瞬变电磁法勘探在煤矿含水采空区的应用研究

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我国的能源结构决定了其对煤炭资源的依赖。随着煤炭资源的大规模开发,在带来巨大的利益的同时,同时也留下了个潜在的安全隐患,那就是煤炭采空区。煤矿积水采空区的突水灾害,时刻威胁着井下工作人员的生命安全。为避免安全事故频发,采用经济而有效的物探方法对含水采空区进行勘探和评价,并提出适宜的防治措施具有良好的经济效益和社会效益。瞬变电磁测深法(TransientElectromagnetic Method)简称TEM,属于传导类电磁探测方法。该方法具有操作简便、工作快捷、对低阻体敏感等优点,广泛的应用于矿产勘探、环境、水文地质与工程地质调查等领域,已成为煤矿含水采空区及水害探测最为有效的方法之一,为矿井安全生产提供了有力的保障。因此,本文通过理论研究并结合野外实例对其在煤矿含水采空区中进行应用研究,旨在对以后的实际工作能有一定的指导意义。  本文阐述了选题的依据和瞬变电磁的国内外发展状况,简单概括了本文研究的主要内容,并对瞬变电磁的勘探原理及野外的常用装置进行了归纳总结,分析其优点和局限性,为以后野外工作时的装置选取提供了参考,对瞬变电磁法探测煤矿含水采空区的机理、数值模拟计算、资料处理解释方法等方面进行探讨研究。  首先,本文简要的介绍了瞬变电磁法的发展概况及主要工作装置,总结了该方法技术的主要优点,瞬变电磁法具有工作效率高、分辨率高、信息量大等优点,这些特点为在煤矿含水采空区开展瞬变电磁法勘探工作提供了技术条件。接着,分析了岩矿石的电阻率及其影响因素。影响岩矿石电阻率的因素有很多,包括成分、结构、温度、所含水分等,其中水是影响煤矿安全生产的重要因素。然后从麦克斯韦方程出发,对中心回线装置,推导了水平层状均匀介质下的瞬变电磁响应表达式,介绍了电磁场由频率域到时间域的转化,接着简单叙述了几种常用的数据解译方法,包括“烟圈”理论反演解释方法和视纵向电导解释法,为后期的资料解释工作提供帮助。紧接着在瞬变电磁法勘探方法与技术中的章节中,本文介绍了常用的装置和工作参数,应当根据实际的工区地质状况和勘探任务选择恰当的装置和合适的工作参数,并介绍了数据处理和解释中应当注意的问题。针对矿区总结了几种主要的影响TEM数据质量的干扰类型,并分析了50Hz工频电噪声及其他高值噪声的抑制方法,可以通过剔除高值的干扰信号和采用减少电磁噪声的观测方法来抑制噪声,文中也一并讨论了非涡流引起的瞬变响应曲线的识别与抑制方法及其他常见影响的校正方法等,包括感应激发极化效应、集流效应的识别以及地形和金属构件影响的校正。由于TEM发射电流不能立即关断,有延迟,其真实波形不会是方波,而正反演理论都是建立在垂直阶跃电流激发条件下的。因此,在介绍了有限单元法求解二、三维瞬变电磁响应的基本理论,并综合一般煤矿地电特征后,推导了关断电流延时情况下的响应函数,简化了响应曲线校正方法。最后在工区通过试验验证了瞬变电磁法在煤矿含水采空区勘探中的可行性,然后结合工区实例分析研究了瞬变电磁法的应用效果。在测量之前,根据实际地质情况选取了合适的工作装置及工作参数,并对常见问题采取了相应的措施;在数据处理过程中,通过滤波和地形校正对实际数据进行处理;在资料解释时,根据异常划分和解释原则对得到的成果图进行解释分析,查明了该工区含水采空区的分布情况,由钻探资料验证了瞬变电磁法在煤矿含水采空区勘查中具有良好的效果。同时也指出瞬变电磁法存在的问题。通过本文的研究分析,希望对以后实际生产中煤矿含水采空区勘探有一定的指导意义。
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