2. 中国矿业大学, 徐州 221116
2. Chinese University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China
20世纪50年代初,我国开始引进前苏联的直流电测深方法技术,并在煤田领域得到应用.随后又发展了电化学方法 (如激发极化法),其主要地质任务是在隐伏地区找煤;从60年代开始,逐步开始研究电磁感应类方法,出现直流电法和交流电法同时应用的局面,探索利用电法技术探测老窑采空区、煤层火烧区等 (张赛珍等, 1994);80年代后,煤炭电法勘探技术开始进入数字化时代,随着国外先进技术和设备的引入,我国煤炭电法勘探技术和能力对工作环境的适应性、解决地质问题的可靠性等方面的能力有了很大的提高 (赵育台, 2003);21世纪以后,煤炭行业蓬勃发展,防水、治水成为煤矿面临的一项重要任务,迫切需要预先查明浅部老窑采空积水区、顶板水和深部奥灰水等矿井水文地质条件.交流电法包括瞬变电磁法、可控源音频大地电磁法及混合源电磁法 (EH-4电导率成像系统) 等,得到快速发展.
虽然未来煤炭在我国能源消费中的比例会有所降低,但到2025年仍将维持55%以上的比重,依旧是支撑国民经济持续高速发展的基础 (滕吉文等, 2008; 程建远和石显新, 2013).中东部浅部煤炭资源已趋于枯竭,“由浅入深”的煤矿勘探、开发、利用是煤矿行业转型发展及可持续发展的必由之路.然而我国深部煤系地层赋存复杂多样,地应力高、构造应力强烈、变化梯度大,开采扰动剧烈、时间效应显著,井下危险源多、探测难,煤与瓦斯突出、冲击矿压、突水等动力灾害发生几率高,复杂开采环境与安全高效开采的矛盾如何协调是深部煤炭资源开采面临的重大挑战.其中,水害是矿井生产主要安全隐患之一,由于矿井富水区、采空区积水等状况不明,造成的煤矿事故频频发生.
瞬变电磁法是一种时间域电磁法,它是以岩 (矿) 石的导电性、导磁性差异为物质基础,根据电磁感应原理,利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲磁场,在一次脉冲磁场的间隙期间,利用线圈或接地电极观测二次涡流场,并研究该场的空间与时间分布规律,来达到寻找地下矿产资源或解决其他工程地质问题的目的 (牛之链,1992).从场的激发来看,煤田这种近似水平分层模型,比金属矿更有利于回线源的低阻探测,一旦煤层及其顶底板岩层存在局部富水体 (富水陷落柱、断层和老空水等),其导电性明显增强,与围岩之间形成明显电性差异.特别是瞬变电磁法具有施工快捷、探测深度较大、抗干扰能力强、对低阻体反映灵敏和不受高阻层屏蔽等优点 (薛国强等, 2007),已经成为煤矿采区水文地质问题勘探及深部探查的主要手段 (霍全明等, 1994; 闫述等, 2006).
霍全明等 (1994)编著的《瞬变电磁法在煤矿水害预测防治中的应用》,主要介绍了磁偶源形成的瞬变电磁场的基本理论,并列举了瞬变电磁法在煤矿水害预测及矿井水文地质应用中的大量实例和成果.于景邨 (2007)编著的《矿井瞬变电磁法勘探》,从电磁场基本方程出发,系统研究了矿井下全空间瞬变电磁场分布特征、视电阻率计算方法、井下巷道内瞬变电磁法勘探工作装置形式、井下瞬变电磁法勘探中各种人文噪声及其处理技术、全空间瞬变电磁法勘探数据时深换算理论及方法,最后分析了矿井瞬变电磁法勘探的部分应用实例.杨海燕和岳建华 (2015)编著的《矿井瞬变电磁法理论与技术研究》,对矿井瞬变电磁法勘探的理论基础、方法技术、及资料处理与解释方法作了较为全面的论述.并以理论成果为指导,重点阐述了矿井瞬变电磁资料的处理与解释技术,并辅以了应用实例.李貅和薛国强 (2013)编著的《瞬变电磁法拟地震偏移成像研究》,主要论述了瞬变电磁波场转换原理及方法、瞬变电磁虚拟波场特性,研究了瞬变电磁拟地震重要技术:虚拟子波宽度压缩技术、合成孔径技术、三维偏移成像技术等.薛国强等 (2015)著的《人工源电磁测深方法技术研究》,重点阐述了人工源电磁测深方法的关键问题及创新内容,包括人工源频率域电磁法一维正反演、静态位移及其校正、记录点问题、三维有限元计算及回线源瞬变电磁法和电性源短偏移瞬变电磁法等.并列举了在河北、安徽、西藏等地成功发现埋藏较深的金属矿产的实例.这些专著为瞬变电磁法在煤炭领域的应用提供了坚实的理论基础.
近年来,瞬变电磁法在煤炭领域迅速发展,积累了大量的研究成果和应用实例 (韩自豪等, 2008; 陈卫营和薛国强, 2013).为了有效提高瞬变电磁的探测与预测技术,更好地服务于煤矿安全生产与环境地质灾害治理,避免和减轻工程灾害,作者从地面、井下立体式探测方式出发,在理论、方法、技术和应用等方面系统的梳理了近年来取得的新的研究成果 (岳建华等, 2007; 杨海燕等, 2010).
1 新理论研究 1.1 时变点电荷载流微元的瞬变电磁场理论在经典电磁理论中,为了降低求解难度通常利用偶极子源来研究瞬变电磁响应特征和全区视电阻率定义,但这种假设只有在远区条件下才成立.对于在近区观测的情况,偶极子假设并不完全成立,需要将线源进行分割,以更小的电流元作为偶极子进行线积分得到.虽然偶极子叠加方式进一步减小了计算场与实际场的差别,但这种处理仍然存在误差,以偶极子场为被积函数的面积分和线积分忽略了偶极子场计算时近似展开时的高阶项,影响场的分布的精确性,尤其是影响位于近区的回线源测点的解释精度.对于煤田勘探中常用的大回线源瞬变电磁装置,在回线近区和一部分中区场内观测,偶极子响应与场点处真实情况就存在误差 (薛国强等, 2011; 周楠楠等, 2013).
为进一步推动瞬变电磁法基础理论的发展,实现精细勘探,薛国强等提出了基于时变点电荷载流微元的瞬变电磁场理论 (薛国强等, 2014a).从载流微元出发,以时变点电荷假设代替偶极子假设,不再经过傅立叶或拉普拉斯变换,直接在时间域中求解层状介质表面上大定源回线、长接地导线源的解析表达式.对于直接时域求解,首先利用约当引里和留数定理给出电磁场中常见的达朗贝尔方程和扩散方程的Green函数解,利用降维法给出有耗阻尼波动方程的Green函数解.在Green函数解的基础上,通过将Green函数直接代入电磁场表达式和引入辅助位函数两种方式推导出点电荷载流微元电、磁场的直接时域解.并将点电荷载流微元场的直接时域解与经典电磁学中的近似公式进行对比,验证公式的有效性.然后,在点电荷载流微元直接时域解的基础上进一步推导出实际应用中的回线源的瞬变电磁场的表达式.以圆回线为例,借助于互易定理,分别推导出圆回线一次磁场和二次磁场垂直分量的时间导数表达式,与经典电磁学中已有的结论进行对比分析,指出点电荷载流微元场的分布特征更加符合真实的情况.最后,通过分析不同场区瞬变电磁场的性质以及典型地层的时变电磁响应特征,推导出适用于全场、全期的视电阻率公式,并采用理论模型计算和实例分析的方式,对研究成果进行检验.这些研究工作为提高瞬变电磁法的精度和应用范围打下了理论基础.
1.2 矿井瞬变电磁法全空间场理论与地面瞬变电磁法的半空间瞬变响应不同,矿井瞬变电磁法为全空间响应,且井下施工环境有限,人文干扰较多,都给井下瞬变电磁精确探测带来了很大的困难.矿井瞬变电磁法一般采用重叠回线装置,主要有两种方式:固定平移法和转换角度法.固定平移法就是将发射天线和接收天线平行放置,逐步移动的探测方式.这种方式通常人工拿着天线,每5 m或者10 m挪动一次,直至探测巷道完成.大多选取采煤工作面的一条巷道进行探测,对于采煤工作面宽度大于150m的工作面,建议采用两条巷道全部探测.主要适用于井下采煤工作面内或者顶底板隐伏含水体的探测.转换角度法就是将发射天线和接收天线以一定角度转动,探测前方扇形区域的探测方式.这种方式通常人工拿着天线,以一定角度变化,一般为10°变化来进行探测,一个掘进迎头可以采用从左到右,从上到下的角度进行变化,两条测线来完成,以观察掘进迎头前方左右、上下的含水体情况 (梁庆华,2012).主要适用于井下掘进独头巷道前方隐伏含水体的探测.
由于矿井瞬变电磁探测是在地下几百米深度的井下巷道内进行的,其瞬变电磁测量装置接收回线中的感应电位为巷道周围空间有效探测范围内所有岩层导电性的综合响应.因此,矿井瞬变电磁视电阻率为全空间岩层导电性的综合反映,视电阻率计算公式为 (于景邨,2007):
式中:C为全空间响应系数;S为接收回线线圈面积;N为线圈匝数;t为二次场衰减时间;V/I为接收的归一化二次场电位场值.
为减少矿井瞬变电磁法探测结果多解性、推动矿井瞬变电磁法的发展和普及,很多学者研究了矿井瞬变电磁法全空间理论正反演方法:岳建华等 (2007)给出了矿井全空间瞬变电磁场的时域有限差分法算法,并推导了Mur吸收边界条件,模拟了均匀介质中巷道底板岩层内部和层状介质中三维低阻异常体的全空间响应特征;于景邨等 (2007)对井下巷道内瞬变电磁法勘探工作装置形式、井下瞬变电磁法勘探中各种人文噪声及其处理技术、全空间瞬变电磁法勘探数据时深换算理论及方法进行了深入的研究;程久龙等 (2014)利用改进的粒子群优化算法,基于全空间瞬变电磁场理论,编写了反演程序,进行了全空间条件下五层含水巷道的复杂模型反演,结果得到了钻探证实;杨海燕和岳建华 (2015)从全空间中心回线源响应公式出发,推导了全空间晚期和全区视电阻率公式.
2 新方法研究 2.1 修正式中心回线瞬变电磁法目前煤田水文地质勘察大多采用中心回线装置.实际工作中,发射线框边长一般为200~800 m.对于几百米长的发射线框,只在发射线框中心点位置进行数据的采集势必会大大降低TEM法的工作效率.因此,在实际生产中,回线内瞬变电磁观测方式逐步代替了中心回线式观测方式,即在回线中间三分之一到三分之二范围内进行观测,此方法被称为修正式中心回线观测方式 (Xue et al., 2012).
在资料处理时,修正式中心回线观测方式所采集的数据不能直接采用回线中心点公式计算视电阻率,而是要通过偶极子迭加方法,建立全场区公式计算视电阻率.该方法统一了大定源回线和中心回线理论公式,避免了边缘效应,将导水小断层、奥陶灰岩陷落柱的探测精度从原有的基础上提高了15%~25%(石显新等, 2009);划定了中心回线观测点精确探测的区域,以数据采集的可靠性保证精细探测的实现.
戚志鹏等 (2011)提出并建立了大回线源装置情况下视电阻率定义.首先在频率域对回线内不同场点电磁响应进行计算,将计算出来的非中心点函数形态与中心点处垂直分量进行比较,认为两者具有相似的函数形态.因此,非中心点分量可以用与中心点垂直分量类似的多项式进行拟合,从而得到多项式形式的感应电动势表达式.根据中心点垂直分量视电阻率定义式,建立与中心回线方式相类似的与偏移距有关的视电阻率表达式.把回线内场点响应写成与中心回线方式多项式表达式相类似的多项式表达式,采用最小二乘法得到与偏移距有关的多项式各项系数,将求得的多项式系数代入形成不同偏移距情况下的视电阻率定义.最后,利用推导的视电阻率表达式对理论模型数据进行分析并与中心点垂直分量视电阻率曲线进行比较,证明了方法的正确性.研究成果对提高大回线源瞬变电磁法解释精度有重要意义.
2.2 电性源瞬变电磁短偏移装置深部探测法回线源瞬变电磁法近区测量得到了成功应用,但由于场的对称抵消性导致信号能量衰减较快,因而其探测深度有限.为了解决厚覆盖、大埋深煤层含水体的探测实际难点问题,基于近区测深的优越性,提出了一种电性源短偏移瞬变电磁装置 (SOTEM)(薛国强等, 2013; 2014b),并对该装置下的探测技术进行了研究.通过对时间域近场响应特性以及探测深度、探测能力等方面的分析,认为SOTEM明显优于回线源瞬变电磁法和长偏移瞬变电磁 (LOTEM)(Chen et al., 2015).为此,对接地线源瞬变电磁全域探测技术体系进行了研究,以期实现深部目标矿体的电性源短偏移瞬变电磁探测.研究成果将实现瞬变电磁法理论、观测场区范围、探测深度、分辨率等方面的新突破 (薛国强等, 2015).
电性源短偏移瞬变电磁装置 (SOTEM) 可以将观测点布置在离开场源0.7~2倍探测深度的地方,实现了从接地源远区数据采集到近区数据采集的突破.由于观测点距离场源相对较近,观测信号较强,电磁场在地层中衰减较慢,相比于传统回线源瞬变电磁法,探测深度可提升至1500 m.接地导线源不仅可以激发出水平感应电流,而且可以激发出垂直感应电流,直角坐标下电磁场的6个分量全部与地层电性结构有关,对高阻和低阻都可探测.从所推导的响应表达式分析,采用本技术可使电磁场信号对地质体的灵敏度由传统的ρ1(ρ为电阻率) 提高到目前的ρ3/2.陈卫营和薛国强 (2013)对比了回线源和电性源两种装置在煤矿采空区的应用,根据二者响应特征、探测能力等方面的不同特点,认为回线源瞬变电磁信号对地层灵敏度较高,电性源瞬变电磁探测深度较大,对深部地层信息具有很好的探测效果,而且施工方便、工作效率高,能够更高效的解决厚覆盖、大埋深煤层含水体等的探测问题.
2.3 小回线大电流瞬变电磁法在地形起伏较大,工作环境恶劣的区域,铺设大回线源的工作强度大,且受地形影响大.而小回线源探测精度高,且在山地测量时施工更为方便.为此,Yan等 (2009)研究并提出了一种小回线TEM山地铺设和测点归位方法.通过回线铺设方法和测点与归位点的计算方法,使得小回线瞬变电磁法能够很好地实现山地探测,充分发挥了小回线TEM在山地勘探中的优势.在浅层资源勘探中,大幅提高了瞬变电磁法的探测精度 (阴建康等, 2007; Xue et al., 2014).
西安强源物探研究所生产的EMRS-3型瞬变电磁仪主要特点是具有超强场源 (大电流),装置轻便 (小线圈)、3 m×3 m的重叠回线,单向脉冲供电,叠加次数为8~32次,供电、测量一体化.中国地质大学 (武汉) 高科资源探测仪器研究所的CUGTEM-4型瞬变电磁仪采用大电流小线圈供电工作方式,在国内外率先实现200 A大电流连续方波供电,显示器采用反射式液晶屏、功耗极低,接受机采用超低噪声前置放大器,数据采集可任意选择适当的叠加次数.这些装置在地形起伏较大,工作环境恶劣的区域,能够很好地实现探测目的.但是无论应用晚期计算公式还是全区公式,视电阻率均偏小,反演视深度也随之偏小;而且为了提高信号的幅值,一般小线框勘探接收线圈匝数较多,分布电容大,造成暂态现象严重,使信号早期信号发生严重畸变,浅层信息往往被迫抛弃,造成地质信息的不完整.
2.4 矿井瞬变电磁法工作方法将地面瞬变电磁法探测技术开发应用到引入煤矿井下,发展成为矿井瞬变电磁法,这一方法的应用效果和经济社会效益逐渐得到认可.但矿井瞬变电磁场为全空间效应 (姜国庆等, 2015),电磁噪声复杂,导致电磁场特征复杂,给数据处理和解释带来很大的困难.为此,研究了全空间条件下瞬变电磁场的扩散规律,对矿井瞬变电磁法的视电阻率、探测深度等问题进行了研究 (刘志新, 2008).通过对地下全空间含水结构体瞬变电磁三维响应数值模拟和物理模拟 (姜志海, 2008),开发了适合于煤矿井下环境的瞬变观测工作装置、测量方法及数据处理解释等成套系列技术,并成功地应用于煤矿井下巷道超前探测富水异常区 (刘树才等, 2005).
对于矿井瞬变电磁法探测,于景邨等 (2011)采用矿井瞬变电磁多方向交叉观测系统,在煤矿井下工作面两侧巷道有限空间内进行勘探,对工作面顶板或底板尽可能采集较多的数据,进而确定对应探测范围内异常体的电性特征、中心位置、发育趋势等,为地质水文预测预报提供可靠依据,从而确保工作面安全回采.刘志新等 (2007)、姜志海 (2008)、杨海燕等 (2010)进行了矿井瞬变电磁法全空间三维正演计算,对多匝小回线间自互感,全空间效应,发射功率、发射磁矩、关断时间随发射线圈匝数的变化关系,关断时间、接收信号随接收线圈匝数的变化关系等问题进行了系统研究,推导了全空间晚期和全区视电阻率公式,研究了全空间视电阻率解释方法.程久龙等 (2013)在瞬变电磁波场变换理论的基础上,提出了全空间波场变换数据处理及成像方法,矿井瞬变电磁波场变换及数据处理方法能够提取瞬变电磁数据中所包含的电性界面信息,解决矿井瞬变电磁法在几何效应探测方面的不足,突出弱异常进而提高分辨率及勘探精度,实现矿井瞬变电磁低阻异常电性界面的精细探测.
3 新技术研究 3.1 矿区强干扰环境下资料处理技术工作环境中时常会有各种干扰源,尤其在井下,电缆、铁轨随处可见.为使参加横向叠加平均的采样数具有统计意义,提高信噪比,达到抑制电磁噪声的目的,提出瞬变电磁探测仪器的固定高采样率设计方法.针对矿区电磁干扰,分析了瞬变电磁观测数据、噪声等特性,提出将小波变换应用到瞬变电磁信号的预处理中,有效区分实测信号中的突变部分与干扰噪声,达到了明显的去噪效果 (刘志新等, 2007; 闫赛等, 2010).
于景邨等 (2007)对层状介质瞬变电磁法时间-深度换算进行了研究,通过物理模拟与井下试验研究了巷道底板铁轨和金属支架等干扰的响应特征,提出了相应的校正方法.刘耀宁 (2014)通过数值模拟、物理模型实验、井下试验与实例验证等手段对金属体干扰影响下矿井瞬变电磁技术应用效果进行了研究,通过引用校正系数,对金属体影响下不同时间序列窗口视电阻率值进行了校正,并提出了井下避免金属体干扰及资料处理中一些可行性措施.范涛等 (2012)为消除煤田瞬变电磁探测中的电磁干扰,根据衰减曲线形态特征,利用曲线斜率的平均值及方差统计作为干扰判别机制,并参考邻近未受干扰的测点特性,可以快速简便地压制干扰,较好地恢复原始信号.
3.2 地形影响校正技术传统的比值法地形校正,需要进行纯地形三维数值模拟,计算工作量大,且当地表电性不均匀时,难以确定大地电阻率.邱卫忠等 (2012)详细分析了地形对回线源瞬变电磁影响的几种因素及规律,针对不同的因素给出了不同的处理办法:将实测EMF测道图的起伏规律与地形的起伏规律比较,如果二者的变化相反,则为典型的地形影响表现,这时可采用比值、滤波等常规方法进行地形校正;否则是非典型的地形影响,需要将视电阻率-深度剖面上原为空气的一部分挖掉;如果仅引起了测点间的高程差异,则对各测点的高程进行几何校正即可.
周明平 (2004)提出了用法线进行地形改正的方法,对重叠回线装置而言,法线是垂直于回线平面、并通过线框中心点的一条直线.通过专用软件换算出每个测点上的各道电位值所对应的视深度和视电阻率值,沿法线方向投影到作图面上,从而达到地形改正的目的.唐新功等 (2005)研究了瞬变电磁法对存在山谷地形时的多个异常体的探测能力,采用基于张量格林函数的体积分方程法 (Raiche, 1974;Hohmann, 1975) 计算层状地层中三维异常体的瞬变电磁场响应,首先在频率域内计算电磁场分量的频率域响应,然后利用数字滤波技术将计算结果转换到时间域.为指导野外勘探部署、提高电磁法的解释水平以及瞬变电磁法三维反演打下良好的基础.范涛 (2012)从煤田TEM勘探中较常用的深度计算公式出发,分别计算出地形变化对感应电动势以及衰减时间的影响程度,把这两个影响因子代入到参数中,重新计算出视电阻率,再根据新的视电阻率计算深度,得到了一套较实用的煤系地层情况下的地形校正方法,并编制了相应的实用软件.
3.3 联合时-频分析法资料处理技术根据傅立叶变换,单纯从时间域或者频率域对信号进行描述,得到的仅是信号在该域的特征,具有明显的局限性.将联合时-频分析方法引入到瞬变电磁信号的处理和解释中,从时间和频率两个方面同时描述了瞬变涡流场在地层中的激发和衰减过程.研究发现瞬变电磁信号的联合时-频分布特征与地层的电性之间有明显的对应关系,采用此方法可成功地将不同地电断面的响应分辨开来.利用瞬变电磁信号的时间窗和频率窗数据进行联合时-频反演,缩小了拟合差,减小了多解性,提高了定量解释精度 (闫述和陈明生, 2005).陈珺等 (2003)利用短时傅立叶变换、Gabor展开、Wigner-Ville展开、伪Wigner-Ville展开、平滑的伪Wigner-Ville展开等五种联合时频分析方法对作为电磁测深问题基本媒质的有耗两层媒质表面的瞬态响应电磁信号进行了分析,可以有效的对地层分布进行研究.赵彦肖等 (2004)研究了联合时-频分析在瞬变电磁测深信息解释中的应用,首先论证了将其应用于电磁测深信息处理的意义所在以及它用于普通信号处理和电磁测深信号中的区别.然后,将联合时频分析中的一种Gabor变换应用到瞬态响应电动势曲线的处理中,取得了较为满意的结果.闫述 (2004)将联合时-频分析 (JTFA) 用于处理地球物理勘探中具有扩散性质的瞬变电磁场信号.首先用数字滤波和逆拉氏算法模拟了分层大地表面上中心回线装置的瞬变响应,然后用Gabor展开研究它们的时-频谱,结果将地层序列成功地区分开来,为瞬变电磁法勘探提供了新的解释手段.
3.4 低阻覆盖层情况下的探测参数设计技术当地表附近存在低阻覆盖层时,瞬变电磁场的扩散速度大大减慢,要探测同等的深度,需要更长的观测时间.为探测地下某个深度处的目标,观测时长至少为电磁波达到目标体并返回到地面接收点的时间,为使目标体引起的异常被观测到,还需要分辨时间.这种勘探中时间参数的设计原则,对存在低阻覆盖层、需要大深度探测的华北型煤田具有特别的指导意义 (石显新, 2005).
王圣龙等 (2012)研究了矿井瞬变电磁法的低阻屏蔽层问题,认为低阻层的“隔离作用”最终导致晚期资料信噪比下降,达不到预想的勘探深度,缺失深部地层的响应特征,不能准确的对目标体进行探测.因此对于浅部含有低阻层的地层,应该根据其反演得到的真实探测深度进行成图并结合其他的水文地质资料进行综合解释.侯彦威和徐亚飞 (2013)在具有巨厚低阻覆盖层的华北地区,进行了瞬变电磁勘探施工技术和资料解释的试验研究,认为野外施工时需选择合适的回线尺寸和延时,以及采用尽可能大的发射功率以产生较高的信噪比;资料分析和解释过程中,采用拟MT的反演技术来突出异常.杨海燕等 (2016)在时间域有限差分算法的基础上,以回线源为激发源,采用非均匀网格剖分技术,对均匀半空间和倾斜板状体、含有低阻覆盖层的倾斜板状体模拟,为定性分析地-井TEM响应特征和资料解释时提供参考.
4 装备的应用与研发地面瞬变电磁法仪器主要有加拿大Geonics公司的PROTEM系统 (包括PROTEM47、PROTEM57-MK2、PROTEM67等系列),加拿大CRONE公司的DigitalPEM系统,澳大利亚CSIRO的SIROTEM-Ⅱ、SIROTEM-Ⅲ以及美国Zonge公司的GDP-32Ⅱ多功能电法仪,加拿大Phoenix公司的V-5、V-6A、V-8多功能电测站,俄罗斯生产的Tcikl-7瞬变电磁系统,南非产SPECTREM系统,澳大利亚产Terra TEM、SM24瞬变电磁仪器等.
加拿大Geonics公司研发和生产的PROTEM系列地面瞬变电磁仪可以三分量同时观测或顺序观测,有30个观测道;关断时间短,盲区小,勘探深度大;分辨率高,动态范围大;信噪比高;输出电压连续可调.澳大利亚产的Terra TEM采用发射和接收一体化设计;可单道或者三道接收;可视化屏幕,易于人机交互,方便控制操作和参数设定;完整的12道GPS系统连续记录测点位置;适合各种各样的回线组合,独有的“同一回线”可以很好的适应井下作业或者巷道内作业.澳大利亚产的SM24瞬变电磁仪是真正的24位瞬变电磁系统,能够有效提高数据精度;兼容所有发射机与接收线圈;每个通道的采样率高达120K/s;世界首款可以测量磁感应强度B的瞬变电磁系统;能够全时间段数据记录与回放,采集更丰富的信息并便于噪声分析.
国内生产瞬变电磁仪器厂家较多,但其性能与国外仪器相比还存在一定差距.目前我国矿井瞬变电磁仪主要有:中煤科工集团重庆研究院生产的YCS50井下防爆瞬变电磁仪,中煤科工集团西安研究院有限公司生产的YCS2000A瞬变电磁仪器,北京华安奥特YCS150矿用本安型瞬变电磁仪,福建华虹公司生产的YCS256井下防爆瞬变电磁仪,中国地质大学生产的CUGTEM便携式矿用瞬变电磁仪系统,湖南长沙飞翼股份有限公司生产的YCS160矿用本安型瞬变电磁仪,以及江苏中矿旭宏电子科技有限公司生产的YCS111型矿用瞬变电磁仪等.这些厂家生产的仪器均取得了相应的煤矿安全标志和防爆合格证,可以应用于煤矿井下探测.
中南大学席振铢研制的音频大地电磁磁场传感器,根据音频大地电磁场源的特点,从感应式磁场传感器的基本原理出发,设计传感器的磁芯和线圈绕组结构以及线圈的谐振频率;另外,采用了磁通负反馈技术和频率补偿的方法,扩展了传感器的频带,得到了在1 Hz~9.8 kHz频带范围内平坦度为±1.5 dB的灵敏度曲线,满足音频大地电磁探测的需要 (陈兴朋等,2012).主要可以解决煤炭行业复杂地质快速探测.
中国科学院研制的多通道大功率电法勘探仪 (MTEM) 不同于传统瞬变电磁法,主要表现为:采用接地源形式;编码发射;多道观测,在测量感应电压的同时,测量发送电流;通过对接收电压与发送电流进行反卷积,得到大地脉冲响应,进行类地震资料处理.同时针对中国复杂环境下的深部探测,对现有的多道瞬变电磁法提出改进思路:把二维观测系统改进成三维观测系统,即三维数据采集系统,使其应用性更强且更方便,探测深度大,精度高;把常规一维拟地震资料简单处理改进成三维拟地震成像解释;从油气勘探领域拓展到复杂的深部矿产资源领域 (薛国强等,2015).它主要解决煤层基底大深度探测问题.
5 应用效果 5.1 山地情况下探测应用在煤田采空区探测过程中,山地情况下传统的瞬变电磁法施工困难、受地形影响大,因此探测难度明显加大.小回线瞬变电磁法具有受地形、地物影响小及施工效率高、施工灵活等优点,在地形复杂情况下可以灵活的开展探测工作.因此小回线瞬变电磁法在山地情形煤田采空区探测的应用范围大、应用前景大.为了进一步整合在开采中受到老采空区含水威胁的煤矿,在山地和地形起伏区域,采用小回线或者修正式中心回线瞬变电磁法进行探测,并取得了大量的相对较好的应用效果.实现了对老采空区可能突水区域进行较准确的预测分析和定位,对保证煤矿下一步安全生产,延长矿井生产寿命提供了重要的设计依据,具有显著的社会效益和安全效益.
5.2 大埋藏深度情况下探测应用瞬变电磁法的探测深度与发射源强度、接收仪器灵敏度有关.为了满足大埋藏深度的要求,利用改进的接收磁探头和研发的大功率发射机,能够显著提高瞬变电磁法对更深部目标体的探测深度.浅部煤炭资源的日益枯竭,推动了煤炭资源探测、开采向深部发展.可以查明800 m以下煤系地层与奥陶系灰岩富含水区域.
5.3 煤矿井下探测应用矿井瞬变电磁法在方法技术、仪器装备方面发展迅速,逐渐成为煤矿防治水工作中的主要探测手段之一.近几年来,矿井瞬变电磁法在国内多个矿区得到广泛应用,应用领域包括超前预报探测、顶板采空富水区、煤田防治水等方面.矿井瞬变电磁法逐渐成为煤层底板以下80 m范围内的隐伏含水陷落柱、导水断层裂隙带和在巷道掘进迎头超前探测100 m范围内的老窑采空区、导水构造等的主要探测方法.
6 展望随着浅部煤炭资源的日益减少,深部找煤已经成为我国全球资源勘察的一个主要方向.今后的研究要抓住“大深度、高精度、全空间、全场域”的思路,加强基础理论研究,进一步开发和完善电性源全场域探测技术和地下全空间物理场基础理论;研发新技术新方法,提高数据的精细处理,并加强与其他物探手段的联合分析;煤矿资源在开采过程中,地下地电介质的性质逐渐发生变化,采用瞬变电磁法,对煤矿开采过程进行时移性质的监测和矿井上下多场源立体探测,是瞬变电磁法应用的一个新的发展方向.矿用瞬变电磁仪器发展方向主要是轻便大功率和高分辨率隔爆仪器的研制,采用超导探头采集数据,嵌入式实时处理和解释结果显示系统对于精细探测具有重要的意义.
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