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TEM47HP煤礦井中探水系統(tǒng)

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主要規(guī)格：
TEM47HP煤礦井中探水系統(tǒng)

用　　途：
TEM47HP煤礦井中探水系統(tǒng)

TEM47HP煤礦井中探水系統(tǒng)
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水構(gòu)造的位置然后再注漿處理。
     探測地下儲水構(gòu)造的最佳方法是瞬變電磁法，因?yàn)樗沧冸姶欧ㄔ诟鞣N電法和電磁法中分辨率最高，對含水低阻體最敏感。當(dāng)然，在地面也可以探測地下儲水構(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。最近三年來（到2006年底）我國已有13個煤礦和高校購買了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)下面的儲水構(gòu)造和儲水體的分布情況，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　剖面探測裝置方式
● 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)下方的儲水構(gòu)造。此時，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，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，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)動不同角度時（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
                                                          θi 表示探測方向?yàn)榍胺狡?theta;i角度；
                                                           βi表示探測方向?yàn)榍胺狡?beta;i角度
四、TEM47HP技術(shù)指標(biāo)
1、PROTEM數(shù)字接收機(jī)

                                       圖5　 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)：連續(xù)測量三分量或三道同時測量三分量
● 時間門：在兩個量級時間軸上20個門測量，或三個量級時間軸上30個門測量
● 信號分辨率：24位，包括1個符號位，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）
   0.25，0.625，2.5，6.25，25，62.5，237.5Hz（50Hz工頻時）。
● 積分時間：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
● 重量：15Kg
● 體積：34×38×27cm

2、TEM47HP發(fā)射機(jī)
                                         圖6 　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）
         25，62.5，237.5Hz（功率傳輸線為50Hz時）
● 關(guān)斷時間：關(guān)斷時間2.6μs（40m×40m發(fā)射線圈），最終關(guān)斷時間取決發(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
● 最大輸出電流：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、TEM47HP巷道掘進(jìn)頭超前探測應(yīng)用實(shí)例
1．對巷道掘進(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)行的第一次超前探測，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)。
                                   圖7　　第一次初探結(jié)果
● 圖8是2004年11月8日進(jìn)行的第二次超前探測，結(jié)果反映掘進(jìn)頭前方75m范圍內(nèi)巖性比較均勻，無明顯低阻異常，雖然在60多米以上存在局部相對低阻區(qū)（圖8頂部顏色較深的區(qū)域），但電阻率普遍大于40Ω•m（該地的富水區(qū)電阻率普遍小于1Ω•m），不大可能是富水區(qū)，因而我們預(yù)報為安全區(qū)，可以掘進(jìn)。實(shí)際掘進(jìn)過程比較順利，沒有遇到異常情況。

                                                圖8　　第二次跟蹤探測結(jié)果
● 圖9是2005年2月5日進(jìn)行的第三次超前探測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)頭前方25— 45m之間有一低阻異常區(qū)（圖9），異常核心區(qū)位于巷道前方偏右部位。據(jù)此建議進(jìn)行鉆探。鉆孔朝巷道正前方、正前方偏右和正前方偏左布置。其中正前方鉆孔進(jìn)尺37m時出水，偏右方向鉆孔水量（17 m3/h）明顯增大，巖層呈破碎狀。經(jīng)過預(yù)防治理，排除了突水隱患。
                                  圖9　　第三次跟蹤探測結(jié)果
●　圖10是2005年5月6日進(jìn)行了第四次超前探測。結(jié)果發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)頭正前方30—50m段為橫貫巷道走向的低阻區(qū)（圖10），由于異常呈條帶狀連續(xù)分布，判斷為斷層。當(dāng)巷道向前掘進(jìn)18m時開始打鉆（保持安全距離不小于10m），鉆探進(jìn)尺18.5m(即位于探測時掘進(jìn)頭位置前方36.5m)時出水，水量75m3/h,及時采取了治理措施。最后掘進(jìn)證實(shí)此區(qū)段是一含水破碎帶。
                          圖10　第四次跟蹤探測結(jié)果
●　圖11是2005年9月28日進(jìn)行的第五次超前探測。探測結(jié)果反映掘進(jìn)頭前方偏左存在一個低阻異常區(qū)（圖11），但規(guī)模不大，電阻率也不是很低（>1Ω•m），根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，不會有大的水情。實(shí)際情況表明，巷道在該區(qū)段的掘進(jìn)過程比較順利，沒有水情出現(xiàn)。但也說明，該方法給出的結(jié)果并不是百分之百的正確，也可能給出假的低阻異常。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因除了環(huán)境噪音外，周圍介質(zhì)影響也可能是一個重要因素。換句話說，雖然我們設(shè)定目標(biāo)體位于探測面前方，但并不能排除探測面以外，特別是后方介質(zhì)的影響。
                              圖11　第五次跟蹤探測結(jié)果
2．在巷道內(nèi)探測采區(qū)煤層底板儲水構(gòu)造
     如前面三節(jié)所述，在此類應(yīng)用中采用共面偶極裝置。現(xiàn)將河南一些煤礦在這方面的應(yīng)用實(shí)例列舉如下：
●　圖12為瞬變電磁法在某西大巷向下幫（平行巖層傾向）側(cè)向探測距離110m處有無平行西大巷走向、斷距為25米的導(dǎo)水?dāng)鄬?/span>(此斷層是根據(jù)少量鉆孔資料推測結(jié)論)。探測結(jié)論為：110m附近均為相對高阻，不存在導(dǎo)水?dāng)鄬樱⒌玫姐@探和巷探證實(shí)。

                        圖 12 　側(cè)向探測是否存在導(dǎo)水?dāng)鄬?/div>
● 圖13為15011工作面下風(fēng)道瞬變電磁（45°斜下方）探測煤層底板巖層賦水性結(jié)果圖。由圖中看出，該面通尺40----260m段為相對低阻區(qū)（圖中蘭色部分），低阻區(qū)呈上下連通狀且導(dǎo)高較大，探測結(jié)論為：此區(qū)域在工作面回采時易發(fā)生底板突水，應(yīng)提前采取防水措施（232m處為已知底板出水點(diǎn)，與物探結(jié)果吻合）。

         圖13 圈定工作面回采時易突水地段
● 圖14為瞬變電磁法在某礦西大巷確定放水（疏水降壓）孔位置實(shí)例。瞬變電磁探測到50m附近巷道底板下方為低阻區(qū)中心區(qū)域，在此布置了4#放水孔出水量為60m3/h。

              圖14   圈定放水（疏水降壓）孔位置
● 圖15和圖16分別為某工作面下順槽底板注漿改造前、后瞬變電磁勘探（ 45°斜下方）結(jié)果對比圖。注漿改造前物探結(jié)果顯示，工作面中存在多處上下溝通狀低阻異常區(qū)（圖中蘭色部分為縱向裂隙發(fā)育區(qū)）；注漿改造后物探結(jié)果顯示，上下溝通狀低阻區(qū)大多變?yōu)橄鄬Ω咦鑵^(qū)，剩余的少數(shù)深部低阻異常導(dǎo)高明顯變小，說明注漿改造效果理想。斜距50m左右分布的橫向窄帶狀淺部低阻異常，系注漿漿液迫擠水分的反映，此低阻區(qū)厚度及上下延伸較小，對工作面回采無影響。

            圖15和圖16   煤層底板含水層注漿改造前、后效果對比
3．探測巷道下方儲水構(gòu)造
圖17和圖19是河北省梧桐莊煤礦井下瞬變電磁法探測結(jié)果。

                                    圖17　偶極方式
圖17是沿測線的TEM響應(yīng)曲線，該圖是判斷測區(qū)水異常最重要的依據(jù)。上圖給出了瞬變場響應(yīng)曲線，可見剖面中部具有強(qiáng)異常，是最可能含水的地方。
圖中由上向下表示從早期道到晚期道的響應(yīng)，反映了測量面由淺到深的異常情況。
發(fā)射/接收框的位置以及觀測方式如下圖所示
圖18　　偶極方式
圖19是根據(jù)圖17中的瞬變場響應(yīng)曲線，對井下儲水構(gòu)造的成像圖，以及鉆孔驗(yàn)證的出水量。
                            圖19　是儲水構(gòu)造成像
   上述井下瞬變電磁法的應(yīng)用實(shí)例，主要來自焦作煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司郭純和劉白宇先生以及中科院地質(zhì)與地球物理研究所白登海教授所發(fā)表的文章。