TEM47HP煤礦井下探水瞬變電磁儀

一、引言

我國不少煤礦發(fā)生過透水事故。重大透水事故造成人員重大傷亡和財(cái)產(chǎn)嚴(yán)重?fù)p失并導(dǎo)致煤礦停產(chǎn)。
煤礦透水事故原因各異，有的是頂板上方老窯積水傾泄至工作面，有的是底板下方承壓水涌入采區(qū)，有的是在掘進(jìn)頭前方迂到了構(gòu)造破碎帶、裂隙發(fā)育區(qū)、巖溶、陷落柱等富水區(qū)（體）。防止透水事故發(fā)生的有效方法，是事先探測出水患源頭或儲(chǔ)水構(gòu)造的位置然后再注漿處理。

探測地下儲(chǔ)水構(gòu)造的*方法是瞬變電磁法，因?yàn)樗沧冸姶欧ㄔ诟鞣N電法和電磁法中分辨率zui高，對(duì)含水低阻體zui敏感。當(dāng)然，在地面也可以探測地下儲(chǔ)水構(gòu)造，但如果在井下探測則分辨率更高，更準(zhǔn)確。因?yàn)榫碌耐饨珉姶鸥蓴_很小，觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量高，探測裝置離目標(biāo)體近，準(zhǔn)確度高。zui近三年來（到2006年底）我國已有13個(gè)煤礦和高校購買了TEM47HP井下探水系統(tǒng)，并獲得了成功應(yīng)用，避免了井下透水事故的發(fā)生。

二、TEM47HP井下探水系統(tǒng)的組成

TEM47HP是加拿大Geonics 公司專門生產(chǎn)的井下探水瞬變電磁系統(tǒng)，也叫PROTEM47HP。其組成包括（圖1）

                                                圖1 　TEM47HP井下探水系統(tǒng)的組成

●  PROTEM數(shù)字接收機(jī)
●  TEM47HP發(fā)射機(jī)
●  高頻接收線圈
●  可調(diào)節(jié)角度的井下多匝發(fā)射線圈
●  全空間正、反演軟件

其簡單工作原理是，根據(jù)探測目標(biāo)將井下多匝發(fā)射線圈安置在合適的位置上，將高頻接收線圈安置在距發(fā)射線圈5－10m的位置上，TEM47HP發(fā)射機(jī)向多匝發(fā)射線圈發(fā)送脈沖電流（頻率可選）產(chǎn)生一次場。該一次場向探測目標(biāo)體擴(kuò)散，當(dāng)迂到探測目標(biāo)體時(shí)則產(chǎn)生變化的二次場，即瞬變電磁場。該瞬變電磁場在高頻接收線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓并由PROTEM數(shù)字接收機(jī)接收和進(jìn)行初步處理。
全空間正、反演軟件是對(duì)數(shù)字接收機(jī)接收到的瞬變電磁場數(shù)據(jù)進(jìn)行全面處理和反演解釋，以給出探測目標(biāo)體的位置、形狀和電阻率等參數(shù)。

三、井下瞬變電磁法的裝置結(jié)構(gòu)

瞬變電磁法有不同的裝置結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同的探測目的。由于井下瞬變電磁法是在巷道內(nèi)進(jìn)行，要在有限的施工空間內(nèi)獲取巷道前方，頂、底板，以及采區(qū)下面的儲(chǔ)水構(gòu)造和儲(chǔ)水體的分布情況，并且探測盲區(qū)還要盡量少。因此必須仔細(xì)選擇合適的儀器類型和合適的裝置結(jié)構(gòu)。

可在井下工作的裝置結(jié)構(gòu)有四種（圖2）：

                                                     圖2　剖面探測裝置方

●  重疊回線裝置：發(fā)射線圈與接收線圈重合。此種裝置由于接收線圈和發(fā)射線圈重疊，互感大、一次場影響大，所以關(guān)斷時(shí)間長，盲區(qū)大。
●  中心裝置：接收線圈RX位于發(fā)射線圈TX的中心處。此種裝置互感大，一次場影響大，盲區(qū)大。
●  共面偶極裝置：發(fā)射線圈TX與接收線圈RX共平面，兩者相距5－10m，因此一次場對(duì)接收線圈的影響可以忽略，盲區(qū)小。此裝置適合沿巷道探測其側(cè)向采區(qū)下方的儲(chǔ)水構(gòu)造。此時(shí)，發(fā)射線圈和接收線圈沿巷道布置，傾角45（或大、或小），相距5－10m。當(dāng)探測巷道頂、底時(shí)，發(fā)射線圈和接收線圈沿巷道水平布置。
●  共軸偶極裝置：發(fā)射線圈TX與接收線圈RX分別位于前后平行的兩個(gè)平面內(nèi)，但處于同一軸線上，兩者相距5－10m。此裝置適合巷道掘進(jìn)頭的超前探測。此時(shí)，接收線圈貼近掌子面，發(fā)射線圈位于其后5－10m處，兩者軸線指向探測方向（圖3）。如果接收線圈和發(fā)射線圈分別向左、向右轉(zhuǎn)動(dòng)不同角度時(shí)（例如±30°，±45°），則探測方向也分別指向前方的不同角度，于是便可以探明掘進(jìn)頭前方扇形區(qū)域內(nèi)的儲(chǔ)水構(gòu)造（圖4）。

                                                  圖3   巷道掘進(jìn)頭TEM超前探測裝置方式　

                                            圖4  巷道掘進(jìn)頭超前探測方式與探測范圍

βi表示探測方向?yàn)榍胺狡?beta;i角度
θi 表示探測方向?yàn)榍胺狡?theta;i角度；

四、技術(shù)指標(biāo)

1、PROTEM數(shù)字接收機(jī)

技術(shù)指標(biāo)：

●  觀測值：三分量感應(yīng)磁場的衰減比，nv/m2
●  電磁傳感器：空心線圈
●  道數(shù)：單道連續(xù)測量三分量或三道同時(shí)測量三分量
●  時(shí)間門：在兩個(gè)量級(jí)時(shí)間軸上20個(gè)門測量，或三個(gè)量級(jí)時(shí)間軸上30個(gè)門測量
●  信號(hào)分辨率：24位，包括1個(gè)符號(hào)位，系統(tǒng)分辨率29位
●  基本頻率：0.3，0.75，3，7.0，30，75，285Hz（60Hz工頻時(shí)）
    0.25，0.625，2.5，6.25，25，62.5，237.5Hz（50Hz工頻時(shí)）。
●  積分時(shí)間：0.5，2，4，8，15，30，60和120秒
●  顯示器：240×64點(diǎn)液晶顯示
●  數(shù)據(jù)管理：固態(tài)存儲(chǔ)3300套數(shù)據(jù)，RS232輸出
●  同頻：參考電纜同步
●  工作溫度：-40℃—+60℃
●  電源：12V可充電電源，可連續(xù)工作8小時(shí)
●  重量：15Kg
●  體積：34×38×27cm

2、TEM47HP發(fā)射機(jī)

技術(shù)指標(biāo)：

●  電流波型：偶極方波，占空系數(shù)50%
●  基本頻率：30，75，285Hz（功率傳輸線為60Hz時(shí)）
    25，62.5，237.5Hz（功率傳輸線為50Hz時(shí)）
●  關(guān)斷時(shí)間：關(guān)斷時(shí)間2.5μs（40m×40m發(fā)射線圈），zui終關(guān)斷時(shí)間取決發(fā)射線圈有效面積S及發(fā)射電流A
●  發(fā)射線圈尺寸：1.5m×1.5m（80匝）或2m×2m（64匝）
●  輸出電壓：0－12V  24V或32V
●  zui大輸出電流：10A
●  同步：電纜同步
●  工作溫度：-40℃—+60℃
●  電源： 內(nèi)置12V，外接12V或24V
●  重量：6公斤
●  尺寸：43 x 25 x 25 厘米

五、巷道掘進(jìn)頭超前探測應(yīng)用實(shí)例

1．對(duì)巷道掘進(jìn)頭的超前探測

圖7－圖11是某煤礦－250米排水巷道在掘進(jìn)過程中不同時(shí)間的超前探測結(jié)果，其目的是確定不斷向前推進(jìn)的巷道掘進(jìn)頭前方是否有儲(chǔ)水構(gòu)造，以保證掘進(jìn)的安全。

●圖7是2004年9月30日進(jìn)行的*次超前探測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)頭前方30m-40m 為低阻區(qū)，此低阻區(qū)位于巷道正前方偏左方向，正前偏右方向及右?guī)蜔o異常。經(jīng)鉆探證實(shí)低阻區(qū)是局部含水區(qū)，由于及時(shí)采取措施保證了安全掘進(jìn)。圖中側(cè)幫平探，采用共面偶極方式，掘進(jìn)頭前探采用共軸偶極方式，然后把兩個(gè)方位的探測結(jié)果作為同一剖面成圖，所以圖中結(jié)構(gòu)實(shí)際上反映的是兩個(gè)方向的情況，這樣就可以在同一標(biāo)準(zhǔn)下比較不同方向的電阻率分布，為分析掘進(jìn)頭前方的含水性提供依據(jù)。