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1、礦用瞬變電磁法在隧道超前預(yù)報(bào)預(yù)測中的應(yīng)用研究新聞作者：葉展榮??發(fā)布時(shí)間：2016-06-29葉展榮1（1．福州華虹智能科技股份有限公司，福建福州）摘要：介紹了瞬變電磁法在隧道中應(yīng)用的基本原理，及該方法在隧道超前預(yù)報(bào)預(yù)測上的原理、技術(shù)、方法及應(yīng)用。論述了礦用瞬變電磁技術(shù)在預(yù)報(bào)預(yù)測隧道掘進(jìn)頭前方賦水的有效性，總結(jié)出礦用瞬變電磁技術(shù)在隧道特殊環(huán)境應(yīng)用中需注意的若干關(guān)鍵問題。通過實(shí)例證明瞬變電磁法可以很好地滿足隧道超前預(yù)測、預(yù)報(bào)的要求。在實(shí)際工程勘探中，該方法可以準(zhǔn)確反映出隧道前方地質(zhì)體的賦水特征，為隧道
2、防治水害提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞：礦用；瞬變電磁法；隧道超前預(yù)報(bào)預(yù)測；破碎帶；賦水1引言???在隧道掘進(jìn)過程中經(jīng)常會碰到一些較大的災(zāi)害性賦水地質(zhì)構(gòu)造，如斷層破裂帶、裂隙發(fā)育區(qū)、巖溶、陷落柱及其伴生構(gòu)造等，不僅破壞了巖層的穩(wěn)定性和完整性，還可能誘發(fā)掌子面突水、瓦斯突出、冒頂?shù)仁鹿?，給復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道掘進(jìn)的安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅[1]。因此，超前預(yù)測隧道前方的地質(zhì)構(gòu)造賦水性具有非常重要的意義。通過煤礦深部巷道10多年預(yù)報(bào)實(shí)踐表明，礦井瞬變電磁法在煤礦隧道巷道內(nèi)探查其周圍空間不同位置、不同形態(tài)含水構(gòu)造的有效物探
3、方法之一，而且憑借體積效應(yīng)小、方向性強(qiáng)、分辨率高、對低阻區(qū)敏感等一些優(yōu)點(diǎn)，已成為煤礦水害預(yù)報(bào)預(yù)測的最佳選擇方法。與傳統(tǒng)的單一鉆探方法相比，雖然鉆探單孔準(zhǔn)確，但其效率低、成本高，很難圈定富水區(qū)范圍，并且具有很強(qiáng)的盲目性。而礦用瞬變電磁超前預(yù)報(bào)預(yù)測可以高效、準(zhǔn)確地以面狀及大廣度預(yù)報(bào)預(yù)測隧道掌子面前方賦水狀態(tài)，可以提高煤礦生產(chǎn)效率，縮短隧道掘進(jìn)所花費(fèi)的時(shí)間，節(jié)約成本[2～7]。而近地表開拓的隧道，在進(jìn)入水害較大區(qū)域時(shí)，也需要專門的技術(shù)方法去做預(yù)報(bào)預(yù)測，與深部礦井巷道類似，隧道也是在全巖石空間中掘進(jìn)的，其探
4、測理論基礎(chǔ)也是基于全空間理論基礎(chǔ)的，完全不同于地面半空間瞬變電磁技術(shù)。根據(jù)深部礦井巷道復(fù)雜的探查環(huán)境設(shè)計(jì)出來的專業(yè)性瞬變電磁裝置。實(shí)踐表明，礦用瞬變電磁法對掘進(jìn)掌子面前方構(gòu)造具有較好的探查效果，基于理論基礎(chǔ)，和類似環(huán)境實(shí)踐，我們應(yīng)該積極移植礦用瞬變電磁進(jìn)入隧道超前預(yù)報(bào)預(yù)測領(lǐng)域中，為隧道掘進(jìn)的安全提供有效的技術(shù)支撐。2方法原理2.1瞬變電磁法基本理論???瞬變電磁法又稱為時(shí)間域電磁法(TEM)，它是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間，利用線圈或接地電極觀測二次渦流場
5、的方法。通過研究二次渦旋電磁場的時(shí)空分布特征，來解決諸如尋找地下礦產(chǎn)，預(yù)報(bào)預(yù)測地質(zhì)構(gòu)造，劃分地下富水區(qū)等地質(zhì)問題。其基本工作方法是：在地面或空中設(shè)置發(fā)射線圈，從而在其周圍空間產(chǎn)生一次電磁場，并在地下導(dǎo)電巖礦體中產(chǎn)生感應(yīng)電流；斷電后，感應(yīng)電流由于熱損耗而隨時(shí)間衰減。衰減過程一般分為早、中和晚期。早期的電磁場相當(dāng)于頻率域中的高頻成分，衰減快，趨膚深度??；而晚期成分則相當(dāng)于頻率域中的低頻成分，衰減慢，趨膚深度大。通過測量斷電后各個(gè)時(shí)間段的二次場隨時(shí)間變化規(guī)律，可得到不同深度的地電特征。2.2礦用瞬變電磁法
6、理論???礦用瞬變電磁法的基本原理與地面瞬變電磁法基本一致。不同的是礦用瞬變電磁法是在隧道幾百米深的隧道內(nèi)進(jìn)行的，瞬變電磁場呈全空間分布，這時(shí)的瞬變響應(yīng)為全空間響應(yīng)。由“煙圈”理論來看，早期瞬變電磁場是由距離發(fā)射線框較近的隧道圍巖介質(zhì)的感應(yīng)電流產(chǎn)生的，可以反映近距離的電性分布；晚期瞬變電磁場是由距離發(fā)射線框相對較遠(yuǎn)的圍巖介質(zhì)的感應(yīng)電流產(chǎn)生的，可以反映遠(yuǎn)距離的電性分布，因此應(yīng)用礦用瞬變電磁儀記錄不同瞬變延時(shí)T的感應(yīng)電動(dòng)勢，經(jīng)過處理便可以得到隧道圍巖由近及遠(yuǎn)的電性分布情況[8～10]。???礦用瞬變電磁
7、法在忽略隧道空間的影響下，可以理解為線圈被整個(gè)大地給“包”了起來，所以在線圈的兩側(cè)都會產(chǎn)生“煙圈效應(yīng)”，其響應(yīng)特征為全空間電磁響應(yīng)，如圖1所示。圖1全空間瞬變電磁場的傳播???在預(yù)報(bào)預(yù)測時(shí)讓線圈平面的法線方向?qū)?zhǔn)要預(yù)報(bào)預(yù)測的掌子面方向，在發(fā)射線圈中通以階躍電流，然后利用接收線圈測量感應(yīng)二次場。通過接收到的二次場的感應(yīng)電動(dòng)勢隨時(shí)間的變化特征，就可以了解在預(yù)報(bào)預(yù)測范圍內(nèi)的目的方向介質(zhì)的電磁性質(zhì)變化規(guī)律，通過對數(shù)據(jù)的解釋處理進(jìn)而確定預(yù)報(bào)預(yù)測方向的地質(zhì)情況，如果有異常就可以確定其空間位置、異常體大小等，為隧
8、道掌子面掘進(jìn)提供賦水依據(jù)，保證隧道的安全生產(chǎn)。礦用瞬變電磁測量裝置接收回線中的感應(yīng)電動(dòng)勢為隧道周圍空間有效預(yù)報(bào)預(yù)測范圍內(nèi)所有介質(zhì)巖層電性特征的綜合響應(yīng)。因此，礦用瞬變電磁視電阻率為全空間巖層電性特征的綜合響應(yīng)，視電阻率的計(jì)算公式[11]演化為：???式中：C為全空間響應(yīng)系數(shù)；S為接收回線線圈面積；N為線圈匝數(shù)；T為二次場衰減時(shí)間；V/I為接收的歸一化二次場電位場值。該公式是在地面瞬變電磁數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上加上全空間相應(yīng)系數(shù)，使其演化為全空間視電阻率公式。3礦用瞬變電磁法
