归滤波器,它能够从一系列的不完全包含噪声的测量中,估计动态系统的状态。具体过程如下:

首先,我们先要引入一个自回归系统:

假设系统的测量值为:

式中:X(k)是k时刻的系统状态;U(k)是k时刻对系统的控制量;a和b是系统参数;Z(k)是k时刻的测量值;h是测量系统的参数;W(k)和V(k)分别表示过程和测量的噪声。

下面利用噪声的方差来估算系统的最优化输出。首先我们要利用系统的过程模型,来预测下一状态的系统。假设现在的系统状态是k,根据系统的模型式(4),可以基于系统的上一状态而预测出现在状态:

式中:X(k|k-1)是利用上一状态预测的结果;X(k-1|k-1)是上一状态最优的结果,U(k)为现在状态的控制量。结合预测值和测量值,可以得到现在状态k的最优化估算值X(k|k):

式中:Kg为卡尔曼增益(Kalman Gain)。

无相移滤波技术是先将输入序列按照顺序滤波,然后将所得结果逆转后反向通过滤波器,再将所得结果逆转后输出,即得到精确零相位输出。对于一个样本总数是N的序列,第n个测量值y(n)满足滤波方程[15]:

式中:x(n)表示输入序列;h(n)表示单位脉冲响应序列;y(n)为滤波或逆转后的结果;N为输入数据序列的点数。公式对应的频率域为:

由(9)式可得:

上式表明,输出与输入没有相位差。

三点滤波即三点平均滤波,它是移动平均滤波方法的一种,表达式为[16]:

3 研究区概况

本文研究区为焦作煤矿中马村矿,位于河南省焦作市东北部8km,行政上隶属焦作市马村区待王镇管辖,地理坐标东经113°16'2″~113°22'11″,北纬35°15'37″~35°19'11″。

3.1 区域地质

本区属全掩盖区,地层整体倾向东南,第三系、第四系地层厚度西北部薄,东南部厚。据矿井和钻孔工程揭露,发育地层由老至新有:奥陶系中统马家沟组(O2m),石炭系中统本溪组(C2b)、上统太原组(C3t),二叠系下统山西组(P1sh)、下石盒子组(P1x)、上石盒子组(P2s)和第三系、第四系(Q+N)(见图1)。矿区内含煤地层为石炭系上统太原组、二叠系下统山西组,太原组为一煤组,山西组为二煤组。该区共含煤13层,煤层总厚度8.93m,含煤系数为5.24%。其中山西组下部的二1煤层为全区可采煤层,太原组下部的一2煤层为大部可采煤层,一5煤层为局部可采煤层,可采煤层总厚度7.61m,可采含煤系数为4.47%。

矿区内断裂发育,多为高角度正断层,伴有褶曲及小型逆断层,且以近东西向、北东向和北西向三组断裂为主。近东西向断层主要有盘古寺断层(F8)、凤凰岭断层(F4-2)、南张门断层(F212)等;北东向断层主要有王封断层(F4)、李庄断层、九里山断层(F14)和薄壁断层(F41)等;北西向断层主要有方庄断层和北碑村断层、峪河断层(F20)和赤庄断层。本文中物探剖面所涉及的断层从北到南有李庄断层、中四断层、南中四断层和九里山断层,均为正断层。九里山断层、李庄断层为北东走向,中四断层、南中四断层均为近东西走向(见图1)。

图1 中马矿06线水文地质剖面Fig.1 Hydrogeological section of line 06 of Zhongma Coal Mine

3.2 区域水文地质

由于该区受北东向、北西和近东西向三组高角度断裂的影响与控制,基岩地层被切割破碎,导致各含水层之间均具有一定的水力联系,区域水文地质条件甚为复杂。本区地下水除接受大气降水与隐伏露头区附近第三系、第四系孔隙水在“天窗”地段的补给外,主要为来自太行山区的侧向径流补给,煤田则位于区域地下水径流带。据区域水文地质资料,西北部山区补给区,石灰岩面积1000多平方公里,基岩大面积裸露,以透水性良好的寒武系和奥陶系碳酸盐岩为主,具有良好的天然补给条件。地下水通过岩溶与断裂发育带汇集于山前煤田下部,由于受到近东西向压性断裂与石炭系、二叠系弱透水岩体的阻隔和导向,转而向东、东南运移,排泄于区外。

按照地层的岩性、厚度、含水空间特征及埋藏条件等,区内可划分三种类型的含水岩组:第三第、第四系砂、卵砾石孔隙含水岩组;二叠系砂岩裂隙含水岩组;奥陶系及石炭系灰岩岩溶裂隙含水岩组。由于富水性极弱,太古界火成岩、变质岩及元古界震旦变质岩含水岩组可视为区域隔水层基底;第三系、第四系、二叠系、石炭系地层中的泥质碎屑岩类则视为相对隔水层[17]。

4 研究结果

结合矿区的施工条件和地质情况,此次瞬变电磁野外工作沿中马矿06线水文地质剖面(见图1)进行。根据测区地质情况及目标层深度,并考虑测量前进行的试验结果,最终选择参数如下:重叠回线装置,回线边长5m×5m,发射电流I=100A,发射线圈匝数2,接收线圈匝数4,叠加次数64。野外数据预处理时,分别采用多项式滤波、卡尔曼滤波、三点滤波和无相移数字滤波四种方法。图2为经过不同的滤波方法处理后对应的视电阻率剖面,本文分别从目标地质体的产状、空间分辨率和断层的识别效果三个方面来分析这几种滤波方法处理瞬变电磁数据的效果。

图2 不同滤波方法滤波后电阻率断面Fig.2 Resistivity sections of diverse filtering methods

图2(a)、2(b)、2(d)表明,多项式滤波、三点滤波和无相移滤波均较好地反映了地层的产状特征;而卡尔曼滤波(图2(c))结果则基本上无法说明地质产状,尤其是在地面距离300~900m范围内,完全是失真的状态,效果较差。三点滤波(图2(b))与无相移滤波(图2(d))处理的结果相似,对空间上地质体的分辨率相同,特别是在两个九里山断层中间夹层突出的相对高电阻地质体(地面距离1550~1650m、深度200~350m)均具有良好的效果;而多项式滤波(图2(a))和卡尔曼滤波(图2(c))处理结果中,对较小地质体的地电异常反映不佳,与附近电性地质体相连,基本无法识别该高电阻地质体。

TEM视电阻率断面图(图2)还表明,在多项式滤波、三点滤波和无相移滤波结果中,地面距离400~600m和深度200~400m范围内,等值线发生突变,高电阻体上升,低电阻体下降,表现了李庄断层的特征。同样地,三点滤波和无相移滤波结果中,地面距离1500~1700m和深度200~400m范围内,出现了一个高电阻体突出;同时,地面距离1600~1700m和深度300~500m范围内,也出现了高电阻上升、低电阻体下降,这正是南北两个九里山断层的表现。而在多项式滤波(图2(a))结果中,并没有表现出高电阻体突出,但是基本反映了九里山断层低电阻上盘下降和高电阻下盘上升的特点。

5 结论与建议

本文根据瞬变电磁方法测量数据的特点,结合实例分析了四种常用滤波方法对数据噪声的处理效果,并与地质资料进行了对比和验证。综合以上分析可得出以下结论。

(1)多项式滤波、三点滤波和无相移滤波具有相似的数据处理效果,能够较好地反映地层的产状特征。

(2)三点滤波和无相移滤波能较好地反映较小地质体和断层,表现出了较好的空间分辨率,而多项式滤波的空间分辨率则相对较差。

(3)卡尔曼滤波的处理结果基本上不能正确反映地层产状和断层的特征,处理效果较差。

尽管本文较为详细地讨论了几种滤波方法的处理效果,为瞬变电磁方法在工程实践中的应用提供了有益的探索,但瞬变电磁数据处理方法仍然存在大量的问题需要研究,主要表现在以下几个方面:首先,随着数学处理方法的不断涌现并被应用到瞬变电磁领域,数据处理方法的选择性问题依然会困扰研究者;其次,由于噪声的影响因素是多样的,而专门对各种类型噪声在瞬变电磁野外数据中的表现形式及其特征的研究明显不足,成果极少;最后,本文中涉及到的实例较少,仍然需要大量的实测资料来完善和验证。

摘要：瞬变电磁法在煤矿地质调查中应用广泛,它是利用二次场来探测地质体的一种方法。在各种噪声的影响下,地质目标的瞬变电磁响应(二次场信号)被淹没在噪声之中,直接影响了瞬变电磁信号的质量以及后期的数据处理和视电阻率的计算等。本文在实例研究的基础上,分析对比了瞬变电磁数据处理中常用的多项式滤波、三点滤波、无相移滤波和卡尔曼滤波方法对所探测地质体的数据处理效果,研究结果表明,多项式滤波、三点滤波和无相移滤波具有相似的数据处理效果,均能够很好地反映地层的产状特征,而三点滤波和无相移滤波能较好地反映较小地质体和断层,表现出了良好的空间分辨效果。

地面瞬变电磁法 第9篇

瞬变电磁法 (TEM) 是一种利用电磁感应原理预测岩溶水的地球物理方法, 由于其与地质雷达, 地震反射波法 (TSP法) 等物探方法相比有其自身的优势, 如果将其应用于隧道的超前预报中, 定会有很好的发展前景, 同时对指导施工起到很重要的作用。

目前瞬变电磁法应用于隧道超前地质预报在我国仍处于起步阶段, 具体的应用及解译方法还不够完善和统一, 最终影响了预报结果的准确性。作者通过将瞬变电磁法大量应用到隧道超前地质预报, 从中总结出一套较为准确、有效的应用及解译方法, 同时为以后工作的应用提出了一些建议。

1瞬变电磁法的基本原理

瞬变电磁法是一种时间域电磁法, 它是利用阶跃波形电磁脉冲激化, 利用不接地回线向地下发射一次场, 在一次场断电后, 地下介质就会产生感应二次场, 由于良导电介质内感应电流的热损耗, 二次场大致按指数规律随时间衰减, 形成瞬变磁场。二次场主要来源于良导电介质内的感应电流, 因此它包含着与地下介质有关的地质信息。二次场通过接收回线观测, 对所观测的数据进行分析和处理, 据此, 解释地下介质及相关物理参数。

2瞬变电磁法隧道超前地质预报的应用方法

2.1 仪器的组成

瞬变电磁仪主要由发射机、接收机及线圈支撑框架三部分组成。

2.2 现场应用方法

首先, 由于洞内工作环境较差, 容易损坏线圈支撑框架的连接头, 所以尽量在洞外进行线圈支撑框架的拼装。其次, 为了尽量避免金属低阻体对探测结果的干扰, 在进洞探测前将施工台架退离掌子面50 m外, 然后进行仪器连接。将发射线圈和探头固定在线圈支撑框架上, 并将框架贴近掌子面, 掌子面要尽量平整, 确保框架与掌子面平行。准备工作就绪后开始进行探测, 一般情况下布置测线一条, 从左至右紧贴掌子面移动框架, 每移动0.5 m进行一次探测, 即测点点距0.5 m。探测结束后存储数据, 对探测效果不好或者可疑的掌子面部分可以进行加密探测。掌子面探测结束后, 采用发射线圈8匝和单匝分别进行测量, 根据两次测量的数据可以得到线圈的自身感应, 在隧道中部 (前后50 m内没有其他影响) 垂直于隧道轴线布置一条测线, 以测量隧道内的背景场。

3瞬变电磁法隧道超前地质预报的解译方法

3.1 瞬变电磁解译图件

1) 感应电动势衰减曲线图。

感应电动势衰减曲线图横轴代表时间道号, 纵轴代表感应电动势值。衰减曲线常绘制在双对数坐标系中, 也可采用单对数坐标系。为便于不同测点衰减曲线间的对比, 实际工作中可将不同测点衰减曲线绘制在一张图上 (见图1) 。现场数据采集时便可得到每一测点的感应电动势衰减曲线, 从曲线的衰减趋势上可以初步判断出采集数据质量的好坏。

2) 感应电动势剖面图。

以测点为横轴, 采集的感应电动势为纵轴, 沿测线方向绘出各时间道的曲线, 即得到该剖面线上的感应电动势剖面图。横轴采用线性坐标, 纵轴可采用线性或对数坐标。为便于多道曲线对比和部分道数据变化范围较大时用对数坐标, 即采用对数和线性混合坐标系 (见图2) 。感应电动势剖面曲线特点是通过对比不同时间道感应电动势值与地下地质体对应关系显示的。通过不同测点的感应电动势衰减速度来判断各测点在同一深度处的视电阻率值的大小, 即衰减速度越快视电阻率值越大。

3) 视电阻率平剖图。

视电阻率平剖图中横轴代表测点点号, 纵轴代表探测深度。横轴采用线性坐标, 纵轴既可采用线性坐标, 又可采用对数坐标 (见图3) 。图中通过各个测点曲线的斜率变化来反映视电阻率值的变化, 即斜率变大时, 视电阻率的值变小。

4) 视电阻率等值线纵深剖面图。

以测点为横轴, 距掌子面距离为纵轴, 以视电阻率为记录值, 绘制出视电阻率等值线纵深剖面图 (见图4) 。值得说明的是, 该图中表明的视电阻率值并非岩体或者不良地质体的真实电阻率值。但是视电阻率较低的部位其真实电阻率也低, 即为低阻异常区域。该剖面图为最终形成的解译图件, 其直观的绘出了沿测线地电断面电性变化特征, 可以从中判断出不良地质体的规模、形态及埋深等。

除了上述较为主要的解译图件外, 瞬变电磁还可以形成瞬变场等值线平面图、视纵向电导微分成像图等, 都对数据解译有所帮助。

3.2 后期解译方法

后期解译就是将现场探测到的数据采用相关反演分析软件进行处理, 得到上述资料图示, 同时结合前期的地质勘察资料以及预报掌子面的地质素描对预报段进行准确的地质预报。解译过程中需要注意以下几点:1) 在进行解译前详细阅读前期勘察资料, 了解预报洞段附近的围岩岩性、稳定性、地下水类型以及可能存在的不良地质体等。2) 结合预报掌子面的地质素描对前方洞段的地质情况进行预判。3) 在现场预报中, 若感应电动势衰减曲线类似抛物线形式衰减且晚期时间道数据不发生震荡, 则数据采集效果较好。但是有时很难避免晚期时间道数据发生震荡, 这样在后期数据处理过程中将发生震荡的晚期时间道适当剔除。4) 若视电阻率等值线纵深剖面图中低阻异常区域反应较为明显, 则先勾出异常轴或者圈出异常区域。5) 结合地质资料和掌子面地质描述对异常区域做深入的地质分析, 判断引起异常的原因, 采用专业地质语言进行解释。6) 若视电阻率等值线纵深剖面图中低阻异常区域反应不明显, 则结合其他处理图件如感应电动势剖面图和视电阻率平剖图进一步详细分析。同时结合该洞段的勘察资料最终给出较为准确的预报结果。

4部分不良地质体解译标示

1) 断层:

对于掌子面前方存在含水断层的情况, 视电阻率等值线基本呈直线产出且在断层区域发生密集, 视电阻率值随深度的增加而骤减。穿过断层后视电阻率等值线逐渐变稀松, 视电阻率值随深度的增加继续均匀增大。

2) 溶洞:

对于掌子面前方存在单一富水溶洞的情况, 视电阻率等值线会在溶洞所在区域发生弯曲甚至闭合, 且在该处视电阻率值较其他区域明显偏低。

对于掌子面前方存在多个富水溶洞的情况, 剖面图中会在多个溶洞对应区域发生上述现象。

3) 溶隙、裂隙:

对于掌子面前方存在多处含水裂隙 (溶隙) 的情况, 视电阻率等值线会在对应区域发生小范围的闭合, 且视电阻率值在此处较低。

4) 无不良地质体:

对于掌子面前方不存在不良地质体的情况, 视电阻率等值线基本呈直线产出, 且视电阻率值随深度的增加而均匀增大。

5结语

1) 瞬变电磁法在隧道超前地质预报中有着广泛的应用前景, 但是需要对其仪器进行改进, 从而使其更加适应洞内环境。

2) 从瞬变电磁的应用效果也可以看出完全依靠使用单一的物探手段是不足以解决隧道不良地质条件超前预报问题的, 需要综合多种手段, 总体把握综合分析才能获得更加科学的超前预报成果。

参考文献

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

[2]牛之链.时间域电磁测探法原理[M].长沙:中南工业大学出版社, 1992.

[3]方文藻.瞬变电磁测探法原理[M].西安:西北工业大学出版社, 1992.

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[6]薛国强, 宋建平, 武军杰, 等.瞬变电磁法探测公路隧道工程中的不良地质构造[J].长安大学学报 (地球科学版) , 2003, 25 (4) :73-76.

瞬变电磁法对多层富水层的探测能力 第10篇

瞬变电磁法 ( Transient Electromagnetic Method, 简称TEM) 作为一种新兴地球物理勘探手段, 具有探测深度大、横向分辨率高、低阻响应灵敏、抗干扰能力强及工作效率高等传统勘探方法所不具备的优势[1], 并且更适用于高阻围岩中含水充泥断层裂隙的探测[2,3,4,5]。然而, 该勘探技术在工程应用中也存在一些棘手问题, 其中最为突出的是沿探测深度方向上多层低阻异常的有效性探测问题。如果处理不好这个问题, 势必会给数据处理和解释造成一定误差和多解性, 一定程度上也限制了瞬变电磁的进一步推广应用。

本文通过设计不同地电模型进行正演计算, 针对多层富水层的设置, 分析比较了各种地层条件下视电阻率及其导数的曲线特征, 初步探讨了瞬变电磁法对多层富水层的探测能力, 为今后进一步研究提供了一定借鉴意义。

1 TEM探测能力理论分析

1. 1 正演基本原理

利用标量赫兹位与电磁场分量E, H, B, D的关系, 便可得到频率域中电磁场分量的表达式:

经傅里叶变换把频率域转换为时间域电磁场表达式, 从而得到各项同性水平层状地表上, 由阶跃电流激励在中心点接收的瞬变响应, 有如下两式[6,7]:

最后根据视电阻率定义[8], 得到晚期视电阻率表达式:

1. 2 正演模拟分析

本文设计了以1 层富水层、2 层富水层及3 层富水层为例的一维正演模型, 地电模型参数见表1。发射线圈总面积为 ( 60 ×60) m2, 在发射线圈中通入电流I = 3 A, 接收线圈总面积为4 000 m2, 关断时间取为0, 在设置好以上参数后, 通过一维正演程序, 可以得到相应地电模型的视电阻率曲线 ( 见图1 ~ 图3) 。

富水层在视电阻率曲线中的响应特征见表2。

2 应用实例

2. 1 地质与地球物理概况

测区属于郁江向斜东翼中泥盆统东岗岭阶 ( D2d) 灰岩区, 整体为一单斜构造, 形态单一, 岩层倾向158° ~ 180°, 倾角12° ~18°。该区地面标高一般为27 m ~ 31 m, 采坑底最低标高- 5 m。测区所在地地表水系较发育, 该区三面环河, 南面为浔江, 河宽水深, 流量大, 东面为秦川河 ( 浔江支流) , 北面为无名河 ( 秦川河支流) 。

测区由两个相邻采区组成, 东侧为一区采场, 西侧为二区采场。目前两采场部分区域已开采至- 5 m, 并已停止向下开采。矿山在开采到- 5 m台段后, 矿坑出现较大涌水, 矿坑周围出现岩溶塌陷。

由以往地质调查工作可知, 一、二区采场矿坑东面有4 条岩溶地下水强径流带, 南面有5 条岩溶地下水强径流带。该区域地下水位较浅, 因而下伏的含导水通道应为充水或充泥特性, 属于低电阻率特征。测区及周边的岩性较为单一, 主要是灰岩, 部分存在方解石充填情况。由此可见, 该测区具备应用瞬变电磁法来查明已推断径流带准确位置的地球物理前提 ( 见表3) 。

2. 2 应用效果分析

本文仅以一区采场东部地质推断的岩溶地下水径流带为例, 来说明瞬变电磁法应用于露天矿山地下多层涌水通道探测的地质效果。

由图4 可知: 经处理切除浅地表的“盲区”数据后, 该成果图显示出该测区地下水径流带的空间分布特征。经现场踏勘分析, 可知: 浅地表由于受充沛的大气降水以及植物根系储水等因素影响, 使得浅地表含水率较高, 整体呈中低阻水平。

从图4 整体上看, 深度40 m以内, 地电信息复杂多样, 是瞬变电磁重点解释区域; 深度40 m以下范围, 视电阻率分布均匀且整体呈高阻, 推断该层位为完整性较好的灰岩。

对于深度40 m以内的范围, 地电断面主要分布有两处低阻异常区。第一处异常区大体分布在深度8 m ~ 18 m的范围内, 低阻异常主要呈水平带状分布, 视电阻率普遍小于200 Ω·m, 推断该深度范围地层结构较破碎, 发育贯通性较好的溶隙裂隙等导水储水构造。深度25 m ~ 30 m范围为另一处低阻异常区, 该层位分布三处异常点, 分别处于该深度层位的3 m, 12 m及20 m ~40 m的测线位置, 尤其以第三处异常点空间分布最为明显, 推断前两处异常点发育溶隙裂隙的导水储水构造, 第三处异常点发育成熟的导水溶腔构造。此外, 与地电断面上下两处异常区相比, 介于上述两处异常区之间地层视电阻率较高, 形成上下两层地下水径流带的隔水构造。

为验证瞬变电磁探测效果, 在图4 所示位置进行钻孔取芯验证。由钻孔资料可知, 深度3. 8 m ~ 4. 8 m处探明红粘土充填的溶洞, 深度4. 8 m ~ 14. 6 m处为泥灰岩与破碎灰岩胶结, 受大气降水的地表入渗补给影响, 该层位含水率较高, 呈低阻, 对应图4 中的第1 层低阻异常; 深度27. 3 m ~ 28. 4 m处探明完整性极差的灰岩, 且存在溶蚀现象, 对应图4 中的第2 层低阻异常。以上2 层低阻异常深度位置与瞬变电磁测线所测得的低阻异常深度位置基本吻合。

综上所述, 瞬变电磁测线探测成果分析结论与钻探验证资料之间存在较高一致性, 充分说明了瞬变电磁法应用于2 层富水层的探测具有显著的地质效果。

3 结语

通过分析一维地电模型正演模拟得到的视电阻率曲线特征, 对瞬变电磁法探测多层富水层的能力进行了初步探讨:

由表2 可见: 理论上, 瞬变电磁法对于1 层富水层的探测, 完全具备探测能力; 对于2 层富水层的探测, 需要合理设置采集参数, 才能取得良好的探测效果; 但对于3 层及3 层以上的情况, 上部2 层富水层的屏蔽影响较严重, 利用瞬变电磁法开展探测工作较为困难。

实际应用中, 瞬变电磁法以点测方式来开展探测工作, 对于每一测点来说, 瞬变电磁法在探测深度方向上至多能识别出2 层富水层, 同时, 由于每一测点位置所测得的富水层深度位置差异以及瞬变电磁场自身性质 ( 即“环形电流”以一定角度向下向外扩散传播[9]) , 使最终得到的视电阻率断面图出现多于两层低阻异常的测点位置。认清这一点, 对于今后瞬变电磁法数据解释工作有一定的指导作用。

摘要：通过设计不同地电模型进行正演计算, 针对多层富水层的设置, 分析了各种地层条件下视电阻率及其导数的曲线特征, 并结合工程案例, 验证了瞬变电磁法对多层富水层的探测能力, 为矿山防治水工作提供了参考。

关键词：瞬变电磁,多层富水层,探测能力,一维正演

参考文献

[1]牛之琏.脉冲瞬变电磁法及其应用[M].长沙:中南工业大学出版社, 1992.

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[4]伍卓鹤, 李新宁, 陈泉芳, 等.瞬变电磁法在矿产勘查中的应用研究[J].华南地震, 2007, 27 (3) :26-43.

[5]李章波, 陈露.复杂地形下瞬变电磁法探测多层采空区积水[J].四川地质学报, 2015, 35 (3) :443-447.

[6]罗回国.瞬变电磁大定源回线一维正演模拟研究[D].北京:中国地质大学, 2012.

[7]朴化荣.电磁测深法原理[M].北京:地质出版社, 1990.

[8]李貅.瞬变电磁测深的理论与应用[M].西安:陕西科学技术出版社, 2002.

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

地面瞬变电磁法 第11篇

关键词：大回线源瞬变电磁法 煤矿灾害地质调查 可行性

煤矿资源对于我国国民经济的发展有着重要的地位，在社会的发展下，煤炭开采的深度也变得越来越大，同时，煤矿的水文地质问题也给煤矿安全生产带来了一定的影响，尤其是在采掘机械化程度的提升下，煤矿地质危害也變得越来越突出，传统的物探手段可以帮助勘探人员分析出煤矿的水文地质与地质构造情况，为安全生产工作奠定好基础，但是需要耗费较大的人力、物力、财力。而将大回线源瞬变电磁法应用在煤矿灾害地质的调查中即可很好的弥补传统物探手段的不足，下面就针对大回线源瞬变电磁阀在煤矿灾害地质中应用的可行性进行深入的分析。

1 瞬变电磁法的原理

瞬变电磁法的调查原理就是在不接地回线中用方波电流的形式来发送出一次电磁场，再用接收线圈来接收二次涡旋电磁场，这就能够帮助研究者利用电磁场时空分布特征来解决探测地质、寻找矿产等问题。电磁场在空气中的传播速度远远大于导电介质传播速度，在一次电流被断开时，感应电流会逐渐向外、向下扩散，强度越来越弱，最终趋于平衡，这也可以称之为“眼圈效应”，只要利用电磁场的变化规律就能够分析出大地电性的变化情况。

大回线源瞬变电磁法有着良好的响应能力，可以应用在煤矿断层与裂隙水性评价、煤层顶板水层划分等工作之中，该种方法可以有效防止电极接触条件变化对测试结果产生不良影响，测量效率高，精确度理想。

2 大回线源瞬变电磁法的工作原理分析

2.1 装置模式

大回线源瞬变电磁测量装置包括接收回线与发射回线两个内容，常见的测量装置有同点回线装置、分离回线装置与框一回线装置。其中，同点回线装置根据接收线圈与发射线圈的位置，又能够分为中心回线与重叠回线两种形式；分离回线装置也能够称之为偶极装置；框一回线装置也称之为大回线定源装置。

采用何种装置需要根据具体的施工条件、勘探目的以及装置特点来决定，大回线源瞬变电磁阀形态简单，横向分辨率高，基本不会受到旁侧的影响，但是在边线较长的情况下，会给野外施工带来一些困难，因此，在必要的情况下，可以适当增加接收回线与发射回线的边长，这不仅能够延长信号时间，还能够有效强化信号强度，提升探测的深度。

2.2 大回线瞬变电磁法装置与垂直磁场分布特征

大回线瞬变电磁法装置能够在框中同时测量多个数据点，测量效率十分的理想，其垂直分量近似均匀，不需要进行场源校正，在一定的条件下，可以在更大区域中观测，只要采取相应的矫正方法即可达到理想的观测数据，目前，大回线瞬变电磁法已经在煤矿灾害地质调查中得到了广泛的使用，并取得了理想的测量效果。

3 大回线源瞬变电磁法应用在煤矿灾害地质调查的可行性分析

3.1 测量仪器

常见的测量仪器有Geonice公司的EM37、47与57，GEO公司的SIROTEM-II、III等等，这些仪器已经开始在煤矿地质调查中得到了广泛的使用，目前，国内外的单位已经针对野外试验进行了科学的分析，研制出了一些勘探深度浅以及功率小的仪器。

3.2 常用的解释方法

在大回线源瞬变电磁法的解释技术上，常用的有一维反演与二维电阻率两种形式，其中，二维技术还处在初步研究结果，尚未进行大范围的推广和使用，三维正演能够采用积分方程进行解释，但是，计算量较大，因此，其使用也受到了一些限制。在近年来，一些新型TEM数据解释软件出现，其中代表性的就是Interpex公司研制的数据处理系统，系统计算方式有瞬变电磁阀、相位激电、频谱激电、直流电法与大地电磁法，能够实现对块状模型模拟、复合板状模型模拟以及层状介质模拟的计算。

3.3 预期解决的问题

大回线源瞬变电磁法虽然已经在我国应用了一段时间，但是主要还是应用在找矿上，在本世纪初，开始应用在煤矿防治与地下水勘察工作中。煤矿作为我国的重要能源，在具体的生产过程中，水害常常会给煤矿生产造成灭顶之灾。而大回线源瞬变电磁法应用在煤矿地质调查中可以解决以下几个问题：第一，由于采空区问题引起的积水；第二，由于陷落柱引起的积水与导水；第三，由于构造问题导致的岩溶水与含水层导通的问题；第四，由于构造情况引起的顶板与含水层的导通。

4 结语

总而言之，煤矿采区有着多解性与复杂性的特征，如果使用单一地质调查方式，往往无法取得理想的调查结果，而大回线源瞬变电磁法有着分辨率高、施工效率高、敏感度理想的优势，能够对矿区地质构造及水文情况进行定量评价，帮助工作人员采取相关的防治措施，该种方式是值得进行大范围推广和使用的。

参考文献：

[1]张德元，陈光明.瞬变电磁法在四川某矿水害探测中的效果[A].四川省煤田地质局论文集[C].2010.

[2]周磊，严良俊，何展翔，陈小斌.频率域线源近区（过渡区）测深理论初步研究[J].地震地质，2010（03）.

[3]薛国强，李貅，底青云.瞬变电磁法正反演问题研究进展[J].地球物理学进展，2008（04）.

瞬变电磁法在富水矿井中的应用 第12篇

山西省西南部某矿矿井生产能力0.6Mt/a, 井田内10#、11#煤层是该矿主采煤层, 依据已有的井田水文地质资料可知, 10号煤层底部至奥灰顶界面区间的隔水层厚度为30.19m, 11号煤层底部至奥灰顶界面区间的隔水层厚度为16.17m, 由于11号煤层底部隔水层厚度较小, 开采时底板破坏带会导通奥灰含水层, 是威胁煤层安全生产的最大隐患。因此, 恰当选用地球物理探测技术准确及时提供煤层的富水性、含水构造是保障生产及人身安全的关键所在。基于瞬变电磁法用于探测富水异常区时, 敏感度强, 分辨率高, 体积小便于井下作业测量结果准确可靠等优势, 采用瞬变电磁法可预报煤矿水害并提供防治方向及参考数据。

1 矿井瞬变电磁法

1.1 矿井瞬变电磁法原理

瞬变电磁法是一种应用电磁感应原理的时间域人工原电磁探测方法。它是由设置在井巷中的不接地回线或电极向四周空间发送脉冲式一次电磁场, 该脉冲电磁场可感应地下涡流产生的二次电磁场的时空分布, 该时空分布再由线圈或接地电极接受, 由此来处理相关地质问题的时间域电磁法。煤矿防治水中判断异常体的依据是观察二次场的衰减曲线, 如果没有良导体 (富水异常体) 存在时, 将观测到快速衰减的过度过程;在遇到良导体 (富水异常体) 时, 电源切断的短暂时间间隔中一次场断开, 富水异常体产生涡流, 因此过渡衰减曲线变缓。

1.2 矿井瞬变电磁法的数据处理

由于矿井瞬变电磁法测量接收回线中的感应电位为全空间响应, 可得到矿井瞬变电磁法视电阻率计算公式:

式中:S为发射回线的面积, N为杂数, I为供电电流强度。C为常数t为时间V为感应电压。

2 现场应用

2.1 工作面地质条件概况

该矿轨道下山沿11#煤层掘进, 煤岩层倾角6°, 底板距奥灰15m左右。回风下山沿10#煤层掘进, 煤岩层倾角5°, 距11#煤层9m左右。轨道下山迎头靠左帮有一钻孔出水, 右帮向下钻孔出水, 水量较大, 5~7m3/h, 迎头处有积水;回风下山迎头处无滴淋水现象, 迎头后退37m处有一构造。

2.2 探测方案

2.2.1 探测设备和探测环境

本次矿井瞬变电磁物探工作使用的仪器为TEM-HZ75矿用瞬变电磁仪由中国地质大学 (武汉) 高科资源探测仪器研究所生产。

探测环境条件要求: (1) 通风良好, 瓦斯不超标; (2) 停工、停电, 减少各种干扰信号; (3) 移开大型金属设备, 消除对电磁信号的吸收作用。

2.2.2 探测技术布置

本次主要是探测该矿轨道下山和回风下山迎头沿开挖方向前方100m的富水异常体, 为能考察富水异常体 (或地质构造) 的立体空间位置, 特建立了立体的观测系统, 将矿井瞬变电磁探测方向分为迎头顺层0°、迎头顺层15°和迎头顶板45°三个方向, 以此探测富水隐伏地质构造朝顶、底板摆动形态。具体测点布置情况如下:在距当日 (2013年7月25日) 停头里程5m。

根据多匝小回线发射电磁场的方向性, 得出线框平面的法线方向就是瞬变电磁探测方向。因此在进行地质异常探测中, 若探测方位为迎头前方则将发射、接收线框平面对准迎头前方。结合本次探测目的, 对迎头超前探测时, 重叠回线装置需平行于巷道迎头, 进而使线框平面的法线与迎头垂直;对顶板和底板进行探测时, 可将线框沿煤层方向和迎头顺层方向倾斜一定的角度, 进而确保线框平面的法线指向巷道顶底板。具体探测方向如图2-1所示。

2.2.3 地球物理特征

瞬变电磁法是以岩石导电性差异 (即电阻率大小) 为应用参数的地球物理探测方法。因岩性差异:普遍认为泥岩、粉砂岩、中砂岩、粗砂岩、砾岩到煤层、灰岩的电阻率依次增大, 即按岩层电阻率来分类煤层、灰岩处于最高层。如果是含水岩层, 则电阻率比值会随含水率的增加而减小。因此岩层电阻率的改变不仅由岩层岩性本身导致, 其含水性也是重要的因素, 所以在表征为低电阻率值得高阻地层中, 可以预测到其含水性高;相反, 则含水性低。

2.3 应用效果分析

Y5+52点探测与验证图3为2013年7月9日运煤上山巷道Y5+53m处瞬变电磁超前探测结果图, 反映探测面前方0~100 m地质体的电性分布情况。其中顶板方向视电阻率值总体分布在10Ω·m以上, 但70~85m段局部电阻率比值有所减小, 分布在10Ω·m以下, 判断该范围顶板砂岩裂隙发育且少量含水。顺层方向探测结果与顶板相似, 在70~80m段视电阻率值低于10Ω·m。前方底板方向0~100m范围内视电阻率值均表现在10Ω·m以上, 表明探测、前方底板岩层富水性差。

2.3.1 视电阻率拟断面图分析

轨道下山瞬变电磁探测视电阻率综合拟断面图

由上图3-2可知, 在顶板45°方向, 距右帮40-75m范围, 深度32-90m存在低阻异常区, 推测顶板存在一定的富水性;顺层0°方向, 距右帮30-100m范围, 深度15-100m存在低阻异常区, 推测富水的可能性较大;在底板15°方向, 距右帮30-100m范围, 深度30-90m存在低阻异常区, 推测奥灰区域富水性较大;在纵剖面方向, 距底板20-100m范围存在明显的低阻异常区, 推测底板方向奥灰富水性较强。

由图3-2可知, 在轨道巷右帮底板方向存在明显的低阻异常区, 推测为底板奥灰区域富水性较。

2.3.2 回风下山瞬变电磁探测视电阻率综合拟断面图

由图3-3、3-4可知, 在顶板45°方向, 顺层0°方向, 底板15°方向均存在明显的低阻异常现象, 推测迎头前方大面积富水的可能性较小, 此区域底板奥灰的富水性较弱。由图3-4可知, 在回风巷左帮距迎头30m-48m, 底板方向存在明显的低阻异常区, 推测为底板奥灰区域富水性较大。

由轨道下山和回风下山视电阻率综合拟断面图可知, 底板奥灰水局部富水性较强, 主要分布在轨道下山迎头靠右前方底板向下10-25m范围。

2.3.3 效果验证

通过对该煤矿轨道下山沿11#煤层掘进巷和回风下山沿10#煤层掘进巷瞬变电磁法探查视电阻率低阻异常区的判断可知, 整个工作面顶板层位上共存在多处低阻异常区, 若不采取有效措施, 给工作面安全回采带来极大隐患, 该探测结果引起矿方高度重视, 分别对富水性较强的异常区域实施打钻放水作业, 经过钻探验证与瞬变电磁法探测结果相符, 表明了此物探方法在该矿的探水作业中是非常有效的, 该技术用于矿石回采达到了很好的防水效果。

3 结论

上述仿真效应表明, 在巷道掘进头前方采用矿井瞬变电磁法分析矿井富水异常区, 能准确定位异常位置, 同时工作效率高, 施工简单, 便于解决矿井富水异常区的超前探测和预报问题。但因发射电流关断时间过长, 近距离测量时存在盲区, 金属锚网支护易对侧帮测点造成影响。随着科技的发展和研究的深入, 瞬变电磁法必将为煤矿的建设开采, 安全保障工作保驾护航。

摘要：首先基于山西某矿富水区域特殊的工程情况, 详细分析了矿井瞬变电磁法探测的作业原理, 基于瞬变电磁法在水害探测中的体积效应小和分辨率高等探测优点, 再通过物探资料圈定的低阻异常区域经打钻验证, 说明该物探方法的探测结果可靠准确, 为该矿井防水害提供了有效的技术依据。

关键词：矿井瞬变电磁法,探测,富水异常区域,应用

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