矿用瞬变电磁法在隧道超前预报预测中的应用研究

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1、矿用瞬变电磁法在隧道超前预报预测中的应用研究新闻作者：叶展荣  发布时间：2016-06-29叶展荣1（1．福州华虹智能科技股份有限公司，福建福州）摘要：介绍了瞬变电磁法在隧道中应用的基本原理，及该方法在隧道超前预报预测上的原理、技术、方法及应用。论述了矿用瞬变电磁技术在预报预测隧道掘进头前方赋水的有效性，总结出矿用瞬变电磁技术在隧道特殊环境应用中需注意的若干关键问题。通过实例证明瞬变电磁法可以很好地满足隧道超前预测、预报的要求。在实际工程勘探中，该方法可以准确反映出隧道前方地质体的赋水特征，为隧道

2、防治水害提供了依据。关键词：矿用；瞬变电磁法；隧道超前预报预测；破碎带；赋水1引言   在隧道掘进过程中经常会碰到一些较大的灾害性赋水地质构造，如断层破裂带、裂隙发育区、岩溶、陷落柱及其伴生构造等，不仅破坏了岩层的稳定性和完整性，还可能诱发掌子面突水、瓦斯突出、冒顶等事故，给复杂地质条件下隧道掘进的安全生产造成严重威胁[1]。因此，超前预测隧道前方的地质构造赋水性具有非常重要的意义。通过煤矿深部巷道10多年预报实践表明，矿井瞬变电磁法在煤矿隧道巷道内探查其周围空间不同位置、不同形态含水构造的有效物探

3、方法之一，而且凭借体积效应小、方向性强、分辨率高、对低阻区敏感等一些优点，已成为煤矿水害预报预测的最佳选择方法。与传统的单一钻探方法相比，虽然钻探单孔准确，但其效率低、成本高，很难圈定富水区范围，并且具有很强的盲目性。而矿用瞬变电磁超前预报预测可以高效、准确地以面状及大广度预报预测隧道掌子面前方赋水状态，可以提高煤矿生产效率，缩短隧道掘进所花费的时间，节约成本[2～7]。而近地表开拓的隧道，在进入水害较大区域时，也需要专门的技术方法去做预报预测，与深部矿井巷道类似，隧道也是在全岩石空间中掘进的，其探

4、测理论基础也是基于全空间理论基础的，完全不同于地面半空间瞬变电磁技术。根据深部矿井巷道复杂的探查环境设计出来的专业性瞬变电磁装置。实践表明，矿用瞬变电磁法对掘进掌子面前方构造具有较好的探查效果，基于理论基础，和类似环境实践，我们应该积极移植矿用瞬变电磁进入隧道超前预报预测领域中，为隧道掘进的安全提供有效的技术支撑。2方法原理2.1瞬变电磁法基本理论   瞬变电磁法又称为时间域电磁法(TEM)，它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场

5、的方法。通过研究二次涡旋电磁场的时空分布特征，来解决诸如寻找地下矿产，预报预测地质构造，划分地下富水区等地质问题。其基本工作方法是：在地面或空中设置发射线圈，从而在其周围空间产生一次电磁场，并在地下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。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。2.2矿用瞬变电磁法

6、理论   矿用瞬变电磁法的基本原理与地面瞬变电磁法基本一致。不同的是矿用瞬变电磁法是在隧道几百米深的隧道内进行的，瞬变电磁场呈全空间分布，这时的瞬变响应为全空间响应。由“烟圈”理论来看，早期瞬变电磁场是由距离发射线框较近的隧道围岩介质的感应电流产生的，可以反映近距离的电性分布；晚期瞬变电磁场是由距离发射线框相对较远的围岩介质的感应电流产生的，可以反映远距离的电性分布，因此应用矿用瞬变电磁仪记录不同瞬变延时T的感应电动势，经过处理便可以得到隧道围岩由近及远的电性分布情况[8～10]。   矿用瞬变电磁

7、法在忽略隧道空间的影响下，可以理解为线圈被整个大地给“包”了起来，所以在线圈的两侧都会产生“烟圈效应”，其响应特征为全空间电磁响应，如图1所示。图1全空间瞬变电磁场的传播   在预报预测时让线圈平面的法线方向对准要预报预测的掌子面方向，在发射线圈中通以阶跃电流，然后利用接收线圈测量感应二次场。通过接收到的二次场的感应电动势随时间的变化特征，就可以了解在预报预测范围内的目的方向介质的电磁性质变化规律，通过对数据的解释处理进而确定预报预测方向的地质情况，如果有异常就可以确定其空间位置、异常体大小等，为隧

8、道掌子面掘进提供赋水依据，保证隧道的安全生产。矿用瞬变电磁测量装置接收回线中的感应电动势为隧道周围空间有效预报预测范围内所有介质岩层电性特征的综合响应。因此，矿用瞬变电磁视电阻率为全空间岩层电性特征的综合响应，视电阻率的计算公式[11]演化为：   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。该公式是在地面瞬变电磁数据处理的基础上加上全空间相应系数，使其演化为全空间视电阻率公式。3矿用瞬变电磁法