瞬变电磁装置初步研究

瞬变电磁装置初步研究（精选7篇）

瞬变电磁装置初步研究 篇1

摘要：由煤矿采空区引起的安全事故一直是煤矿的主要事故之一, 可能造成突水、发火等事故, 这就需要首先对采空区进行探测, 了解其发育状况, 从而为及时处理煤矿地质灾害、有效预防煤矿事故提供良好的地质依据, 但矿区一般地电干扰严重, 传统的大线框瞬变电磁仪受干扰影响较大, 而采用小线框瞬变电磁仪在某矿区进行采空区探测, 取得了较好的效果。

关键词：小线框,瞬变电磁,探测,采空区

不管是在煤矿生产区域还是在重大建设工程所在地, 都需要进行采空区探测工作, 但很多矿区不是位于偏远山区、地形起伏大, 就是被各种电线、金属材料、车辆等地电干扰包围。目前探测采空区用得最多的物探方法是瞬变电磁法[1,2], 且大都采用进口的V8或GDP-32Ⅱ等大线框瞬变电磁仪进行, 其共同的缺点: (1) 探测的深度要靠加大供电电流强度和加大发射线框来实现, 但这些仪器本身都有最大工作电流值的限制, 超过一定的供电电流仪器就会自动停止工作, 或者发生故障, 直至损坏; (2) 在地电干扰较大的矿区, 数据采集时只能靠增加叠加次数来抑制干扰, 同时也会使野外采集的数据大大失真; (3) 在地形起伏较大的矿区, 由于需要铺设几百米的发射线框, 往往会由于铺设线框的误差较大影响到采空区的探测精度[3,4,5,6,7,8]。因此, 迫切需要采用小线框瞬变电磁仪进行高精度探测。采用小线框瞬变电磁仪在陕西某煤矿采空区探测中的实际应用表明, 其结果与大线框瞬变电磁仪探测结果吻合程度较高, 取得了良好效果。

1 研究区地形及地质概况

为了加强和规范煤矿地质工作, 进一步查明某煤矿隐蔽致灾因素, 及时处理煤矿地质灾害, 有效预防煤矿事故, 需要对一盘区西翼采空区开展探测工作。该区域地形起伏较大, 且测区边界很陡, 下面有一条小河, 如果采用传统的大线框瞬变电磁仪来完成此次工作, 铺设发射框的难度较大, 且会造成框的误差较大, 进而影响探测的精度, 于是采用了小线框瞬变电磁仪来完成此次采空区探测的部分工作, 并进行了对比分析。

据钻孔揭露和地质填图数据, 区内地层从老到新依次为:三叠系上统永坪组、侏罗系中统延安组、直罗组、第四系中更新统离石组、第四系上更新统萨拉乌苏组、第四系全新统风积砂。区内含煤地层为侏罗系中统延安组, 自下而上划分为5个煤组, 即1号、2号、3号、4号、5号煤组。延安组共含有对比意义的煤层9层, 分别是2-2、3-1、4-2、4-3、4-4、5-2、5-2下、5-3、5-4。其中2-2为主采煤层。

2-2煤层为厚煤层, 位于延安组第四段的顶部, 是该区最厚的主要可采煤层之一, 全区可采。与下部3-1煤层间距30.39~40.04 m, 平均33.00 m;煤厚4.11~6.85 m, 平均厚5.36 m;开采深度约200m。

2 采空区地质解释依据

煤层被开采后, 随着时间的推移, 采空区上方岩层在重力作用下发生塌陷, 煤层上覆岩体失去原有的平衡状态, 破坏了岩石的完整性和连续性, 致使岩层破碎和出现大量的空隙和裂隙, 故该处电阻率会偏高于完整岩石处的电阻率;如果采空区内的空隙被水或泥质物充填, 则该处的电阻率将明显低于周围完整岩石的电阻率, 表现出一定的低电阻率特征[1,2], 这是电磁法采空区积水情况的物理依据。针对该区, 煤层被开采后, 在采空区中有积水, 积水后的采空区在电性上就表现为明显的低电阻率异常反映。也就是说, 此次的采空区探测以低电阻率异常解释为采空异常区。

3 使用仪器和工作参数

大线框瞬变电磁仪采用进口的GDP-32Ⅱ多功能电法仪, 采用中心回线装置, 160 m×160 m的发射线框, HZ垂直分量接收探头 (等效面积10 000m2) 接收。小线框瞬变电磁仪采用EMRS-3型微机电磁勘探仪, 采用重叠回线装置, 发射接收线框均为3 m×3 m。

4 研究区大线框瞬变电磁仪探测

4.1 剖面分析

图1为测区采用大线框瞬变电磁仪GDP-32Ⅱ多功能电法仪完成的820线剖面 (黑色虚线为煤层界面, 阴影部分为推断的采空异常区) 。从图1视电阻率等值线可以看出, 在剖面500~600 m、标高约1 050 m范围表现为明显的低电阻率异常反映, 推断为采空积水区异常。

4.2 平面分析

图2为根据各剖面数据, 顺煤层标高绘制顺层平面成果图 (阴影部分为推断的采空积水区异常) 。从图2中视电阻率等值线的展布特征可以看出, 测区内的低电阻率值异常区主要由620—860线的300—600号点控制, 从视电阻率绝对值分析, 其与围岩的电性差异明显, 推断为采空积水区异常。

5 研究区小线框瞬变电磁仪探测

5.1 剖面分析

图3是采用小线框瞬变电磁仪EMRS-3型微机电磁勘探仪完成的820线剖面 (黑色虚线为煤层界面, 阴影部分为推断的采空异常区) 。从图3中可以看出, 在剖面440~580 m, 标高约1 050 m范围表现为明显的低电阻率异常反映, 推断为采空积水区异常。

5.2 平面分析

图4为根据各剖面数据顺煤层标高绘制顺层平面成果图 (阴影部分为推断的采空积水区异常) 。从图4中视电阻率等值线的展布特征可以看出, 测区内的低电阻率值异常区也主要由620~860线的300—600号点控制, 从视电阻率绝对值分析知, 其与围岩的电性差异明显, 推断为采空积水区异常。

6 结果对比分析

通过2种仪器探测结果对比分析推断的采空区范围如图5所示, 采用大线框瞬变电磁仪探测的采空区范围为53 660 m2, 而采用小线框瞬变电磁仪探测的采空区范围为52 030 m2。两者探测的范围误差为3.13%。

7 结语

通过在某煤矿采空区探测中的应用研究, 说明采用小线框瞬变电磁仪进行探测可以基本达到采用大线框瞬变电磁仪进行探测的效果, 且野外施工方便, 地形起伏影响小, 抗干扰能力强, 铺设线框简单, 具有良好的应用前景。

参考文献

[1]张开元, 韩自豪, 周韬.瞬变电磁法在探测煤矿采空区中的应用[J].工程地球物理学报, 2007 (4) :341-344.

[2]杨光, 陈玉玖, 姜志海.小回线源瞬变电磁法在煤矿积水采空区探测效果分析[J].工程地球物理学报, 2011 (4) :399-402.

[3]杨农合, 王辉, 徐小林, 等.应用瞬变电磁法小线框大电流探测隐伏断层[J].物探与化探, 2011 (1) :81-85.

[4]杨农合, 徐小林, 吴朝俊, 等.应用瞬变电磁法小线框大电流探测水下构造[J].工程地球物理学报, 2012 (3) :279-284.

[5]杨农合, 徐小林, 吴朝俊, 等.瞬变电磁法小线框技术研究及其应用[J].西安理工大学学报, 2012 (3) :345-351.

[6]曹国栋, 刘树才, 刘庆生.TEM小线框技术在近地表结构中的应用[J].工程地球物理学报, 2005 (4) :270-275.

[7]肖明辉, 杨晋炜, 闵长青, 等.国内多匝小线框瞬变电磁研究现状探讨[J].西部探矿工程, 2011 (10) :158-160.

[8]陈易玖.小框瞬变电磁法 (TEM) 的勘探深度[J].湖北地矿, 2003 (4) :38-44.

瞬变电磁装置初步研究 篇2

电磁探测方法是浅部环境与工程勘探的重要手段, 目前已被广泛用于各种水文地质问题。电磁方法分为两大类:频率域电磁方法 (如MT) 和时间域电磁方法 (如TEM) 。但无论是频率域电磁方法还是时间域电磁方法, 近地表地质体探测一直是一个难题。对于频率域电磁方法来说, 地下2m~100m左右的深度是一个弱视区 (或半盲区) 。对于时间域电磁方法来说, 探测深度是由观测时间的早晚决定的, 目前绝大多数瞬变电磁法仪器记录的都是晚期信号, 又或者在数据处理时仅采用了晚期的信号。这两种情况就导致了:第一, 它损失了TEM探测方法的早期信号, 即其探测浅部结构的能力;第二, 它降低了TEM探测方法的分辨能力, 因为关断效应将使瞬变响应发生畸变, 并随观测时间的增加其影响逐渐减弱[1,2]。因此, 大部分情况下地表到地表以下20m左右是瞬变电磁法探测的半盲区。

瞬变电磁法发射机的输出信号, 其关断下降沿可能是线性, 也可能是非线性函数。直接用关断下降沿进行解释是很困难的, 实际中都是用理想的阶跃函数近似解释, 结果会与实际情况有很大差异[3]。对于同一模型, 关断时间越大, 早期的感应电动势幅值越接近负阶跃脉冲的模拟结果[4]。对于不同类型的关断电流, 半正弦对瞬变场的影响大于线性关断电流[2]。目前, 关于关断效应校正数据处理的方法很多, 常规的方法有坐标移动法、解析法、数值计算法等, 有些校正方法效果虽然比较好, 但也有其严格的应用条件[5]。研究发射机关断时间大小的影响因素, 在保证信号质量的前提下, 在物理上减小关断效应的措施是必要的。本文以Terra TEM发射机为例, 对重叠小回线装置条件下的关断时间的影响因素进行讨论。

1 实验过程

实验采用的是澳大利亚生产的Teera TEM-3型瞬变电磁仪, 该仪器能较为详细地记录发射和接收线圈的参数, 如接收线圈总电阻、关断时间、发射电流、加载电压、仪器内外温度等, 还可进行中心回线、重叠回线、分离回线等多种装置形式的野外数据采集工作。其稳定工作的最小外接电压是23.2V, 最大允许的发射电流为10A, 故小回线的发射线圈电阻不能太小。

野外实验选择的是四周比较开阔、远离人类活动及工业电线的场地。首先以半径为7.1m的圆形线圈装置, 发射与接收线圈各6匝, 半小时测量一次, 连续测量13小时, 以观测关断时间随外界环境变化的规律。然后, 做了不同的叠加次数和采样时间序列的类型对关断时间影响的实验。最后, 分别改变线圈形状和匝数采集数据, 以研究不同线圈参数对关断时间的影响。每次实验都在同一点上做, 以保证数据的稳定性。

2 分析研究

2.1 同点同参数观测的关断时间变化

图一给出了接收和发射线圈都为6匝, 半径为7.1m的圆形重叠回线, 叠加次数为256次。从早上7点开始, 在同一点上, 每半小时测量一次, 共计测量了26组数据。除个别干扰点外, 实验结果的趋势大致相同。所有仪器记录的参数中, 发射线圈电阻变化规律与其关断时间变化有较明显的关系。从图一可以看出, 发射线圈电阻的变化范围是4.1Ω~4.5Ω, 这可能是受到环境温度、湿度等的影响。而关断时间的变化范围为247μs~277μs。关断时间和发射线圈电阻的变化近似成反比例关系。这表明在装置及发射机参数不变的情况下, 发射机关断时间大小与发射线圈的电阻变化是有关系的。

2.2 不同发射机参数对关断时间的影响

2.2.1 叠加次数的影响

图二给出了接收线圈为7匝, 发射线圈为5匝, 单匝接收/发射线圈面积为50m2的重叠回线, 改变叠加次数所采集到的关断时间数据。图二表明, 叠加次数从2次增加到10000次的过程中, 叠加次数增加5000倍, 而关断时间的变化几乎在10μs范围内, 由此可推断相同回线装置和参数的条件下, 仅改变叠加时间对关断时间影响很小。

2.2.2 不同时间序列的影响

改变仪器内部预设的不同时间序列类型, 其他参数保持不变, 在同一点采集数据, 每种时间序列都采集5次数据, 表一给出了所测量数据的关断时间的平均值。

表一是不同类型的长时序列、中间时间序列、高密度时序列以及不同采集时长的关断时间变化。表一说明时间序列的类型变化, 关断时间的值是基本相同的, 即不同时间序列的选择不会对关断时间造成明显的改变。也就是说, 关断时间的大小是不受数据采集时的时间序列类型的控制。

2.3 不同线圈形状和匝数对关断时间的影响

表二给出了重叠回线装置的发射线圈匝数不同和线圈匝数相同但形状不同测量的关断时间及相关数据。发射线圈匝数不同, 同一小回线和重叠回线的关断时间的变化规律是大致相同的[1]。从表二可知, 关断时间会随装置的发射线圈匝数增加而增大;在匝数不变的情况下, 不同形状线圈的发射磁矩相差很大, 但其关断时间改变幅度较小。对发射线圈的匝数与其关断时间进行线性拟合, 发现两者具有良好线性关系;而线圈的发射磁矩的改变与关断时间的变化没有明显的线性关系。

3 结束语

(1) 同一规格电缆绕制的线圈在环境条件发生变化时, 电阻会在小范围内发生变动, 使关断时间发生明显变化。即在发射线圈及发射机装置参数不变的情况下, 其电阻越小, 关断时间越大。

(2) 采集数据时, 发射机中叠加次数和时间序列参数的选择, 对关断时间基本没有影响。

(3) 影响关断时间的主要因素是发射线圈的匝数。在线圈单匝长度和匝数不变的情况下, 关断时间会随发射磁矩增大而增加, 但是增加幅度较小。线圈匝数变化, 即使发射磁矩大幅减小, 关断时间与线圈匝数呈线性增加。

摘要：本文对多匝重叠小回线装置不同的线圈参数和发射机参数进行了同点关断时间的实验, 对比分析了同点同参数的关断时间随时间的变化规律、发射机数据采集时参数设置对关断时间的影响, 以及不同线圈匝数和发射磁矩对关断时间的影响。结果表明, 同一装置及参数的关断时间受线圈电阻影响较大;发射机叠加次数的设置和时间序列的选择对关断时间基本无影响;线圈匝数与其关断时间呈正比线性关系;线圈的发射磁矩与其关断时间在线圈匝数不变的情况下呈正比线性关系。

关键词：瞬变电磁法,关断时间,重叠小回线,发射磁矩,时间序列,叠加次数

参考文献

[1]白登海, Maxwell Meju.瞬变电磁法中两种关断电流对响应函数的影响及其应对策略[J].地震地质, 2001, 23 (02) :245-251.

[2]杨海燕, 岳建华.瞬变电磁法中关断电流的响应计算与校正方法研究[J].地球物理学进展, 2008, 23 (06) :1947-1952.

[3]于生宝, 王忠, 嵇艳鞠, 等.瞬变电磁法浅层探测技术[J].电波科学学报, 2006, 21 (02) :284-287.

[4]孙怀凤, 李貅, 李术才, 等.考虑关断时间的回线源激发TEM三维时域有限差分正演[J].地球物理学报, 2013, (03) :1049-1064.

[5]蒋邦远.实用近区磁源瞬变电磁法勘探[M].北京:地质出版社, 1998.

瞬变电磁数据处理流程研究 篇3

在对数据进行采集以后,留给我们的就是室内处理的工作了。为了得到地下的地电情况,往往需要得到一系列的图件。在现阶段,由于处理解释的理论不成熟,仅仅停留在半定量半定性阶段,尽管现在有很多专家学者将地震的处理解释理论引进了瞬变电磁之中,但是总的来说还是有局限性的。发展研究属于瞬变自己的理论很有必要。牛顿说自己的成功是站在巨人的肩膀上,因此研究瞬变必须以现有的处理和解释手段为基础,摸透套路,了解其优缺点,才能完善自己。

1 主题

通过大量文献的阅读,现在主要归纳、分析、总结瞬变定性处理解释的一般步骤:

1.1 预处理

在大量的文献中,都提到这样的手段,不妨总结如下。

1.1.1 关断时间校正

蒋邦远称为斜阶跃波后沿影响校正,有坐标移动法(等效延时法)、解析法、量板法、数值计算法四种。

杨云见,王绪本,何展翔在文章中分析了关断效应的影响并对比了标移动法、Fitterman校正法、Eaton校正法三种校正方法的效果。对于全期段数据校正宜选Eaton法,对“晚期”段数据可选Eat on法,也可选坐标移动法;在选用Fitterman法时要注意是否满足使用条件。

白登海分析了关断效应对响应函数的影响,并提出了相应的处理方法和策略。

1.1.2 数据组合滤波

蒋邦远提出的三点滤波、六点滤波、卡尔曼滤波、函数拟合法五种方式。杜庆丰,管志宁,何朝明提出的方法主要包括强干扰信号剔除、测道圆滑、测点圆滑三种。张保祥、刘春华[2]采用三点自相关滤波公式用VB编制了衰减电压曲线编辑程序,来处理衰减电压V (t)/I曲线尾支出现波动。嵇艳鞠,林君,王忠[4]进行畸变分析和数值剔除。

1.1.3 弱信息增强处理

苏彦丁[8]进行了瞬变电磁资料中弱信号的提取的工作。

1.1.4 异常分离

1.2 数据处理

在经过上面的步骤后,就可以对数据进行处理了。

1.2.1 处理图件

以延时为纵坐标的多测道剖面和以延时为纵坐标勾绘的视电阻率断面图,按测道绘制视电阻率平面图等图件。

其中,某一测道的视电阻率:

式中,M为发射磁矩(即发射电流与发射回线面积之积);u为感应电动势。在得到对应测道的深度:

杨剑[3]提出了深度视电阻率断面图和等标高视电阻率平面图来绘制图件。

上述步骤后,可以用excel和surfer结合即可以绘制出图件。

1.2.2 处理软件

比较通用的数据处理与资料解释软件系统,比较有代表性的有美国Interpex公司的IXID v3电法数据处理系统;澳大利亚Encom公司推出的EMvisIon瞬变电磁法软件;中科院地质与地球物理所开发的TEMINT基于一维反演的电阻率成像软件;吉林大学地探学院开发的“GeoElec2tro电法数据处理系统”。

嵇艳鞠,林君,程德福,于生宝[7]ATEM-Ⅱ瞬变电磁仪数据处理软件的研制与应用,编写了软件包括三点平滑数字滤波(奇异值剔除)、斜阶跃波效应后沿校正、近似对数等间隔抽道、计算全区电阻率计算视深度等功能。处理软件采用了全区视电阻率进行计算和反演,比远区或近区视电阻率的近似计算方法更能完整逼真地反映地电断面结构,有助于定性定量解释。

1.2.3 资料解释

资料解释主要根据处理环节的图件来获得。

曹冰河[6]提出了时间谱法和等效电流环法进行瞬变电磁法成果资料快捷解释方法,从而做出定性的解释。通过多测道剖面上面的双峰异常和测道间的间距大小也可以来进行解释。

2 结束语

通过对瞬变电磁法勘探处理流程的综述与研究,对实际资料的处理解释有极大的现实意义。

摘要：近年来，我国经济的持续发展与新一轮的矿产普查热，推动了瞬变电磁法勘探在我国的长足发展，研究处理解释流程有很大的现实意义。

关键词：瞬变电磁,处理流程

参考文献

[1]蒋邦远．实用近区磁源瞬变电磁法勘探[M]．北京：地质出版社，1998．

[2]张保祥，刘春华．瞬变电磁法衰减电压曲线编辑程序简介[J]．物探化探计算技术，2001，(2)：77-80．

[3]杨剑．瞬变电磁异常图示方法探讨及其应用效果[J]．矿产与地质，2004，(8)：376-379．

[4]嵇艳鞠，林君，王忠．瞬变电磁接收装置对浅层探测的畸变分析与数值剔除[J]．地物理学进展，2007，(2)：262- 267．

[5]杜庆丰，管志宁，何朝明．瞬变电磁数据预处理方法探讨[J]．物探与化探，2006，(2)：67-70．

[6]曹冰河．瞬变电磁法成果资料快捷解释方法[J]．物探与化探，2004，(4)：136-138。

[7]嵇艳鞠，林君，程德福，于生宝．ATEM-Ⅱ瞬变电磁仪数据处理软件的研制与应用[J]．吉林大学学报(地球科学版)，2003，(4)：242-245．

[8]苏彦丁．瞬变电磁资料中弱信号的提取[J]．山西建筑，2007，(5)：114-115．

[9]杨云见，王绪本，何展翔．瞬变电磁法中的斜阶跃波效应及常规的几种校正方法分析[J]．物探化探计算技术，2006，(5)：129--132．

[10]白登海．瞬变电磁法中两种关断电流对响应函数的影响及其应对策略[J]．地震地质，2001，(6)：245-251．

瞬变电磁装置初步研究 篇4

瞬变电磁法或称时间域瞬变电磁法,简称TEM,它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲电磁场,在一次脉冲电磁场间歇期间,利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。其基本工作方法是:于地面或空中设置通以一定波形电流的发射线圈,从而在其周围空间产生一次场,并且在地下导电岩矿体中产生感应电流,断电后,感应电流由于热损耗而随时间衰减,衰减过程一般分为早、中和晚期。早期的电磁场相当于频率域的高频部分,衰减快,趋肤深度大。通过测量断电后不同时间的二次场随时间变化规律,可得到不同深度的地电特征。

矿井瞬变电磁法勘探是在煤矿井下巷道中进行,与地面比较矿井瞬变电磁场为全空间场,主要探测巷道周围全空间层状介质内含导水构造。

2 井下主要干扰因素及瞬变电磁响应特征分析[1,2]

2.1 井下主要干扰因素分析

矿井瞬变电磁法测量在地下几百米深度巷道内进行,探测距离100 m左右,因此,地面瞬变电磁法的地质噪声对矿井瞬变电磁法测量一般不会产生明显的影响;地面或浅部埋设的金属物位于发射回线内时,金属物能产生很强的瞬变响应,金属物愈靠近发射回线中心,根据发射回线电磁场分布特征,这种响应愈强。由于金属物与回线尺寸相比很小,因此,在局部测量点上会产生明显的强瞬变电磁响应,如果实际测量中对金属物存在不明确,可能引起错误的解释结果;井下瞬变电磁测量巷道中,周围金属物主要有铁轨、工字钢、锚杆支护、锚网、电缆、巷道侧帮排水管道和运输皮带支架等。井下实际测量结果说明,这些金属设施会产生很强的瞬变电磁响应,是矿井瞬变电磁法勘探主要噪声;系统噪声无论是地面还是井下瞬变电磁法测量均受到影响,通过选择合理的回线组合、回线大小和观测参数,可使系统噪声减弱。此外,由于澳大利亚产Terra TEM瞬变电磁仪对50 Hz和60 Hz的交流电磁场干扰有自动压制功能,因此,无论是地面或井下对工业用电电压不太高的交流电磁场的影响可忽略。

地面瞬变电磁法测量中的各种主要噪声对井下瞬变电磁法测量影响很小。通过多次井下实际测量实验分析,影响井下瞬变电磁法测量的各种噪声比地面复杂得多,而且是地面测量中很少遇到的噪声。井下瞬变电磁法测量中主要噪声为井下人文设施,主要有:巷道底板上的铁轨;工字钢支护;锚网;运输皮带支架等各种金属设施,这些金属设施在井下瞬变电磁法测量中能产生很强的瞬变电磁响应,如在巷道底板下采用重叠回线装置测量时,有铁轨地段比无铁轨地段瞬变电磁响应强几倍。

2.2 井下干扰因素瞬变电磁响应特征分析

为了进一步研究井下巷道实际的环境,分析矿井中人文设施(铁轨、工字钢、运输皮带支架、锚网等金属实施)在重叠回线装置中产生的瞬变电磁响应特征,井下试验采用2 m×2 m的多匝回线(实际测量采用的回线),制成回线组合,仪器为澳大利亚产Terra TEM瞬变电磁仪,供电电源和测量参数选择与实际测量一样。分别测量井下巷道底板上铁轨、巷道顶板和侧帮工字钢支护、锚网和底板上运输皮带支架等人文设施产生的瞬变电磁响应,并对其瞬变电磁响应特征进行系统研究。

2.2.1 铁轨瞬变电磁响应特征分析

此次巷道实验数据采集,采用重叠回线装置。巷道底板有无铁轨回线水平布置距地面0 m时的视电阻率曲线如图1所示。可见,在井下巷道底板进行测量中,底板铁轨对实际测量结果有着很强的影响,这在资料解释时要引起注意。通过比较不同间距的测量数据,使用回线距地面1 m时的布置装置测量效果好,能得到较好的数据。

2.2.2 锚网瞬变电磁响应特征分析

锚网属于巷道侧帮,测量时将回线垂直巷道。巷道侧帮有无锚网回线平行于锚网的视电阻率曲线如图2所示。比较图中两条曲线,可以看出两条曲线基本上相吻合。这说明,在井下巷道进行顶、底板含水构造探测,当回线平行于锚网时对实际测量结果影响很小,以至于可以忽略;通过进一步实验,发现回线倾斜于锚网对实际测量结果影响增强,需在资料解释中注意。

2.2.3 工字钢瞬变电磁响应特征分析

试验中回线垂直于巷道底板,有无工字钢时的视电阻率曲线如图3所示。比较图中的两条曲线,可以看出两条曲线幅值相差比较大,视电阻率幅值在有工字钢时比无工字钢时减小了好几倍。

可见,工字钢支护噪声干扰对实际测量有着很强的影响,使得视电阻率曲线幅值减小,在数据处理和资料解释时需考虑它的影响。

除上述干扰,煤矿井下还存在多种金属干扰,且无规律可循。采集数据过程中,应尽量避开或加以记录,以免影响解释结果。

3 井下干扰因素处理技术及应用

3.1 井下干扰因素处理技术

根据以上的分析研究,得出了井下铁轨、工字钢、锚网等人文设施的影响对井下瞬变电磁法测量的结果有着很强的负面影响。为了得到比较准确的测量结果,必须对实际测量结果进行一定的校正。因已知视电阻率和时间曲线,先从视电阻率着手来分析井下干扰因素的处理技术。矿井瞬变电磁法视电阻率为:

假设测量装置条件和环境都相同,没有干扰因素和有干扰因素条件下的视电阻率为分别为ρ0和ρ1,感应电位和感应电流分别为V0、I0和V1、I1,用ρ0/ρ1就得到:

令V0/I0=B0,V1/I1=B1,根据井下试验测量结果就可以得到:

式中,a为校正系数。利用这一推论可得到各时间窗口的校正系数,用实际测量结果除以各时间窗口的校正系数,得校正后视电阻率值,使数据更接近正确的地下地质信息。

3.2 实际应用

图4和图5为某矿工作面材料道TEM视电阻率断面图。本次井下探测仪器为澳大利亚产Terra TEM瞬变电磁仪,采用2 m×2 m多匝重叠矩形回线装置进行测量。在材料道中,0~200 m为工字钢支护,200~230 m没有支护,230~300 m有铁轨。采集数据过程中,在200 m和230 m两侧分别增加两个校正点,用上述方法对干扰体影响进行校正。图4中,由于受到工字钢和铁轨的干扰,资料效果很差,异常区无法确定;图5中,经过校正可很清楚地判别异常区的情况。经工作面开采揭露,所标定0~90 m和240~265 m两异常区与实际地质情况基本相符,280~300 m的低阻为巷道中电机干扰引起,没有校正。

4 结语

通过上述试验和实例,可以发现在煤矿井下瞬变电磁勘探中,存在大量强干扰体,其对资料处理和解释影响很大,必须对这些人文设施产生的噪声影响进行校正处理,以便得出正确的解释结果。本文研究了矿井瞬变电磁法测量中各种噪声的瞬变电磁响应特征和处理方法,为数据采集、资料处理和解释工作提供了一定指导。

参考文献

[1]杜庆丰,管志宁.瞬变电磁数据预处理方法探讨[J].物探与化探,2006,(2).

瞬变电磁装置初步研究 篇5

隧道施工中的地质超前预报关系到工程的安全、质量和进度, 因而倍受关注。同时在矿产资源开采中的巷道施工, 也面临系列上述问题。隧道地质超前预报要解决的问题主要有三个方面, 包括断裂、破碎带等不良地质对象的性质、规模的判定;不良地质体的位置及产状的确定;岩体工程类别的识别等。

由于隧道内可供观测的空间有限, 观测方案受到限制, 因而要准确的达到预报的要求难度很大。多年来国内外的工程地球物理工作者在不断地改进探测技术和分析方法。试图提高预报的可靠性和精度, 已经取得了很多成功的经验。但是目前的技术水平在预报准确性和可靠性方面还有待提高。目前, 国内外井巷、隧道的超前地质预报技术主要通常有工程地质调查与推断、地震反射法 (TSP) 、探地雷达法、声波探测和红外探测等几种。

目前的超前预报方法存在的主要问题是不良地质条件的判断缺乏明确的指标, 更多的依赖于经验, 其次是不良地质对象的定位精良不高, 特别是对于与隧道走向近乎平行的断裂带、饱水带等;第三是对于预报岩体工程类别的变化方面还缺乏可靠的依据, 对具体工程来说, 对于预测距离长的地震反射法 (如TSP) 来说只适于“宽敞”的隧道工程, 并且精度有限;而声波探测和红外探测常用于水和瓦斯等隐蔽灾害源分布的探测。今后在这些方面还有很多工作要做。

2 特殊线框瞬变电磁与地质雷达联合预报技术

我们提出一种新型较经济的超前预报方法组合:小线圈瞬变电磁探测中长距离超前预报与地质雷达中短距离细节超前预报组合系统。

2.1 地质雷达技术的局限性

利用地质雷达进行超前预报时, 当前方岩石完整的情况下, 可以预报30m的距离;当岩石不完整或存在构造的条件下, 预报距离小于10m。雷达探测的效果主要取决介质之间的介电常数差异。在洞内测试时, 由于受干扰因素较多, 往往造成假的异常, 形成误判。地质雷达对掌子面前方的超前预报工作, 目前最大的困难就是工作环境的限制导致雷达测线不能对整个掌子面进行控制起来, 一般只能在掌子面中下端或者顶端布置测线, 不能用理论的十字测线和井字测线对掌子面进行雷达探测, 这样就会导致探测出现盲区或者很大部分区块未能探测到。因为工作环境的复杂性和隧道工程的紧迫性, 地质雷达能做的工作较为有限。

2.2 隧道瞬变电磁技术的技术优势

我们研制出了特色装置的小线框 (见图1) , 它可以在隧道掌子面灵活探测。小线圈瞬变电磁探测, 特别善于发现隧道掌子面前方低阻异常;例如掌子面前方含水和明显的破碎带等不良地质体。这些不良地质体往往与围岩存在较明显的电阻率物性差异, 并呈现出低阻异常。

2.3 隧道瞬变电磁技术的技术难点

2.3.1 全空间地球物理问题

隧道 (井巷) 瞬变电磁的激发二次电磁呈全空间分布状态, 如果用地面的半空间的正反演方法作指导, 势必造成一定的误差。为此, 专门设计了隧道 (井巷) 专用探头、“扇形扫面”收发方案、坑道观测装置。

在隧道内类半平面问题在掌子面高和宽大于5倍的回线尺寸的情况下, 近似认为是半平面。我们通过开发高密度等间隔采样技术, 可以解决掌子面前方含水构造探测问题。通过采用较小多匝回线框的作为发送, 直立地贴近于掌子面, 用特制的接收磁探头 (固定于回线正中心) 接收来自掌子面前方的二次感应电压信号。

2.3.2 瞬变电磁关断和延时精确控制问题

在瞬变电磁法勘探中, 为达到一定的探测深度, 发射和接收装置常使用多匝线圈。如超前探测等工作时, 由于巷道内金属锚网等干扰, 必需增加回线匝数, 增大磁矩, 以增加勘探深度。而线圈匝数的增加, 也使得线圈的自感及相互间的互感对早期数据的影响增大, 关断时间增加, 早期的数据发生畸变, 不能加以利用。笔者从瞬变电磁法常用的多匝小回线装置出发, 结合多匝小回线的电感系数, 并初步较为成功的探讨了多匝小回线的感应电动势的特征及影响早期信号的因素, 并借助于示波器进行参数的精确控制。

2.3.3 小线圈瞬变电磁装置匹配问题

由于瞬变电磁是一种涡流场, 在介质中以扩散形式传播, 在隧道或巷道中工作时, 可以采纳的主要装置方法有两种, 一种是沿隧道或巷道方向在已开挖的空间进行观测;另一种是在掌子面上进行观测。在匹配过程中, 一般可通过改变线圈匝数、线路的电阻大小、线圈边长及在线圈中并接电阻等办法进行, 匹配中须谨防因并接电阻过小造成的过阻尼。在用瞬变电磁法进行隧道地质超前探测时, 隧道中测量处于全空间中, 须根据实际情况和需要改变发射线圈与接收线圈角度进行连续观测, 以获得扇形剖面。由于要在有限的隧道空间布置装置, 线圈不能太大, 且要达到一定的探测深度, 因此必须要进行必要的装置改进。

3 项目实例

鉴于我们在云南某矿区开展超前地质预报的经验, 地质雷达在巷道超前地质预报方面是一种高效、准确的探测方法, 但在探测距离上有一定不足, 同时配合隧道 (井巷) 瞬变电磁超前探测技术, 以其在中长距离上的探测优势, 与地质雷达形成优势互补, 可以达到更佳的地质项目, 更大程度的保障施工安全。

在开展雷达超前探测的基础上, 笔者采用1.5m×1.5m重叠回线装置开展井巷瞬变电磁超前探测试验, 采用目前的自行开发装置模式, 极限探深约为50m。掌子面处测点布设见图3, 为更好的反映井巷地质情况, 我们以巷道左壁、掌子面、巷道右壁所在平面为一条测线, 巷道底板、掌子面、巷道顶板所在断面为另一条测线, 进行交叉探测。

根据地质雷达探测与现场地质调查结果, 掌子面A-991m处围岩岩性主要为炭质板岩, 现场岩石完整性较好, 节理或被石英脉填充或被黄色硫化物填充;掌子面前方2~7m范围内反射信号较明显, 其中同相轴基本连续, 但是在局部有小小的缺失或者错断, 这主要是由于小裂缝、小不均匀体对于雷达波的电磁驰豫效应和衰减吸收所致, 振幅强度基本一致, 也再次说明岩性整体上的延续。

据图3 (a) 分析可知, 巷道左壁前方5~30m范围内主要为低阻体, 靠近掌子面附近前方10m和25m位置有小范围高阻体, 40m、50m处出现小范围低阻体, 不连贯, 35m处低阻体进入巷道正前方;掌子面前方5~30m范围内均为低阻体, 38m处低阻与巷道右壁低阻体连通, 43m~50m出现低阻体, 与巷道方向成一定夹角, 并延伸至巷道右壁;巷道右壁25m处有连通低阻体。

据图3 (b) 分析可知, 巷道底板下方5~30m范围内大片低阻体, 离掌子面2~4m处下方出现高阻体;掌子面前方5~30m范围基本为低阻体, 8~11m处有高阻体, 40m处低阻体与底板下方连通;巷道顶板在7~11m范围出现高阻带, 10~32m范围为大片低阻体。

由上述可知, 隧道 (井巷) 瞬变电磁在两个相互垂直方向上探测结果相符, 5~30m范围为低阻体, 结合地质因素, 可推测为大片炭质板岩穿插石英脉, 与雷达探测的10m范围内炭质板岩完整性较好相符, 在巷道左、右壁和顶板前方45m处出现的高阻体, 可能为开挖巷道或空洞。充分发挥两条交叉测线相互印证作用, 体现了地质雷达在短距离与井巷 (隧道) 瞬变电磁在中长距离上开展地质超前探测的优势, 实现了优势互补。

4 隧道 (巷) 地质预报的作用及方法总结

由于岩体的复杂性, 使得隧洞施工前地质预报所获得的资料与隧洞开挖后实际揭露出来的情况可能会有较大的出入, 施工中经常出现预料不到的塌方、冒顶、涌水等事故, 这些事故一旦发生, 轻则影响工期, 增加工程投资, 重则砸毁机械设备, 甚至造成人员伤亡, 如何解决这一难题, 备受世界各国隧洞工程界的关注, 隧洞施工地质超前预报正是在这种情况下提出的。隧洞施工地质超前预报, 就是利用一定的技术和手段收集隧洞所在岩体的有关资料, 并运用相应的理论和规律对这些资料进行分析、研究, 从而对施工掌子面前方岩体情况或成灾可能性做出预报。其内容主要为:断层构造及断层破碎带, 岩溶、空洞、裂隙及其规模和充填情况, 地下水赋存状态及可能突水、涌水的位置以及水量的大小, 软弱围岩及不同类别围岩的界面等。

隧道施工过程中进行地质预报, 各种方法都有其长处和短处, 特别是在地质条件复杂的隧道中, 应综合运用各种预报方法, 互相印证、取长补短、综合解释, 可以取得较好的地质效果。在隧道施工过程中进行地质预报, 各种方法都有其长处和短处, 特别是在地质条件复杂的隧道中, 应综合运用各种预报方法, 互相印证、取长补短、综合解释, 可以取得较好的地质效果。

摘要：“隧 (巷) 道超前探测”是目前地球物理工作者所面临的一个难题, 也是矿产资源开采中的巷道开拓超前预报问题的引伸。从原理上讲凡是能进行隧道掌子面勘探的所有的地质、地球物理方法均能用来进行隧道超前探测。我们对隧道超前探测技术进行了多年项目实践的应用研究与科研试验, 提出了超前探测的特殊线框瞬变电磁与地质雷达相结合的综合预报法, 并在许多实际工程应用中取得了较好的效果。本文简要介绍了国内外超前探测的方法与应用情况, 介绍了针对该组合方法开展的研究和取得的进展, 同时结合应用实例介绍了所取得的成果。

关键词：隧道超前探测,瞬变电磁,地质雷达,小线框,探头,预报

参考文献

[1]何继善.隧道超前探测方法技术与应用研究[J].工程地球物理学报, 2006.

[2]中国铁路工程总公司编写.中国铁路工程物探五十年[M].中国铁道出版社, 2003.

[3]中科院地质研究所.隧道快速施工超前地质预报指南[M].中国铁道出版社, 1990.

[4]牛之链.时间域电磁法原理[M].中南工业大学出版社, 1992.

[5]杨果林.隧道施工地质超前预报方法与探测技术研究, 地下空间与工程学报[J].2006.

[6]赵永贵.隧道地质超前预报研究进展[J].地球物理学进展, 2003.

[7]周仕新.巷道围岩中全空间瞬变电磁场时域有限差分数值模拟[D].徐州:中国矿业大学, 2006.

瞬变电磁装置初步研究 篇6

1 矿井瞬变电磁法基本原理

矿井瞬变电磁法勘探属于全空间效应的勘探方法, 它利用不接地回线在井下巷道内设置通以一定电流的发射线圈, 并在其周围空间产生稳定的一次电磁场。当电流突然断开时, 由该电流产生的磁场也立即消失。为维持发射电流断开之前存在的磁场, 岩层中被激发出感应电流, 使磁场不会即刻消失。发射电流断开的瞬间, 最初激发的感应电流集中于巷道附近岩层中, 随着时间的推移, 巷道周围的感应电流逐渐向外扩散, 其强度逐渐减弱。在断开发射电流后的任一时刻, 感应涡流在巷道内产生的磁场可以等效为一个水平环状的电流磁场。这些等效电流环像从发射回线中“吹”出来的一系列烟圈, 因此将巷道顶、底板导电岩层中涡旋电流向外扩散的过程形象地称为“烟圈效应” (图1) [5,6,7,8,9,10]。

2 物理模拟实验方法

实验仪器为澳大利亚生产的Terra TEM型瞬变电磁仪。依据物理模拟相似性准则[7], 用铜棒模拟低阻陷落柱, 采用多匝小线圈重叠回线装置进行模拟实验。铜棒直径为6.5 cm、高度为20 cm、电导率为1.56×107S/m。实验模型为全空间均匀介质 (空气) 模型。

实验时, 将铜棒分别竖直放置在模拟工作面底板不同垂直距离h位置处, 每个高度分别按线圈架设方位角α (线圈平面与水平面间的夹角) 为75°、60°、45°、30°、15°五个方向探测 (图2) 。通过对比分析不同高度位置、不同角度探测的低阻异常体响应特征, 探讨改变探测线圈与异常体之间的距离h以及线圈架设方位角α对工作面底板低阻异常体空间定位的影响规律, 进行工作面底板低阻异常体的定位技术研究。

3 实验结果及分析

图3为铜棒距工作面底板5 cm (h=5 cm) 时的视电阻率断面图。从图3中可以看出, 在铜棒垂直深度不变的情况下, 当线圈与水平面的夹角α分别为75°、60°、45°、30°、15°时, 低阻响应先是依次增强, 低阻异常区域范围增大, 在α=30°时低阻响应达到最强, 而后在α=15°时又开始减弱。

图4、图5分别为铜棒距工作面底板10 cm (h=10 cm) 和15 cm (h=15 cm) 时的视电阻率断面图。分析图4、图5可知, 铜棒距工作面底板10 cm (h=10 cm) 和铜棒距工作面底板15 cm (h=15 cm) 时的低阻响应特征类似:铜棒垂直深度不变的情况下, 当线圈与水平面的夹角α分别为75°、60°、45°、30°、15°时, 由于线圈与铜棒的耦合变化及线圈探测距离的影响, 低阻响应特征均为先依次增强, 低阻异常区域范围增大, 在α=30°时低阻响应达到最强, 而后在α=15°时稍微减弱, 与α=30°时总体变化不大。

图6为铜棒距工作面底板20 cm (h=20 cm) 时的视电阻率断面图。分析图6可知, 铜棒垂直深度不变的情况下, 当线圈与水平面的夹角分别为75°、60°、45°、30°、15°五个角度时, 由于线圈与铜棒的耦合变化及线圈探测距离的影响, 在α=75°时几乎没有出现低阻异常;随后, 低阻响应依次增强, 低阻异常区域范围增大。值得注意的是, 铜棒在该垂直深度下并未出现如h=5 cm、h=10 cm和h=15 cm中先增强再减弱的情况。

综合对比分析图3—图6可知, 同一角度探测时, 不同垂直深度的铜棒所引起的低阻异常具有以下规律。

(1) 随着深度的加大, 低阻异常响应减弱, 相对低阻区域的视电阻率值相对增大。

线圈与异常体的垂直距离h=5 cm时, 从α=15°到α=75°, 均有低阻异常响应。其中, α=45°、30°、15°方向响应都很强烈, 而α=60°、75°方向的响应与h=10 cm时α=30°、45°方向的响应相差不大。

线圈与异常体的垂直距离h=10 cm时, 仅有α=30°探测方向有较强的低阻响应, 但依然比h=5cm时的要低很多;α=75°方向低阻响应很弱;其他方向有低阻响应, 但响应不强。

线圈与异常体的垂直距离h=15 cm时, 仅有α=15°、30°方向有低阻响应, 但响应不强;其他方向低阻响应很弱。

线圈与异常体的垂直距离h=20 cm时, 仅有α=15°、30°方向有微弱的低阻响应, 其他角度几乎都没有低阻响应, 尤其是α=75°方向。

之所以产生上述现象, 这是因为感应涡流环 (“烟圈”) 形成的锥体与铜棒切割的磁力线越多, 感应的二次场越强, 感应涡流场衰减速度越小。

(2) 当α不变时, 随着深度的加大, 铜棒与探测线圈的距离越来越远, 铜棒切割的磁力线减少, 一次场的传播受铜棒的影响程度减弱, 感应二次场也逐渐减弱, 所以低阻异常响应减弱。

(3) 当h不变时, 随着α的变化, 感应涡流环 (“烟圈”) 形成的锥体与铜棒切割的磁力线会发生变化, 因而接收到的感应电动势大小也会发生变化。

h=5 cm、h=10 cm和h=15 cm三种深度下, 低阻异常响应均是先随着α的减小而逐渐增强, 在α=30°时达到最大。这是因为随着α的减小, 铜棒切割的磁力线增加, 一次场的传播受铜棒的影响程度增强, 感应二次场也逐渐增强, 所以低阻异常响应逐渐增强;随后又在α=15°时低阻异常响应减弱, 这是由于铜棒长度的限制, 在α=15°时, 线圈探测角度 (线圈法线与水平面间的夹角) 过大, 导致铜棒切割的磁力线减少, 感应二次场减弱, 低阻异常响应减弱。

在h=20 cm时, 铜棒引起的低阻异常响应并没有出现先增强后减弱的情况。这是因为在小角度 (α较大) 探测时, 铜棒与探测线圈的距离过大, 铜棒切割的磁力线较少甚至没有切割, 感应二次场较弱, 低阻异常响应较弱甚至没有响应;而在线圈探测角度较大 (α较小) 时, 随着α的减小, 铜棒切割的磁力线增加, 一次场的传播受铜棒的影响程度增强, 感应二次场也逐渐增强, 所以低阻异常响应逐渐增强。

4 结论

采用物理模拟实验的方法, 对矿井瞬变电磁法探测工作面底板异常体空间定位技术进行了研究, 实验结果表明:向工作面底板进行多角度探测时, 随着异常体与底板之间距离的增加, 大角度探测时低阻响应会越来越弱, 直至消失;当异常体与底板之间的距离增加到一定程度时, 所有向底板方向的探测都将无法探测到低阻异常体。在井下实际施工过程中, 可以选择多个角度向底板探测, 使地质异常体与探测回线达到最佳耦合状态, 从而进一步精确地对工作面底板异常体进行空间定位。

参考文献

[1]邵爱军, 刘唐生, 邵太升, 等.煤矿地下水与底板突水[M].北京:地震出版社, 2001.

[2]施龙青, 韩进.底板突水机理及预测预报[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2004.

[3]刘树才, 岳建华, 刘志新.煤矿水文物探技术与应用[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2006.

[4]岳建华, 甘会春.矿井瞬变电磁法及其应用[C]//中国地球物理学会年会论文.南京:南京师范大学出版社, 2003.

[5]于景邨.矿井瞬变电磁法勘探[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2007.

[6]牛之琏.时间域电磁法原理[M].长沙:中南大学出版社, 2007.

[7]蒋邦远.实用近区磁源瞬变电磁法勘探[M].北京:地质出版社, 1998.

[8]于景邨.矿井瞬变电磁法勘探[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2007.

[9]LEE T.Estimation of depth to conductors by the use of electromagnetic transients[J].Geophysics, 1977 (65) :61-75.

瞬变电磁装置初步研究 篇7

巷道内其他金属体都可以在矿井瞬变电磁法探测之前人为移动,而锚网支护为防止破碎岩石掉落具有不可移动性。笔者依据物理模拟相似性准则,采用物理实验和矿井试验相结合的方法,研究巷道内锚网支护矿井瞬变电磁响应特征,并提出了新的数据处理技术以剔除锚网支护金属干扰。

1 物理模拟相似准则

物理模拟的Maxwell方程如下:

式中: δ、ε、μ 分别为探测系统的电导率、介电常数和磁导率; P为几何因子; a、b分别为电场和磁场的比例因子; C为时间缩比因子。

由于忽略位移电流,假设井下及模拟系统的特征长度分别为d、q,则P = d /q,式( 3) 可以转化成:

式( 4) 中t1、t分别为物理系统和矿井系统的时间参数。而式( 4) 就是瞬变电磁法物理模拟的“相似性基本准则”。在实际物理模拟过程中,满足式( 4) 即可,不要求 δ1/ δ = P的比例关系。

笔者主要模拟矿井巷道内锚网金属支护条件下造成的瞬变电磁响应特征,对发射和接收装置的边长和锚网金属支护进行等比例模拟,为保证物理模拟结果与井下实测情况一致,选取比例因子P = 10。装置类型为发射和接收线圈分别采用20 cm × 20 cm× 40 匝和20 cm × 20 cm × 60 匝重叠回线,由直径为0. 2 mm的漆包线制成; 直径为1 mm的铁丝网模拟锚网金属支护; 直径为50 mm、长度为30 cm的铜棒模拟赋含水低阻异常体[2,3,4]。

2 锚网影响下瞬变电磁响应特征

采用物理方法模拟的二次感应电位随时间衰减曲线见图1,分别测量只有锚网、只有赋水异常体和锚网、赋水异常体同时存在3 种情况的感应电位。在有锚网支护的情况下,由于前期( 10 ms以内) 受锚网金属体的影响感应信号明显大于无锚网情况,最大幅值超过1 个数量级,因此可以看出锚网支护对于前期的感应电位影响比较大; 随着时间推移,后期( 10 ms以后) 锚网影响逐渐变弱,当存在低阻异常体时,后期电磁感应信号得到明显加强,电位值明显高于只有锚网情况下的电位值,最大幅值为1 个数量级,而只有锚网无低阻异常体存在时,二次感应信号迅速衰减。

矿井巷道内有无锚网支护存在情况下测得的二次感应电位随时间衰减曲线见图2,可以看出,前期( 10ms以内) 存在锚网支护要比无锚网支护的二次感应电位幅值大1 个数量级,后期( 10 ms以后) 存在锚网支护情况下感应电位始终大于无锚网支护的情况。

综上所述,感应信号前期受锚网的影响比较大,后期受锚网的影响逐渐减小,但有锚网存在的情况下总体上会导致二次感应电位明显增大,尤其前期影响更为明显。因此,对于前期和后期应该采用不同的校正方法,以避免反演解释出现假异常。

3 锚网干扰下的瞬变电磁响应数据处理技术及应用

根据文献[2]矿井瞬变电磁法视电阻率的计算公式:

式中: A为井下与地面装置比例系数; B为全空间响应系数; μ0为真空磁导率; t为二次场衰减时间; S、s为发射、接收回线面积; N、n为发射、接收线圈匝数;V / I为归一化感应电位值,V为电位,I为电流。

相同的装置类型,巷道内有无锚网支护情况下的视电阻率分别为 ρ0和 ρ1,归一化感应电位分别为V0/ I0和V1/ I1,则:

令V0/I0=B0,V1/I1=B1,根据矿井实测结果计算出校正系数:

由式( 7) 可以计算出每个时间窗口的校正系数,对锚网影响下的数据进行校正,得到更为准确的反演信息,避免假异常的出现[4,5]。

图3 为在某矿Ⅲ62 采区回风巷道探测的瞬变电磁视电阻率等值线拟断面图。该巷道内共设21 个测点,测点间距为5 m,0 ~ 10 m是侧帮位置无任何金属支护,10 ~ 100 m为锚网支护。在横坐标50 ~70 m,纵坐标45 ~ 80 m位置是已知水仓位置。

由图3( a) 可以看出,横坐标0 ~ 10 m位置无锚网支护影响,视电阻率值沿探测方向由10 Ω·m开始逐渐变小,而深部的视电阻率值都在3Ω·m左右; 横坐标20 ~ 100 m位置因锚网金属支护的影响,视电阻率值沿探测深度由8Ω·m开始逐渐变小,而深部的视电阻率值在2 Ω·m左右,水仓位置对应的视电阻率值更是小于1. 5 Ω·m。如果根据小于2 Ω·m为低阻异常区域来推断的话,难以准确确定异常区域的位置。

图3( b) 为校正后的视电阻率等值线拟断面图,可以看出,探测浅部经校正后视电阻率值增大,和无锚网影响下基本一致; 探测深部的视电阻率值经校正之后趋于正常,而对应水仓位置的视电阻率值增大为2 Ω·m,依旧为低阻异常反应区域。校正之后,根据视电阻率值的变化可以准确地确定水仓位置,剔除锚网金属体支护干扰的影响,避免了资料解释中假异常的出现,为矿井安全生产提供了可靠的数据资料[6,7,8,9,10,11]。

4 结论

1) 物理模拟实验和矿井实际应用结果表明: 锚网支护影响下测得的二次感应电位明显增大,对采集信号的前期影响远大于后期,反演出的视电阻率值变小。

2) 由锚网支护存在与否的瞬变电磁响应特征和矿井瞬变电磁法视电阻率计算公式推导出锚网支护校正的数学模型。