瞬变电磁法超前探测试验研究.pdf

能源 地矿 L o W C A R B 0 N W0 R L D 2 0 1 5 ， 6 瞬变电磁 法超前探 测试验研究 方大为 - ， 苏洪葵 ， 杨海燕 1 ． 湖南省煤 田地质局物探测量队， 湖南 株洲 4 1 2 0 0 3 ； 2 ． 东华理工大学核工程与地球物理学院， 江 西 抚州 3 4 4 0 0 0 【 摘 要】 瞬变电磁法在探查地下水体方面具有良好的效果， 井下超前探测法更是预防水害的重要手段。但在湖南应用起步较晚， 本文通过研 究该 方法的理论原理 ， 并 对湖南某矿井巷道施工中已知点 的试验 ， 表明瞬变电磁 法在超前探测 方面的具有良好的效果。 【 关键词】 瞬变电 磁法； 超前探测 【 中图分类号】 P 6 3 1 ． 3 【 文献标识码】 A 【 文章编号】 2 0 9 5 2 0 6 6 2 0 1 5 1 8 0 1 2 8 0 2 1 瞬变电磁法简介 1 ． 1 瞬变电磁法基本理论 瞬 变 电磁 法 的 主要 理 论 是 基 于地 下二 次激 发 场 的[ ” 瞬 变 电磁 法用于物探 已经历 了几十年的历程 ． 西方国家早在 2 0世 纪 3 0年代就开始研 究。 而我 国起步 虽然相对较晚 ， 从 2 0世纪 7 0年代至今 也 已经有四十余年的历 史。该方法已经被广泛运 用到找 矿 、 工程 、 水 文勘 察等领 域 ， 并都取得 相 当不错 的效 果 。从 技 术 角度 ． 该 方 法是 一 种 成 熟 的 物探 方 法 。 瞬变电磁 法是在地表提供一个激发场 ，这种激发场通常 是周期性脉 冲系列波形 如矩 形、 半正弦波形 、 三角波等 的 电 磁 场 ， 当激 发 场 在 关 断 瞬 间 ． 地 下半 空 间介 质 受 到 激 励 而 形 成 二 次涡 流 场[2 I 二 次 涡 流 场 的 强度 取 决 于半 空 间介 质 的导 电 性 质 ， 介 质 的导 电性 越 强 ， 涡 流 场 的 强度 越 大 ， 反 之 越 小。如 果 这种带有地 下介质信 息的 涡流场被检测到并加 以利用 ，就能 得到地下介 质的相关信 息。瞬 变电磁法就是基于观测这种二 次 涡 流 场 的 方 法 。 瞬变电磁 法的装 置是指发射 与接收装置 。常 用的装置有 同点装置、 大定 回线源、 偶极装置等 。还有一 些其 它类型的装 置 ， 但 多数 运 用 在 特 定 场合 。 适用于磁分量的视电阻率计 算公式I 1 5 早 v l 1 2 ⋯ z 式 中 卜偶极距 ； M一 发射磁 矩 ； q - 接收线 圈有效 面积 ； №一 空气磁导率； V 一 实测 V 值。 全期视 电阻率计算公式比较复杂 ，一般 需要借 助解非线 性 方 程 P ． Ra a b 、 F ． F fis e h k n e e h t ， 美 国 ， 1 9 8 3提 出 或 迭 代 方 式[9 1 等方法才能获得 杨 海燕等 于 2 0 1 0年给 出了全空 间下 中心 回线晚期视 电 阻率公 式。其 中磁分量视 电阻率公式 晚期 一 3 “ V z 式 中 S是 发 射 回 线 面积 。 全 空 间 下 的 晚期 视 电 阻率 与 半 空间下视 电阻率约为 1 ． 8 4 2 1的关 系。杨海燕等指 出， 类似半 v- 空间的全期视 电阻率计算方法 同样适用于全空间下全期视 电 呈 阻率的计算。 萎 1 ．2 地球物理环境 蛊 超前探测一般在井下 巷道 或隧道中进行 ， 相对于地面 而言 ． 这种 实施环境属于全 空间 超前探测在全空间环境下的 舌 探测主要受到两个因素的影响或约束， 即 ①探测数据既受到 探测前方 有效方向 介质 的影响也 来 自后方 无效方向 介质 的影响 ； ②装置规模受到限制 。 运 目前， 并没有什么有效的方法消除来自后方的影响。解决 Z 2 8 装 置规模 ， 可以适 当采取变通的 办法 ． 如调 整线 圈匝数 、 发射 电 流等 2 回线的设计 井 下 往 往 不 能提 供 如 地 面 一般 的 实施 空 间 ，矿 井巷 道 的 横 截面积 小， 制 约了回线面积的大小。 一般采取 多匝方式解决 小线圈的不足。 讨论发射线圈匝数 时， 必须考虑的一个 因素是 关断时间。关断时间可以初略地表示为[ 1 1 关 断 时 间 t 。r n ‘ } 4 式 中 L 一 发射 回线的电感； R 一 回线电阻 ， R N R l R o N为 匝数 ， R 为单 匝线 圈的电阻 ， R 0 为 回路其 它部分 电阻 ； V 一 加 持 发 射 回 线上 的 电压 空心 线 圈 电感 量 L的 计 算公 式 为 圆形 电感 量 L 0 ． 0 8 K D丽N 由于 D ， 有 、 ／ 订 5 形 电强 K ㈦ 竹 6一 9W l 0 H 、 ／ 耵 式 中 K一 修 正 系数 l 一发 射 回 线 边 长 W 一线 圈 横 截 面 宽 度 ； H一 线 圈横截面高度． ．回线的横截 面单元远 远 小于回线 面 积单元时 ， W 和 H可以忽略 ， 因此 5 式可以简化为 电 感量 LK 生一l N 7 6 、 ／ 盯 将 7 式带入 4 式有 关 断 时 间 to f K 6V I T 1 3 t l n 8 0 D_ V十 1 J “ 1 上 式 表 明 关 断 时 间与 线 圈边 长 成 正 比 ， 与 单 匝线 圈电 阻 成反 比 ， 与 匝数 也 呈 类 似 正 比 的 关 系 。当回 线 的尺 寸 、 材 质 、 发 射 电压选定 时． 关断时 间就只与匝数有 关了。 实际运用设计中，制作回线时要考虑关断时间．也要考虑 V 响应 问题 。好 的 方 法是 发射 回线 与接 收 回 线相 互 独 立 ， 即 选 用重叠回线。 这样。 可以在适 当减 小发射 回线匝数的同时可以根 据 需要调整接收回线的匝数。一般仪器的最大电流都会有所限 制 的 。 比如 澳 大利 亚 产 的 t e r r a瞬 变 电磁 仪 最 大 电流 不 能 超 过 1 0 A。以 2 4 V发 射 电压 为例 ， 要将 回路 电流 控制 在 1 0 A 以 内 ， 回 路 电阻必须大于 2 I 4 Q H I 。 通常情况是用回线线圈本身电阻的叠 加来达到。但是为 了控制关断时间．匝数需要控制在一定范围 内． 解决的办法就是在回路中接入额外的电阻， 一种纯电阻。 4 式及 8 式表 明 ． 大 的回路 电阻可 压制 关 断 时间 。 矿 井巷道横截 面本 身比较 小．探测 回线 的大小规模一般 设计到 1 ． 5 m x 1 ． 5 m 为宜。根据 8 式的计 算估 计 ， 发射 线圈匝 数 最 好 小 于 1 0匝 ． 接 收 线 圈 匝数 4 0 ～ 5 0 匝