直流電法、高密度和瞬變電磁法簡(jiǎn)介.doc

礦井直流電法勘探涵蓋了巷道頂?shù)装咫姕y(cè)深法和礦井高密度電阻率法這兩種方法，兩者屬于頻率域，而礦井瞬變電磁法則為時(shí)間域的方法。1 直流電法技術(shù)的基本原理直流電法勘探是測(cè)定巖石電阻率的傳統(tǒng)方法。它通過(guò)一對(duì)接地電極把電流供入大地中，而通過(guò)另一對(duì)接地電極觀測(cè)用于計(jì)算巖石電阻率所必需的電位或電位差信息（見(jiàn)圖1）。圖1 電法勘探工作原理示意圖一個(gè)點(diǎn)電源O 在均勻介質(zhì)中的電場(chǎng)形態(tài)為球形(見(jiàn)圖2) ，每個(gè)球殼為一個(gè)等電位面，不同等電位面上A、B 兩點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生電位差，電位差的大小與其通過(guò)的介質(zhì)的導(dǎo)電性(電阻率)有關(guān)。此時(shí)通過(guò)直流電法儀測(cè)得A、B 兩點(diǎn)的電位差，即可計(jì)算出介質(zhì)的視電阻率。圖2 點(diǎn)電源在均勻介質(zhì)中的電場(chǎng)形態(tài)礦井直流電法勘探在井下巷道內(nèi)安放物理場(chǎng)源和接收裝置，因測(cè)點(diǎn)位置靠近勘探對(duì)象，縮短了目標(biāo)體的探測(cè)距離，許多在地表無(wú)法探測(cè)到的較小規(guī)模地電異常體，在井下可獲得較強(qiáng)異常響應(yīng)，為提高電法勘探應(yīng)用能力創(chuàng)造了有利條件。 巷道頂?shù)装逯绷麟姕y(cè)深法裝置形式固定MN法（施倫貝爾裝置）工作布置方式為A-M-O-N-B，即以 O 點(diǎn)為中心，兩邊對(duì)稱布置A、M、N、B四個(gè)電極四個(gè)電極按比例由近及遠(yuǎn)同步移動(dòng)。 圖1 施倫貝謝爾對(duì)稱四極測(cè)深法三極裝置（常用于井下迎頭超前探測(cè)）工作布置方式為A-MON-B（*）。即以 O點(diǎn)為中心，兩邊對(duì)稱布置M、N兩個(gè)電極，A、M、N三極由近及遠(yuǎn)逐步移動(dòng)，B極位于無(wú)窮遠(yuǎn)處。圖2 三極測(cè)深法示意圖上述兩種裝置中A、B、均為供電電極，用于向巖層供電；M、N均為測(cè)量電極，用于探測(cè)地電場(chǎng)電壓，根據(jù)測(cè)出的電流、電壓值結(jié)合裝置系數(shù)就可以換算出地層視電阻率值。通過(guò)對(duì)不同深度地層的視電阻率值進(jìn)行全方位探測(cè)和綜合分析，就可以達(dá)到探測(cè)巖性或構(gòu)造的目的。礦井高密度電法巷道頂?shù)装咫姕y(cè)深法由于受其觀測(cè)方式的制約，不僅測(cè)點(diǎn)稀，工作效率低信息量小，而且更難從多種電極排列去研究地電斷面的特征、結(jié)構(gòu)與分布。因此，所提供的關(guān)于地電斷面的地質(zhì)信息貧乏，資料解釋存在相當(dāng)困難。為了克服上述困難與不足，更好的發(fā)揮物探在工程勘察中的優(yōu)勢(shì)，便發(fā)展出了高密度電阻率這項(xiàng)新的勘探技術(shù)。其在原理上屬于電法勘探中電阻率法的范疇，它是以巖土體的電性差異為基礎(chǔ)，以研究在施加電場(chǎng)的作用下，地下傳導(dǎo)電流的變化分布規(guī)律，它是在常規(guī)電法勘探基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新的勘探方法。高密度電法集中了常規(guī)剖面法和電測(cè)深法兩者的特點(diǎn)，不僅可以觀測(cè)地下一定深度范圍內(nèi)橫向電性變化情況，同時(shí)還可以觀測(cè)垂向電性的變化特征，總體而言具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、電極布設(shè)是一次完成的。雖然在工作開(kāi)始觀測(cè)前要投入較大的工作量來(lái)完成多電極的布設(shè)工作，但這樣做可以防止因電極重復(fù)設(shè)置引起的干擾，減小了測(cè)量誤差。2、常規(guī)電阻率測(cè)深一次只能得到一條剖面上一個(gè)點(diǎn)的電阻率值，而高密度電法在電極布設(shè)好時(shí)可以得到一條剖面下整個(gè)斷面的電阻率參數(shù)。大量的信息使我們?cè)诋惓＝庾g上排除電法工作的多解性有了較大的幫助。3、野外的數(shù)據(jù)采集、收錄實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化，因此可以方便的采集到同一深度上多個(gè)電阻率參數(shù)以及不同深度上電阻率參數(shù)。數(shù)據(jù)的自動(dòng)存儲(chǔ)避免了人為的觀測(cè)記錄誤差，智能化可以實(shí)時(shí)看到地電斷面電阻率變化特征，便于與計(jì)算機(jī)聯(lián)接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，便于后期資料處理。4、由于在一條地電斷面上有很多的電阻率值（所以稱之為高密度電阻率），在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的支持下，利用現(xiàn)在較成熟的應(yīng)用軟件包，我們可以很方便的得到一條地電斷面異常圖，使我們很直觀的分析地質(zhì)體的相對(duì)電性特征，從而了解異常地質(zhì)體的埋深、規(guī)模等。而常規(guī)電阻率測(cè)深無(wú)法做到這一點(diǎn)。礦井高密度電法裝置形式高密度電法在野外工作時(shí)，將多電極按一定的間隔布置，觀測(cè)過(guò)程中電極按一定規(guī)律組合，一次布置電極可實(shí)現(xiàn)不同的觀測(cè)裝置。高密度電法野外工作是采用多種裝置形式，其各種裝置形式的工作示意圖如下：二極裝置Pole-Pole裝置系數(shù)K=2r，其中r為電極間距，AM=nr二極裝置P-Pole-Pole裝置系數(shù)K=2r，其中r為電極間距，AM=nr單邊三極裝置P-Dpole裝置系數(shù)K=2n(n+1)r，其中r為電極間距，n為隔離系數(shù)，AMnr，MNr偶極裝置Dpole-Dpole裝置系數(shù)K=2n(n+1)r，其中r為電極間距，n為隔離系數(shù)，AB=MB=r，BM=nr斯龍倍格裝置Schlumberger：裝置系數(shù)K=n(n+1)r，其中r為電極間距，n為隔離系數(shù)，MN=r,AM=NB=nr溫納裝置Wenner：裝置系數(shù)K=2r，其中r為電極間距，AM=MN=NB=nr2 礦井瞬變電磁技術(shù)的基本原理目前，國(guó)內(nèi)外常采用的預(yù)測(cè)方法主要是根據(jù)礦井已有的水文地質(zhì)、構(gòu)造地質(zhì)和鉆探資料，借助于各種物探方法進(jìn)行綜合分析，而物探方法在井下探測(cè)水源體比地面物探具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。瞬變電磁法由于在煤礦防治水中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在巷道迎頭超前探測(cè)以及底板突水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方面受到了廣泛的重視。瞬變電磁法，即Transient Electromagnetic Method（簡(jiǎn)稱TEM），是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)送一次脈沖場(chǎng)，以激勵(lì)地層介質(zhì)感生電磁場(chǎng)，在一次脈沖場(chǎng)間歇期間利用同一回線或電偶極接收感應(yīng)電磁場(chǎng)（圖1）。其物理基礎(chǔ)是電磁感應(yīng)原理，根據(jù)此理論，在電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率均勻的大地上，鋪設(shè)輸入階躍電流的回線，當(dāng)發(fā)送回線中電流突然斷開(kāi)時(shí)，在下半空間就要被激勵(lì)起感應(yīng)渦流場(chǎng)以維持在斷開(kāi)電流前存在的磁場(chǎng)，此瞬間的電流集中在回線附近的地表，并按指數(shù)規(guī)律衰減。圖1 瞬變電磁法示意圖在發(fā)送一次脈沖磁場(chǎng)的間歇期間，觀測(cè)由地下地質(zhì)體受激勵(lì)引起的渦流產(chǎn)生的隨時(shí)間變化的感應(yīng)電磁場(chǎng)（或稱響應(yīng)場(chǎng)）。地層介質(zhì)被激勵(lì)所感應(yīng)的二次渦流場(chǎng)強(qiáng)弱決定于地層介質(zhì)所耦合的一次脈沖磁場(chǎng)磁力線的多少，二次場(chǎng)的大小與地下介質(zhì)的電性有關(guān)：低阻地質(zhì)體感應(yīng)二次場(chǎng)衰減較慢，二次場(chǎng)電壓較大；高阻地質(zhì)體感應(yīng)二次場(chǎng)衰減較快，二次場(chǎng)電壓較小。根據(jù)二次場(chǎng)衰減曲線的特征，就可以判斷地下地質(zhì)體的電性、性質(zhì)、規(guī)模和產(chǎn)狀等，由于瞬變電磁儀接收的信號(hào)是二次渦流場(chǎng)的電動(dòng)勢(shì)（純異常響應(yīng)），對(duì)二次電位進(jìn)行歸一化處理后。根據(jù)歸一化二次電位值的變化特征，可間接地探測(cè)各種地質(zhì)構(gòu)造問(wèn)題。因此，瞬變電磁作為一種時(shí)間域的人工源地球物理電磁感應(yīng)探測(cè)方法，是根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造本身存在的物性差異來(lái)間接判斷有關(guān)地質(zhì)現(xiàn)象的一種有效的地質(zhì)勘探手段。由于特殊的井下施工環(huán)境，相對(duì)于其它方法而言，礦井瞬變電磁法有著很大的差異，主要有以下兩方面的優(yōu)點(diǎn)：（1）由于井下施工環(huán)境與地表不同，無(wú)法采用地表測(cè)量時(shí)的大線圈（邊長(zhǎng)大于50m）裝置，只能采用邊長(zhǎng)小