TEM47HP煤礦井下探水瞬變電磁儀

一、引言

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*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zui高，對含水低阻體zui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。zui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

●  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、或小），相距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

βi表示探測方向為前方偏右βi角度
θi 表示探測方向為前方偏左θi角度；

四、技術指標

1、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：單道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

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2.5μs（40m×40m發射線圈），zui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
●  zui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、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*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。