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北京欧华联科技有限责任公司
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TEM47HP煤矿井下探水瞬变电磁仪
TEM47HP煤矿井下探水瞬变电磁仪
一、引言
我国不少煤矿发生过透水事故。重大透水事故造成人员重大伤亡和财产严重损失并导致煤矿停产。
煤矿透水事故原因各异，有的是顶板上方老窑积水倾泄至工作面，有的是底板下方承压水涌入采区，有的是在掘进头前方迂到了构造破碎带、裂隙发育区、岩溶、陷落柱等富水区（体）。防止透水事故发生的有效方法，是事先探测出水患源头或储水构造的位置然后再注浆处理。
探测地下储水构造的*方法是瞬变电磁法，因为瞬变电磁法在各种电法和电磁法中分辨率zui高，对含水低阻体zui敏感。当然，在地面也可以探测地下储水构造，但如果在井下探测则分辨率更高，更准确。因为井下的外界电磁干扰很小，观测数据质量高，探测装置离目标体近，准确度高。zui近三年来（到2006年底）我国已有13个煤矿和高校购买了TEM47HP井下探水系统，并获得了成功应用，避免了井下透水事故的发生。
二、TEM47HP井下探水系统的组成
TEM47HP是加拿大Geonics 公司专门生产的井下探水瞬变电磁系统，也叫PROTEM47HP。其组成包括（图1）
图1 TEM47HP井下探水系统的组成
● PROTEM数字接收机
● TEM47HP发射机
● 高频接收线圈
● 可调节角度的井下多匝发射线圈
● 全空间正、反演软件
其简单工作原理是，根据探测目标将井下多匝发射线圈安置在合适的位置上，将高频接收线圈安置在距发射线圈5－10m的位置上，TEM47HP发射机向多匝发射线圈发送脉冲电流（频率可选）产生一次场。该一次场向探测目标体扩散，当迂到探测目标体时则产生变化的二次场，即瞬变电磁场。该瞬变电磁场在高频接收线圈中产生感应电压并由PROTEM数字接收机接收和进行初步处理。
全空间正、反演软件是对数字接收机接收到的瞬变电磁场数据进行全面处理和反演解释，以给出探测目标体的位置、形状和电阻率等参数。
三、井下瞬变电磁法的装置结构
瞬变电磁法有不同的装置结构，以适应不同的探测目的。由于井下瞬变电磁法是在巷道内进行，要在有限的施工空间内获取巷道前方，顶、底板，以及采区下面的储水构造和储水体的分布情况，并且探测盲区还要尽量少。因此必须仔细选择合适的仪器类型和合适的装置结构。
可在井下工作的装置结构有四种（图2）：
图2 剖面探测装置方
● 重叠回线装置：发射线圈与接收线圈重合。此种装置由于接收线圈和发射线圈重叠，互感大、一次场影响大，所以关断时间长，盲区大。
● 中心装置：接收线圈RX位于发射线圈TX的中心处。此种装置互感大，一次场影响大，盲区大。
● 共面偶极装置：发射线圈TX与接收线圈RX共平面，两者相距5－10m，因此一次场对接收线圈的影响可以忽略，盲区小。此装置适合沿巷道探测其侧向采区下方的储水构造。此时，发射线圈和接收线圈沿巷道布置，倾角45（或大、或小），相距5－10m。当探测巷道顶、底时，发射线圈和接收线圈沿巷道水平布置。
● 共轴偶极装置：发射线圈TX与接收线圈RX分别位于前后平行的两个平面内，但处于同一轴线上，两者相距5－10m。此装置适合巷道掘进头的超前探测。此时，接收线圈贴近掌子面，发射线圈位于其后5－10m处，两者轴线指向探测方向（图3）。如果接收线圈和发射线圈分别向左、向右转动不同角度时（例如±30°，±45°），则探测方向也分别指向前方的不同角度，于是便可以探明掘进头前方扇形区域内的储水构造（图4）。
图3 巷道掘进头TEM超前探测装置方式
图4 巷道掘进头超前探测方式与探测范围
βi表示探测方向为前方偏右βi角度
θi 表示探测方向为前方偏左θi角度；
四、技术指标
1、PROTEM数字接收机
技术指标：
● 观测值：三分量感应磁场的衰减比，nv/m2
● 电磁传感器：空心线圈
● 道数：单道连续测量三分量或三道同时测量三分量
● 时间门：在两个量级时间轴上20个门测量，或三个量级时间轴上30个门测量
● 信号分辨率：24位，包括1个符号位，系统分辨率29位
● 基本频率：0.3，0.75，3，7.0，30，75，285Hz（60Hz工频时）
0.25，0.625，2.5，6.25，25，62.5，237.5Hz（50Hz工频时）。
● 积分时间：0.5，2，4，8，15，30，60和120秒
● 显示器：240×64点液晶显示
● 数据管理：固态存储3300套数据，RS232输出
● 同频：参考电缆同步
● 工作温度：-40℃—+60℃
● 电源：12V可充电电源，可连续工作8小时
● 重量：15Kg
● 体积：34×38×27cm
2、TEM47HP发射机
技术指标：
● 电流波型：偶极方波，占空系数50%
● 基本频率：30，75，285Hz（功率传输线为60Hz时）
25，62.5，237.5Hz（功率传输线为50Hz时）
● 关断时间：关断时间2.5μs（40m×40m发射线圈），zui终关断时间取决发射线圈有效面积S及发射电流A
● 发射线圈尺寸：1.5m×1.5m（80匝）或2m×2m（64匝）
● 输出电压：0－12V 24V或32V
● zui大输出电流：10A
● 同步：电缆同步
● 工作温度：-40℃—+60℃
● 电源： 内置12V，外接12V或24V
● 重量：6公斤
● 尺寸：43 x 25 x 25 厘米
五、巷道掘进头超前探测应用实例
1．对巷道掘进头的超前探测
图7－图11是某煤矿－250米排水巷道在掘进过程中不同时间的超前探测结果，其目的是确定不断向前推进的巷道掘进头前方是否有储水构造，以保证掘进的安全。
●图7是2004年9月30日进行的*次超前探测，结果发现掘进头前方30m-40m 为低阻区，此低阻区位于巷道正前方偏左方向，正前偏右方向及右帮无异常。经钻探证实低阻区是局部含水区，由于及时采取措施保证了安全掘进。图中侧帮平探，采用共面偶极方式，掘进头前探采用共轴偶极方式，然后把两个方位的探测结果作为同一剖面成图，所以图中结构实际上反映的是两个方向的情况，这样就可以在同一标准下比较不同方向的电阻率分布，为分析掘进头前方的含水性提供依据。
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