北八皮带大巷P9+57m迎头
矿井瞬变电磁法超前探测报告
徐州中澳地质工程科技开发有限公司 淮北矿业股份有限公司桃园煤矿
二 0 一0 年十月
1. 前 言
淮北矿业（集团）公司桃园煤矿北八皮带大巷设计位于10煤层底板下垂直距离35m位置掘进，下距太灰岩层垂直距离在25m左右，上距1066面采空区小于30m。巷道所在岩层主要为砂泥岩互层、中粒砂岩和粉砂岩为主。由于淮北矿区和宿南矿区10煤组下部太灰岩局部赋水性较强，特别是三、四灰局部赋水量较大。1066面回采过程中，工作面底板局部出水，水量较大，主要为太灰水补给。由于该范围地面精细探查资料较少，特别是地面三维地震勘探资料和地面电法勘探资料的缺乏，对北八皮带大巷底板太灰岩赋水性和构造发育情况有待进一步勘探。因此，为了确保巷道安全掘进，采用矿井瞬变电磁法探查技术进行超前探查，依据探查结果和矿井水文地质资料综合分析迎头前方120m范围、顶、底板垂直距离60m范围岩层赋水性情况，为巷道掘进过程中防治水工作提供依据。
徐州中澳地质工程科技开发有限公司根据淮北矿业股份有限公司桃园煤矿确定的勘探任务要求，在公司领导和技术人员大力支持和协助下，2010年10月14日完成井下数据采集工作, 第二日提交勘探初步结果，10月15日提交探查结果报告，呈请审验。 2. 探查方法选择依据
从电性上分析不同地层的电性分布规律为：煤层电阻率值相对较高，砂岩次之，粘土岩类最低。由于煤系地层的沉积序列比较清晰，在原生地层状态下，其导电性特征在纵向上固定的变化规律，而在横向上相对比较均一。当存在构造破碎带时，如果构造不含水，则其导电性较差，局部电阻率值增高; 如果构造含水，由于其导电性好，相当于存在局部低电阻率值地质体。
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综上所述，当断层、裂隙和陷落柱等地质构造发育时，无论其含水与否，都将打破地层电性在纵向和横向上的变化规律。这种变化规律的存在，为以岩石导电性差异为物理基础的矿井瞬变电磁法探查提供了良好的地质条件。
3. 矿井瞬变电磁法基本理论
瞬变电磁法或称时间域电磁法(Time domain electromagnetic methods)，简称TEM，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，利用不接地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：于地面或井下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。 3.1基本原理
在导电率为σ、导磁率为?0的均匀各向同性大地表面铺设面积为S的矩形发射回线，在回线中供以阶跃脉冲电流I(t)，
?It?0其中： ??t??? （1）
0t?0?在电流断开之前，发射电流在回线周围的大地和空间中建立起一个稳定的磁场（如图0所示）。在t=0时刻，将电流突然断开，由该电流产生的磁场
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也立即消失。一次磁场的这一剧烈变化通过空气和地下导电介质传至回线
图0 瞬变电磁法工作原理示意图
周围的大地中，并在大地中激发出感应电流以维持发射电流断开之前存在的磁场，使空间的磁场不会即刻消失。由于介质的热损耗，直到将磁场能量消耗完毕为止（见图1）。
由于电磁场在空气中传播的速度比在导电介质中传播的速度大得多，当一次电流断开时，一次磁场的剧烈变化首先传播到发射回线周围地表各点，因此，最初激发的感应电流局限于地表。地表各处感应电流的分布也是不均匀的，在紧靠发射回线一次磁场最强的地表处感应电流最强。随着时间
图1 瞬变电磁法感应电磁场转换原理示意图
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的推移，地下的感应电流便逐渐向下、向外扩散，其强度逐渐减弱，分布趋于均匀。研究结果表明，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 紧挨发射回线，与发射回线具有相同的形状。随着时间推移，该电流环向下、向外扩散，并逐渐变形为圆电流环。等效电流环象从发射回线中“吹”出来的一系列“烟圈”，因此，人们将地下涡旋电流向下、向外扩散的过程形象地称为“烟圈效应”（如图2所示）。
图2 瞬变电磁场的烟圈效应
“烟圈”的半径r、深度d的表达式分别为：
r?8c2?t/??0?a2?? （2）
d?4t/???0 （3）
式中a为发射线圈半径，c2小时，可得tan???8??2。当发射线圈半径相对于“烟圈”半径很
d故“烟圈”将沿?1.07,??47?，
r47度倾斜锥面扩散（图2），
其向下传播的速度为：
v??d2 （4） ??t???0t从“烟圈效应”的观点看，早期瞬变电磁场是由近地表的感应电流产生的，反映浅部电性分布；晚期瞬变电磁场随时间的变化规律，可以探测
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