TEM47HP煤礦井中探水系統
我國不少煤礦發生過透水事故。重大透水事故造成人員重大傷亡和財產嚴重損失并導致煤礦停產。
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，有的是在掘進頭前方迂到了構造破碎帶、裂隙發育區、巖溶、陷落柱等富水區（體）。防止透水事故發生的有效方法，是事先探測出水患源頭或儲水構造的位置然后再注漿處理。
探測地下儲水構造的最佳方法是瞬變電磁法，因為瞬變電磁法在各種電法和電磁法中分辨率最高，對含水低阻體最敏感。當然，在地面也可以探測地下儲水構造，但如果在井下探測則分辨率更高，更準確。因為井下的外界電磁干擾很小，觀測數據質量高，探測裝置離目標體近，準確度高。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，并獲得了成功應用，避免了井下透水事故的發生。
二、TEM47HP井下探水系統的組成
TEM47HP是加拿大Geonics 公司專門生產的井下探水瞬變電磁系統，也叫PROTEM47HP。其組成包括（圖1）
圖1 TEM47HP井下探水系統的組成
● PROTEM數字接收機
● TEM47HP發射機
● 高頻接收線圈
● 可調節角度的井下多匝發射線圈
● 全空間正、反演軟件
其簡單工作原理是，根據探測目標將井下多匝發射線圈安置在合適的位置上，將高頻接收線圈安置在距發射線圈5－10m的位置上，TEM47HP發射機向多匝發射線圈發送脈沖電流（頻率可選）產生一次場。該一次場向探測目標體擴散，當迂到探測目標體時則產生變化的二次場，即瞬變電磁場。該瞬變電磁場在高頻接收線圈中產生感應電壓并由PROTEM數字接收機接收和進行初步處理。
全空間正、反演軟件是對數字接收機接收到的瞬變電磁場數據進行全面處理和反演解釋，以給出探測目標體的位置、形狀和電阻率等參數。
三、井下瞬變電磁法的裝置結構
瞬變電磁法有不同的裝置結構，以適應不同的探測目的。由于井下瞬變電磁法是在巷道內進行，要在有限的施工空間內獲取巷道前方，頂、底板，以及采區下面的儲水構造和儲水體的分布情況，并且探測盲區還要盡量少。因此必須仔細選擇合適的儀器類型和合適的裝置結構。
可在井下工作的裝置結構有四種（圖2）：
圖2 剖面探測裝置方式
● 重疊回線裝置：發射線圈與接收線圈重合。此種裝置由于接收線圈和發射線圈重疊，互感大、一次場影響大，所以關斷時間長，盲區大。
● 中心裝置：接收線圈RX位于發射線圈TX的中心處。此種裝置互感大，一次場影響大，盲區大。
● 共面偶極裝置：發射線圈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，盲區小。此裝置適合沿巷道探測其側向采區下方的儲水構造。此時，發射線圈和接收線圈沿巷道布置，傾角45（或大、或?。嗑?/span>5－10m。當探測巷道頂、底時，發射線圈和接收線圈沿巷道水平布置。
● 共軸偶極裝置：發射線圈TX與接收線圈RX分別位于前后平行的兩個平面內，但處于同一軸線上，兩者相距5－10m。此裝置適合巷道掘進頭的超前探測。此時，接收線圈貼近掌子面，發射線圈位于其后5－10m處，兩者軸線指向探測方向（圖3）。如果接收線圈和發射線圈分別向左、向右轉動不同角度時（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頭前方扇形區域內的儲水構造（圖4）。
圖3 巷道掘進頭TEM超前探測裝置方式 圖4 巷道掘進頭超前探測方式與探測范圍
θi 表示探測方向為前方偏左θi角度；
βi表示探測方向為前方偏右βi角度
四、TEM47HP技術指標
1、PROTEM數字接收機
圖5 PROTEM數字接收機
技術指標：
● 觀測值：三分量感應磁場的衰減比，nv/m2
● 電磁傳感器：空心線圈
● 道數：連續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點液晶顯示
● 數據管理：固態存儲3300套數據，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，可連續工作8小時
● 重量：15Kg
● 體積：34×38×27cm
2、TEM47HP發射機
圖6 TEM47HP發射機
技術指標：
● 電流波型：偶極方波，占空系數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）
● 關斷時間：關斷時間2.6μs（40m×40m發射線圈），最終關斷時間取決發射線圈有效面積S及發射電流A
● 發射線圈尺寸：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巷道掘進頭超前探測應用實例
1．對巷道掘進頭的超前探測
圖7－圖11是某煤礦－250米排水巷道在掘進過程中不同時間的超前探測結果，其目的是確定不斷向前推進的巷道掘進頭前方是否有儲水構造，以保證掘進的安全。
● 圖7是2004年9月30日進行的第一次超前探測，結果發現掘進頭前方30m-40m為低阻區，此低阻區位于巷道正前方偏左方向，正前偏右方向及右幫無異常。經鉆探證實低阻區是局部含水區，由于及時采取措施保證了安全掘進。圖中側幫平探，采用共面偶極方式，掘進頭前探采用共軸偶極方式，然后把兩個方位的探測結果作為同一剖面成圖，所以圖中結構實際上反映的是兩個方向的情況，這樣就可以在同一標準下比較不同方向的電阻率分布，為分析掘進頭前方的含水性提供依據。
圖7 第一次初探結果
● 圖8是2004年11月8日進行的第二次超前探測，結果反映掘進頭前方75m范圍內巖性比較均勻，無明顯低阻異常，雖然在60多米以上存在局部相對低阻區（圖8頂部顏色較深的區域），但電阻率普遍大于40Ω•m（該地的富水區電阻率普遍小于1Ω•m），不大可能是富水區，因而我們預報為安全區，可以掘進。實際掘進過程比較順利，沒有遇到異常情況。
圖8 第二次跟蹤探測結果
● 圖9是2005年2月5日進行的第三次超前探測，結果發現掘進頭前方25— 45m之間有一低阻異常區（圖9），異常核心區位于巷道前方偏右部位。據此建議進行鉆探。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。經過預防治理，排除了突水隱患。
圖9 第三次跟蹤探測結果
● 圖10是2005年5月6日進行了第四次超前探測。結果發現掘進頭正前方30—50m段為橫貫巷道走向的低阻區（圖10），由于異常呈條帶狀連續分布，判斷為斷層。當巷道向前掘進18m時開始打鉆（保持安全距離不小于10m），鉆探進尺18.5m(即位于探測時掘進頭位置前方36.5m)時出水，水量75m3/h,及時采取了治理措施。最后掘進證實此區段是一含水破碎帶。
圖10 第四次跟蹤探測結果
● 圖11是2005年9月28日進行的第五次超前探測。探測結果反映掘進頭前方偏左存在一個低阻異常區（圖11），但規模不大，電阻率也不是很低（>1Ω•m），根據經驗，不會有大的水情。實際情況表明，巷道在該區段的掘進過程比較順利，沒有水情出現。但也說明，該方法給出的結果并不是百分之百的正確，也可能給出假的低阻異常。產生這種現象的原因除了環境噪音外，周圍介質影響也可能是一個重要因素。換句話說，雖然我們設定目標體位于探測面前方，但并不能排除探測面以外，特別是后方介質的影響。
圖11 第五次跟蹤探測結果
2．在巷道內探測采區煤層底板儲水構造
如前面三節所述，在此類應用中采用共面偶極裝置?，F將河南一些煤礦在這方面的應用實例列舉如下：
● 圖12為瞬變電磁法在某西大巷向下幫（平行巖層傾向）側向探測距離110m處有無平行西大巷走向、斷距為25米的導水斷層(此斷層是根據少量鉆孔資料推測結論)。探測結論為：110m附近均為相對高阻，不存在導水斷層，并得到鉆探和巷探證實。
圖 12 側向探測是否存在導水斷層
● 圖13為15011工作面下風道瞬變電磁（45°斜下方）探測煤層底板巖層賦水性結果圖。由圖中看出，該面通尺40----260m段為相對低阻區（圖中蘭色部分），低阻區呈上下連通狀且導高較大，探測結論為：此區域在工作面回采時易發生底板突水，應提前采取防水措施（232m處為已知底板出水點，與物探結果吻合）。
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）孔位置實例。瞬變電磁探測到50m附近巷道底板下方為低阻區中心區域，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）結果對比圖。注漿改造前物探結果顯示，工作面中存在多處上下溝通狀低阻異常區（圖中蘭色部分為縱向裂隙發育區）；注漿改造后物探結果顯示，上下溝通狀低阻區大多變為相對高阻區，剩余的少數深部低阻異常導高明顯變小，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果。
圖17 偶極方式
圖17是沿測線的TEM響應曲線，該圖是判斷測區水異常最重要的依據。上圖給出了瞬變場響應曲線，可見剖面中部具有強異常，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，反映了測量面由淺到深的異常情況。 發射/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是根據圖17中的瞬變場響應曲線，對井下儲水構造的成像圖，以及鉆孔驗證的出水量。
圖19 是儲水構造成像
上述井下瞬變電磁法的應用實例，主要來自焦作煤業（集團）有限責任公司郭純和劉白宇先生以及中科院地質與地球物理研究所白登海教授所發表的文章。
檢測認證人脈交流通訊錄
圖1 TEM47HP井下探水系統的組成● PROTEM數字接收機
圖2 剖面探測裝置方式
圖3 巷道掘進頭TEM超前探測裝置方式 圖4 巷道掘進頭超前探測方式與探測范圍
圖6 TEM47HP發射機技術指標：
圖7 第一次初探結果
圖8 第二次跟蹤探測結果● 圖9是2005年2月5日進行的第三次超前探測，結果發現掘進頭前方25— 45m之間有一低阻異常區（圖9），異常核心區位于巷道前方偏右部位。據此建議進行鉆探。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。經過預防治理，排除了突水隱患。
圖9 第三次跟蹤探測結果● 圖10是2005年5月6日進行了第四次超前探測。結果發現掘進頭正前方30—50m段為橫貫巷道走向的低阻區（圖10），由于異常呈條帶狀連續分布，判斷為斷層。當巷道向前掘進18m時開始打鉆（保持安全距離不小于10m），鉆探進尺18.5m(即位于探測時掘進頭位置前方36.5m)時出水，水量75m3/h,及時采取了治理措施。最后掘進證實此區段是一含水破碎帶。
圖10 第四次跟蹤探測結果● 圖11是2005年9月28日進行的第五次超前探測。探測結果反映掘進頭前方偏左存在一個低阻異常區（圖11），但規模不大，電阻率也不是很低（>1Ω•m），根據經驗，不會有大的水情。實際情況表明，巷道在該區段的掘進過程比較順利，沒有水情出現。但也說明，該方法給出的結果并不是百分之百的正確，也可能給出假的低阻異常。產生這種現象的原因除了環境噪音外，周圍介質影響也可能是一個重要因素。換句話說，雖然我們設定目標體位于探測面前方，但并不能排除探測面以外，特別是后方介質的影響。
圖11 第五次跟蹤探測結果2．在巷道內探測采區煤層底板儲水構造
圖18 偶極方式
