李雅庄矿2-6111巷13#点前145m矿井瞬变电磁法超前探测报告霍州煤电集团技术研究院工程技术服务中心二0一七年一月二十日李雅庄矿2-6111巷13#点前145m矿井瞬变电磁法超前探测报告技术负责:审核：编制：万三凯操作：刘云杰霍州煤电集团技术研究院工程技术服务中心二0一七年一月二十日目录1．前言 (1)2．工作面情况 (1)2.1 巷道位置 (1)2.2 四邻关系 (1)2.3 探测环境 (1)3．目的任务 (1)4．技术装备 (1)4.1 仪器选型 (1)4.2 仪器特征 (1)5．探测基本原理 (2)6．数据采集 (6)6.1 装置形式及测点布置 (6)6.2 井下干扰 (6)7．工作面地质情况 (7)7.1 煤层赋存 (7)7.2 煤层顶底板 (7)7.3 地质构造 (7)7.4 水文地质 (7)7.5 物理特征 (7)8．现场采集 (8)9．成果分析 (8)10．结论及建议 (9)1．前言根据《煤矿防治水规定》“预测预报，有疑必探，先探后掘，先治后采”十六字方针，集团公司“物探先行、钻探跟进、物钻并举、探掘分离、不探不掘、不探不采”防治水二十四字方针，技术研究院工程技术服务中心2017年1月20日在李雅庄矿2-6111巷工作面进行物探，为工作面钻探提供靶区，为工作面的安全作业提供物探地质资料。

2．工作面情况2.1 巷道位置李雅庄矿2-6111巷位于位于+355水平六采区，巷道掘进方位210°探测时迎头位置为13#点前145m，工作面迎头标高+275m。

2.2 四邻关系2-6111巷西侧为2-6112巷，东侧为F12断层防隔水煤柱，其它探测范围内均为实体煤。

2.3 探测环境巷道采用锚网梁支护，综掘机靠近工作面迎头右帮，距迎头约2m，以上情况对探测数据有一定影响。

3．目的任务（1）探查2-6111巷13#点前145m前方100m范围内顶底板含水层富水性、是否存在隐伏构造，为工作面提供详细水文地质资料。

（2）对含水体的富水性进行评价，圈定出相对富水区。

4．技术装备4.1 仪器选型根据本次探测任务及工作面现场探测环境，选用YCS40（A）型瞬变电磁仪进行瞬变电磁超前探测。

4.2 仪器特征发射工作电压：6V～9.6V发射工作电流：≤2.5A接收工作电压：6V～9.6V直流输入阻抗：50～55Ω接收工作电流：≤1.5A发射频率：125Hz、75Hz、25Hz、8.3Hz5．探测基本原理矿井瞬变电磁法简称KTEM，它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲电磁场，在一次脉冲电磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。

其基本工作方法是：于巷道内设置通以一定波形电流的发射线圈，从而在其周围空间产生一次磁场，并在巷道周围导电岩矿体中产生感应电流，断电后，感应电流由于热损耗而随时间衰减，衰减过程一般分为早、中和晚期。

早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小；而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。

通过测量断电后不同时间的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。

均匀大地瞬变电磁响应过程在导电率为σ、磁导率为μ的均匀地质体表面敷设面积为S的矩形发射回线中供以阶跃电流。

在电流断开之前（t<0时），发射电流在回线周围的地质体和空间中建立起一个稳定的磁场。

在t=0时刻，将电流突然关断，由该电流产生的磁场也立即消失。

一次场的剧烈变化通过空气传至回线周围的地质体中，并在地质体中激发出感应电流以维持发射电流断开之前存在的磁场不会立即消失。

由于介质的欧姆损耗，这一感应电流将迅速衰减，由它产生的磁场也随之迅速衰减，这种迅速衰减的磁场又在其周围介质感应出新的强度更弱的涡流。

这一过程继续下去，直至地质体的欧姆损耗将磁场能量消耗殆尽。

这便是地质体中的瞬变电磁过程，伴随这一过程的地磁场就是地质体的瞬变电磁场。

在瞬变过程早期阶段，高频谐波占主导地位。

由于高频的趋肤效应，涡旋电流主要集中在导电介质的表层附近且阻碍电磁场向地质体深处传播。

所以早期阶段主要反映地质体断面上部地质信息。

随着时间的推移，高频成分被导电介质吸收，从而低频成分占主导地位。

它在导电地质体中激发出很强的涡旋电流。

然而由于热损耗，这些涡旋电流场很快就消失了。

在瞬变过程的晚期，局部地质体中的涡流实际上全部消失，而在各个地层中的涡流磁场之间连续的相互作用使场均匀化和使电流均匀分布，晚期场将依赖于断面的总纵向电导。

决定瞬变过程状态的基本参数是场的瞬变时间。

瞬变时间t依赖于地质体的导电性和发—收距离。

在近区和高阻岩石区，瞬变时间很短——几十～几百毫秒。

在断面中赋存着良导地质体时这一过程变缓。

在远区，瞬变时间可达到几十秒，而在良导地质体上有时达到一分钟或更长。

由此可见，研究电磁场的瞬变过程可得到不同电导率地层系列的地质信息及总纵向电导，也可以分离出断面中的高导电带。

瞬变电磁法物理基础是电磁感应原理，据此理论，在电导率和磁导率均匀的地质体上，敷设输入阶跃电流的回线，当发送回线中电流突然断开时，在下半空间就要被激励起感应涡流场以维持在断开电流前存在的磁场，此瞬间的电流集中在回线附近的地质体表面，并按指数规律衰减。

随后，面电流开始扩散到地质体下半空间中，在切断电流后的任意晚期时间里，感应涡流呈多个层壳的环带状，随着时间的延长，涡流场将向下及向外扩散。

感应涡流场在地质体表面引起的磁场为整个“环带”各个涡流层的总效应，这种效应可以用一个简单的电流环等效，表现为一系列与发送线圈同形状并且向下向外扩散的电流环，通常称之为“烟圈”。

在发送一次脉冲磁场的间歇期间，观测由地质体受激励引起的涡流产生的随时间变化的感应二次场的强度。

地质体介质被激励所感应的二次涡流场的强弱决定于地质体介质所耦合的一次脉冲磁场磁力线的多少，即二次场的大小与地下介质的电性有关：（1）低阻地质体感应二次场衰减速度缓慢，二次场电压较大；（2）高阻地质体感应二次场衰减速度较快，二次场电压较小。

根据二次场衰减曲线的特征，就可以判断被测地质体的电性、性质、规模和产状等，由于瞬变电磁仪接收的信号是二次涡流场的电动势（即二次电位），因此，瞬变电磁作为一种时间域的人工源地球物理电磁感应探测方法，是根据地质构造本身存在的物性差异来间接判断相关地质现象的一种有效的地质勘探手段。

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，该环状线电流紧接发射回线，与发射回线具有相同的形状。

随着时间的推移，该电流环向下、向外扩散，并逐渐变形为圆电流环。

附图示意了发射电流关断后不同时刻地下等效电流环的分布。

从图中可以看到，等效电流环很像从发射回线中“吹”出的一系列“烟圈” 。

“烟圈”的半径r 、深度d 的表达式分别为：式中：a 为发射线圈半径，当发射线圈半径对于“烟圈”半径很小时，可得tan θ=d/r ≈1.07，θ≈47°，故“烟圈”将沿47°倾斜锥面扩散，其向下传播的速度为：从以上式中可以看出：感应涡流扩散的速度与地质体电导率和磁导率有关。

导电性和磁导率越好，扩散速度越慢，在导电性和导磁性较好的地质体上，能在更长的延时后观测到大地瞬变电磁场。

1、视电阻率计算公式瞬变电磁测深法的视电阻率是通过将均匀半空间表面的瞬变电磁场在小感应数或大感应数条件下近似，得到半空间电阻率与电磁场的反函数关系。

由于直接从均匀半空间的瞬变电磁场的解析表达式中无法求得计算视电阻率的简单数学公式，只有对公式中的τπ/2r u =取值加以限制，便可求得晚期的视电阻率表达式。

由于晚期的条件更适合于探测中深部的电性异常体，我们将重点研究均匀半空间导电介质中多匝重叠回线的晚期视电阻率计算公式。

令u<<1，即12<<τπa ，当t 较大时可满足此条件，为晚期条件。

其视电阻率的公式为：320200524t /⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡∂∂=∂∂t B t a I n t B Z Z μππμρτ）（ （5-5)当发射线框的面积为S ，匝数为N ，供电电流强度为I ，发射线框的磁偶距为M=S ×N ×I ，当接收线框的面积为s ，匝数为n ，介质中感应的涡流场在接收回线中产生的感应电位为tB sn V Z ∂∂-= （5-6) 故多匝重叠回线的晚期视电阻率的计算公式为3200)(524⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡=I V t SNsn t μπμρτ3532323212)()()(1032.6---⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=t I V n s N S （5-7)2、时深转换 在针对采区水文物探中，煤系地层一般为层状的特点，可采用下面的方法进行时深转换。

平面瞬变电磁波的传播是随时间的延长而向下及向外扩展，扩散场极大值位于从发射框中心起始与地面成30°倾角的锥形面上。

从发射场始到激发最大的涡流所经历的延迟时间t 与涡流场最大值所在深度h 的关系，据Kunetz 推导结果2/20σμh t = 对上式作如下计算，可得到平面瞬变电磁波的传播速度公式t dt dh V σμ021==利用平面瞬变电磁波速度公式，因不同的地质模型，有两种求解视深度的计算方法6．数据采集6.1 装置形式及测点布置YCS40（A）瞬变电磁法勘探采用中心回线装置，该次探测测点布置于工作面迎头，发射、接收线框沿水平、垂直方向呈扇面布置。

采用中心回线装置，发射线框采用多匝1.5m×1.5m矩形回线。

探测分水平和垂直两个方向扫描，水平方向主要控制巷道两侧帮及前方的含水构造，垂直方向主要控制顶板、底板及前方的含水构造。

探测布置示意图如下：图2-1 瞬变电磁法超前探测示意图（1）2-6111巷工作面水平方向布置物理测点11个，各个测点与巷道掘进方位角夹角分别为0°、±10°、±20°、±30°、±40°、±50°，完成数据采集点共11个。

（2）2-6111巷工作面竖直方向布置物理测点11个，各个测点与巷道掘进方位角夹角分别为0°、±10°、±20°、±30°、±40°、±50°，完成数据采集点共11个。

本次探测完成物理测量点总计22个，数据采集点总计22个。

6.2 井下干扰施工时2-6111巷迎头位于13#点前145m，巷道采用锚网梁支护，综掘机靠近工作面迎头右帮，距迎头约2m，致使数据受到干扰，在处理解释过程中均予以校正。

7．工作面地质情况7.1 煤层赋存巷道沿2#煤层掘进，2#煤厚约3.3m，煤层一般含2层夹矸，以泥岩、炭质泥岩为主，煤层走向N25°E，倾向SE。