瞬变电磁法超前预报全空间解释技术研究.pdf

第3 6卷第 2期 2 0 1 3年 0 6月 东 华 理 工 大 学 学 报 自然科学版 J OU RNAL OF E AS T CHI NA I N S T I T UT E O F T EC HNOL OG Y Vo 1 ． 3 6 N o ． 2 J u n ．2 01 3 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 4 3 5 0 4 ． 2 0 1 3 ． 0 2 ． 0 1 4 瞬变电磁法超前预报全空间解释技术研究 杨海燕， 邓居智， 吴信民 东华理工大学放射性地质与勘探技术国防重点学科实验 室， 江西 抚州3 4 4 0 0 0 摘要 瞬 变电磁法超前预报技 术是预 测井下突水构造 的有效方 法之 一 ， 其 资料 解释方 法为地 下瞬变电磁 法理 论体 系的 重要组成部分。从应用的角度 出发对全空间资料 解释 的理论基础及传统解释方 法的精 确性进行分析 ， 进 而将全空 间解释 方法应用 于井下超前预报 实测资料 的处理 。结果表 明， 全 空间视 电阻率和视深度 为半空间的 某一倍数 。半空间晚期视 电 阻率值在各 个采样 时刻与真值的相对误 差均大于 4 0 ％ ， 当以精确视 电阻率公式和全 空间深度公 式为标 准时， 采用半 空间 深度公式计算误差范围为 4 5 ． 5 0 ％ ～5 0 ． 8 8 ％ 。全空间晚期视 电阻率 与真值 的误差 小于 8 ． 7 4 ％ ， 进 而由此计算的深度与标 准值的最大相对误差仅为 3 ． 9 7 ％ 。将全 空间全 区视 电阻率公式和深度计 算公 式应 用于矿 井突水构造 的超前探测 ， 取得 了 令人 满意的效果 。 关键词 瞬变电磁 法； 全 空间； 视 电阻率 ； 时间一 深度 转换； 超前探 测 中图分类号 P 6 3 l 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 4 - 3 5 0 4 2 0 1 3 0 2 - 0 1 9 9 - 0 5 杨 海燕， 邓居 智， 吴信 民． 2 0 1 3 ． 瞬 变电磁 法超前预报 全 空间解释技 术研 究 [ J ] ．东华理 工大学 学报 自然科 学版 ， 3 6 2 1 9 9_ 2 0 3． Ya n g Ha i ． Ya n， De n g J u ． Z h i ， Wu Xi n - mi n． 2 01 3 ． F u l l - s p a c e i n t e r p r e t a t i o n t e c h niq u e u s e d i n a d v a n c e d d e t e c t i o n o ft r a n s i e n t e l e c t r o ma g n e t i c me t h o d [ j ] ． J o u r n a l o f E a s t C h i n a I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y N a t u r a l S c i e n c e ， 3 6 2 1 9 9 - 2 0 3 ． 近年来地面瞬变 电磁法理论与应用研究 已有 快速发展 ， 其研究内容涵 盖正反演理论 、 信息提取 及应用 中遇到的多种干扰问题 。而地下瞬变电磁 法则是瞬变电磁法在全空 间中的新应用 ， 其理论与 应用研究 已有较大 发展 姜 志海 等 ， 2 0 0 7； 于景 邮 等 ， 2 0 0 8 ； 杨海燕等 ， 2 0 0 9 ； 廖俊杰等 ， 2 0 1 1 ； 刘 振庆 等， 2 0 1 1 ； 吴信民等， 2 0 1 3 ， 但仍不充分 。地下瞬变 电磁法 的资料处理 与解释 多沿用地面瞬变 电磁法 处理方法， 其中视电阻率计算和时间一 深度转换问 题均为地下瞬变电磁法 资料解 释系统 的重要组成 部分。研究成果显示 地下瞬变电磁法 晚期视 电阻 率为地 面瞬 变 电磁 法 的 5 ／ 2 力倍 杨 海燕 等 ， 2 0 1 0 ， 其视深度也为地 面方法 的某 一倍 数 Y u e t a 1 ． ， 2 O 0 7 ， 2 0 0 8 ； 于 景 邮 等， 2 0 0 7； J i a n g e t a 1 ． ， 2 0 0 7 。但结合上述研究对实测资料进行处理并对 全空间解释方法有效性和精确性进行 分析的研 究 还不深入。从应用 的角度 出发对全空间资料解释 收稿 日期 2 0 1 2-0 2 - 1 3 责任编辑 吴志猛 基金项 目 国家 自然科学基金资助项 目 4 1 0 0 4 0 4 8 ， 4 1 1 6 4 0 0 3 ， 4 1 1 7 4 1 0 7 ； 江西省 自然科学基金项 目 2 0 1 1 4 B A B 2 1 2 0 0 7 作者简介 杨海燕 1 9 8 O 一 ， 男， 博士， 副教授， 主要从事电磁法勘探理论 与应用研究。E m a i l g e n i o u s y a n g 1 2 6 ． c o m 的理论基础及传统解释方法的精确性进行分析 ， 进 而将全空间解释方法应用于井下超前预报实测资 料的处理 ， 以期构建瞬变电磁法超前预报资料处理 与解释的理论体系。 1 理论基础 1 ． 1 全空间视电阻率 均匀全空间介质中水平圆形回线发射框中心 的感应电动势为 Wa r d ， 1 9 8 7 ； K a u f m a n ， 2 0 0 1 ￡ 4 I o i S p u 5 e Tq 式中， ， 0 为供电电流强度 ， t 为观测时间 ， 为均匀半 空间磁导率 ， 5为接收线圈的等效面积 ， 1 “ o 为发射线 圈半径 。 同时， u 7 r 4 ro ． 2 , ／ 2 p t ／ t zq T z p t ／ U ． 丁 2 当 1 5时 ， 由 1 式得到全空间晚期视电阻 r0 率公式 杨海燕等 ， 2 0 1 0 为 4 j _ l g S S o ， 【 l l 2 3 式 中， S 。丌 为发射线圈的面积 。 东 华 理 工 大 学 学 报自然科学版 2 0 1 3正 由 1 式和 2 式也可得到全空间精确视电阻 率公式的一般表达 P 4 X z 、 斗 式 中， 分别为方程 5 ／ 仃 0 X 3 e ～ 6 的解 为 t 的核函数。 为了与半空间视电阻率公式进行 比较 ， 现列 出 半空间晚期视 电阻率公式如下 S p i e s e t a 1 ． ， 1 9 8 6； Wa r d e t a 1 ． ， 1 9 8 7 一 h ] ㈩ 半空间精确公式表达见刘振庆等 2 0 1 1 。 比较 3 式和 7 式可知 ， 当线 框 的发射 和接 收参数相 同 时， 全空间晚期视电阻率值为半空间晚期视 电阻率 值 的 5 ／ 2 约 1 ． 8 4 倍。 1 ． 2 时间一 深度转换 根据 R a i c h e 等 1 9 8 5 研究的半空间电磁场扩 散速度和视深度的计算方法 ， 可知瞬变场的扩散深 度为时间和视电阻率的函数 ， 则 D I V p d t 8 J 0 根据阶跃电流触发的瞬变电磁场的传播特性 ， 将瞬变场的扩散速度定义为 O h ／ O t 的极大值向前推 移的速度 ， 则在接收点 P处的扩散速度定义为 V cg D ／ O t 9 于是得到 血 o t z a【 c 2 2 y c z ] 1 0 式中 c 【 一 一 扪 1 1 c ㈩ 4 詈 1 2 全空间时间一 深度转换公式如下式 Y u e t a 1 ． ， 2 0 0 8 ； 于景邮等 ， 2 0 0 7 v s 盟[ C 1 C 2 1 _T c 2 ] 1 3 C 2 D t 1 4 ／ ． c o “ 0 ／ 4 t 1 5 以上各式中， 叮 i 为与采样时刻 t i 对应 的电导率 。仪 为校正全空间效应的系数， 取值为 1 ． 4 2 ． 5 。 2 全空间与半空间转换公式比较 以 K a u f m a n等 2 0 0 1 中的响应公式计算 电阻 率为 1 0 0 Q r n的均匀全空间感应电动势 ， 分析半空 间视 电阻率公式和时间一 深度转换公式与全空问公 式的不同。在半空间情况下 ， 采用半空间晚期视 电 阻率公式 7 和波速度公式 1 0 ， 在全 空间情况 下 ， 分别采用全空间晚期视电阻率公式 3 和全空 间精确公式 4 以及波速公式 1 3 进行计算 ， 并 由 此绘制了视 电阻率曲线 图 1 ， 2 。半 空间晚期视 电阻率趋于稳定值5 4 ． 2 9 Q m 图 1 a ， 刚好为全空 间电阻率的 1 ／ 1 ． 8 4倍 ， 其视电阻率与全空间真电 阻率的相对误差范围为4 0 ． 9 7 ％ 一 4 5 ． 7 1 ％ 表 1 ； 全空间精确电阻率公 式计算 的视 电阻率值为 1 0 0 n m 图2 a ， 与真电阻率值 吻合 ； 而全空间晚期视 电阻率值在采样 的初始 时刻略大于 1 0 0 Q m 图 2 a ， 与真值误差约为8 ． 7 4 ％， 晚期逼近真值 。 现假定 由精确视电阻率公式 4 和全空间波速 公式 1 3 计算的视深度为“ 真实” 深度， 则常规半 空间计算方法得 出的视深度与“ 真实” 深度的误差 为4 5 ． 5 0 ％ 一 5 0 ． 8 8 ％ ， 且表现出的深度较浅 ； 而用 全空间晚期公式计算的深度与“ 真实” 深度吻合 良 好 ， 只在早期略深于“ 真实” 深度， 误差约为3 ． 9 7 ％。 由此可见 ， 应用半空间视电阻率公式处理全空间资 料， 其结果与真实全空间介质电阻率偏离严重 ， 而 全空间晚期视电阻率处理晚延 时资料能达到令人 满意的效果。 3 全空间资料解释 对巷道迎头前方含水区进行预测预报是地下 瞬变电磁法的重要应用之一 ， 其工作方法及测点布 置如图 3所示 ， 其中 2 、 3和 4号测点处线框的轴线 方向与巷道走 向呈 6 0 。 、 4 5 。 和 3 0 。 ， 8 、 9和 1 0号测 点处的线框 布置与此相 同， 由此形成扇形探 测方 法 。对某煤矿迎头实测数据采用全空间解释方法 进行处理 ， 视 电阻率计算采用全空间精确公式 ， 时 间一 深度转换则使用 1 3～l 5 式 ， 最后得N J l , 层方 第 2期 杨海燕等 瞬变 电磁法超前预报全空间解释技术研究 2 O 1 向视电阻率拟断面图 图4 ， 图中点 0对应巷道迎 头中心点。图中显示在掘进方 向 7 0 m附近 ， 沿掘 进方 向右偏 2 0 m处有一个 电阻率小 于 2 0 Q m的 E ej 、 Q 等值线圈， 反映出该处为一个低 阻异常区 ， 推断该 处为含水破碎带 ， 后验证属实。该实例也反应 了全 空间解释方法的有效性 。 a b 图 1 半 空间视 电阻率曲线 F i g ． 1 Ap p a r e n t r e s is t i v i t y c u r v e s c alc u la t e d b y h a l f - s p a c e f o r mu la s a ． 视电阻率一 时间曲线 ； b ． 视电阻率一 深度 曲线 E Ci 、- 图 2全空间视 电阻率曲线 Fig． 2 Ap p a r e n t r e s i s t iv it y c u e s c a l c u l a t e d b y f u l l s p a c e f o r mu l a s a ． 视 电阻率一 时间曲线 ； b ． 视 电阻率一 深度曲线 表 1 不 同公式计算误差 T a b l e l Ca lc u la t ion e r r o r f o r diff e r e n t f or mu l a s 注 r 1 ， r 2 分别为视电阻率最大值和最小值； d l ， d 2分别为最大深度值和最小深度值。 东 华 理 工 大 学 学 报 自然科 学版 E 聪 1 1 1 O 图 3 超前预报装置布置图 F ig． 3 De v i c e ar r a n g e me n t f o r a d v a n c e d d e t e c t i o n 图 4 视电阻率拟断面图 F ig． 4 Se c t io n d i a g r a ms f o r a p p an t r e s is t i v i t y 4结 论 地下瞬变电磁法资料处理与解释方法与地面 瞬变 电磁法不 同， 视 电阻率计算公式和时间一 深度 转换公式为相应半空 间公式的某一倍数 。资料处 理中采用全空 间公式可获取令人满意的视电阻率 和视深度 ， 但采用传统的半空间解释方法将会导致 较大 的计算误差。在瞬变 电磁法超前预报 中采用 全空间解释方法进行资料处理 已取得较为明显 的 效果 ， 但由于全空间时间一 深度转换公 式中的系数 o r． 的选取范 围来 自于实验工作 ， 因而相应 的理论研 究仍需进一步开展。 参 考 文 献 姜志海 ， 岳建华 ， 刘树才．2 0 0 7 ． 多匝重叠小回线装置的矿井 瞬变电 磁观测系统[ J ] ． 煤炭学报，3 2 1 1 l 1 5 2 - 1 1 5 6 ． 廖俊杰 ， 于景邮 ， 胡兵 ， 等．2 0 1 1 ． 矿井瞬变 电磁超前探 测数据 处理 与显示技术[ J ] ． 物探与化探 ， 3 5 3 4 2 3 42 6 ． 刘振庆 ， 于景邮 ， 胡兵 ， 等．2 0 1 1 ． 矿井瞬变 电磁法在 探查迎 头前方 第 2期 杨海燕等 瞬变电磁法超前预报全空间解释技术研究 2 0 3 构造中的应用[ J ] ． 物探 与化探 ， 3 5 1 1 4 0 1 4 2 ． 刘志新 ， 岳建华 ， 刘仰光．2 0 0 7 扇形探 测技术在超前 探测 中的应用 研究 [ J ] ． 中国矿业 大学学报 ， 3 6 6 8 2 2 ． 8 2 5 ． 吴信 民 ， 杨 海燕 ， 杨 亚新 ， 等． 2 0 1 3 ． 论电法勘探 的理论探测深度 [ J ] ． 东华理工大学学报 自然科学 版， 3 6 1 6 0 - 6 4 ． 杨海燕 ， 邓居智 ， 张华 ， 等．2 0 1 0 ． 矿井 瞬变 电磁法全 空 间视 电阻率 解释方法研究[ J J ． 地球物理学报， 5 3 3 6 5 1 6 5 6 ． 杨海燕 ， 岳建华．2 0 0 9 ． 吸收边 界条件 在全 空间瞬变 电磁计 算 中的 应用[ J ] ． 中国矿业大学学报 ， 3 8 2 2 6 3 ． 2 6 8 ． 于景邮 ， 刘 树才 ， 王扬 州． 2 0 0 8 ． 巷 道内金属体瞬变 电磁 响应特征及 处理技 术[ J ] ． 煤炭学报 ， 3 2 1 2 1 4 0 3 1 4 0 7 ． 于景鄙 ， 刘 志新 ， 刘树 才 ， 等．2 0 0 7 ． 深部 采场 突水构造 矿井 瞬变 电 磁法探查理论及应用 [ J ] ． 煤炭学报 ， 3 2 8 8 1 8 ． 8 2 1 ． J i a n g Z h i - h a i ．Yu e J i a n． h u a ． 2 0 0 7． P r e d i c t i o n t e c h n o l o o f b u r i e d wa ． t e r b e a r i n g s t r u c t u r e s i n c o a l mi n e s u s i n g t r a n s i e n t e l e c t r o ma g n e t i c me t h o d [ J ] ．J o u r n a l o f c h i n a u n i v e r s i t y o f mi n i n g＆t e c h n o l o g y ，1 7 2 1 6 4 ． 1 6 7 ． Ka u f ma n A A ，Ea t o n P A．2 0 01 ．T h e T h e o r y o f I n d u c t i v e Pr o s p e c t i n g 『 M] ． E l s e v i e r 3 6 8 - 3 7 0 ． Ra i c h e A P， Ga l l a g h e r R G． 1 9 8 5． Ap p a r e n t r e s i s t i v i t y a n d d i f f u s i o n v e l o c i t y [ J ] ． G e o p h y s i c s ， 5 0 1 0 1 6 2 8 1 6 3 3 ． S p i e s B R，Eg g e r s D E．1 9 8 6． T h e u s e a n d mi s u s e o f a p p a r e n t r e s i s t i v i t y i n e l e c t r o n l a g n e t i c me t h o d s [ J ] ．G e o p h y s i c s ， 5 1 7 1 4 6 2 1 4 7 1 ． W a r d S H ，Ho h ma n n G W ．1 9 8 7． El e c t r o ma g n e t i c t h e o ry f o r g e o p h y s i c a l a p p l i c a t i o n s [ M] ．i n Mi s a c N N a b i g h i a n e d ．E l e c t r o m a g n e t i c Me t h - o ds i n Ap p l i e d Ge o p h y s i c s Th e 0 r y ．S EG， 1 9 8 - 2 4 6． Yu J i n g C Ull ，L i u Z h i x i n，Ta n g J i n - y u n ．2 0 0 7 ． Re s e a r c h o n f u l l s p a c e t r a n s i e n t e l e c t r o ma g n e t i s m t e c h n i q u e f o r d e t e c t i n g a q u e o u s s t r uc t u r e s i n c o a l m i n e s [ J ] ．J o u r n a l o f C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g＆T e c h n o l o ． { ；y ，1 7 1 5 8 -62 ． Yu J i n g c u n，Wa n g Ya n g - z h o u，L i u J i a n，e t a 1 ．2 0 0 8． T i me - d e p t h C O il - v e r s i o n o f t r a n s i e n t e l e c t r o m a g n e t i c me t h o d u s e d in c o a l m i n e s [ J ] ． J o u r n a l o f C h i n a U n i v e r s i t y o f M i n i n g＆ T e c h n o l o g y ，1 8 4 5 4 6 - 5 5 0． Fu l l - s p a c e I n t e r p r e t a t i o n Te c h n i q ue us e d i n Ad v a nc e d De t e c t i o n o f Tr a n s i e n t El e c t r o ma g n e t i c M e t h o d YANG Ha i Ya n， DE NG J u Z h i ， WU Xi n mi n K e y L a b o r a t o r y o f R a d i o a c t i v e G e o l o g y a n d E x p l o r a t i o n T e c h n o l o g y F u n d a me n t a l S c i e n c e f o r N a t i o n a l D e f e n s e ， E a s t C h i n a I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， F u z h o u ， J X 3 4 4 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Ad v a n c e d d e t e c t i o n o f t r a n s i e n t e l e c t r o ma g n e t i c me t h o d T E Mi s o n e o f t h e e f f e c t i v e me t h o d s t o f o r e ． c a s t wa t e r i n r u s h i n c o a l mi n e，i t s d a t a i nt e r p r e t a t i o n t e c h ni q u e i s a n i mp o r t a nt c o mp o n e n t i n t h e o r e t i c a l s y s t e m o f Un d e r g r o u n d TEM ．Th e o r e t i c a l ba s i s o f f u l l - s p a c e d a t a i n t e r p r e t a t i o n a n d a c c u r a c y o f t r a di t i o na l me t h o d wa s a n a - l y z e d f r o m a p p l i c a t i o n c o n di t i o ns ，a n d f u l l s p a c e i n t e r p r e t a t i o n t e c h n i q ue wa s a p p l i e d t o p r o c e s s me a s u r e d d a t a i n mi n e ．Th e r e s u l t s s h o w t ha t a p pa r e n t r e s i s t i v i t y a nd d e pt h c a l c u l a t e d b y f u l l s p a c e f o r mu l a wa s a c e r t a i n t i me o f wh i c h we r e c a l c u l a t e d b y h a l f s p a c e f o r mu l a ．Th e r e l a t i v e e r r o r s o f l a t e a p p a r e n t r e s i s t i v i t y t o r e a l r e s i s t i v i t y a t v a r i o u s s a mp l i n g t i me a r e mo r e t h a n 40％ i n h a l f - s p a c e，a n d t h e e r r o r r a n g e o f h a l f - s p a c e t i me d e pt h c o n v e r s i o n f o r mu l a i s fro m 45． 5 0％t o 5 0． 8 8％u s i n g f u l l - s p a c e a l l t i me a p pa r e n t r e s i s t i v i t y f o r mu l a a n d f u l l s p a c e t i me d e p t h c o n v e r s i o n f o r mu l a a s a s t a n d a r d．Th e b i g g e s t e t T o r o f f u l l s p a c e l a t e a pp a r e n t r e s i s t i v i t y t o r e a l v a l u e i s l e s s t h a n 8． 7 4％ ，a n d t h e n t he ma x i mum e rro r b e t we e n c a l c u l a t e d v a l u e o f a p p a r e n t d e p t h a n d t h e s t a n d a r d v a l u e i s o n l y 3． 9 7％ ． W h i l e wh o l e s p a c e a p p a r e n t r e s i s t i v i t y a n d t i me d e p t h c o n v e r s i o n f o r mu l a s a r e a p pl i e d t o mi n e wa t e r i n - r u s h a dv a n c e d d e t e c t i o n，i t a c hi e v e s s a t i s f a c t o r y r e s u l t s ． Ke y W o r d st r a n s i e n t e l e c t r o ma g n e t i c me t ho d；f u l l s p a c e；a p p a r e n t r e s i s t i v i t y；t i me d e pt h c o n v e r s i o n；a d v a n c e d d e t e c t i o n