全空間瞬變電磁場低阻層屏蔽效應(yīng)數(shù)值模擬研究*
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王圣龍1 李長江2
（1．中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶市九龍坡區(qū)，400039：
2．兗礦東華建設(shè)有限公司，山東省鄒城市．273500）
摘 要 為了準(zhǔn)確探測掘進(jìn)工作面頂?shù)装甯凰闆r，對含低阻層地層瞬變電磁響應(yīng)進(jìn)行
數(shù)值模擬，結(jié)果表明：全空間瞬變電磁場在傳播過程中接觸到低阻層時(shí)，感應(yīng)渦流場覆蓋在低阻層中，削弱了深部地層中含水異常體的響應(yīng)，延緩了瞬變電磁場往其余地層中的傳播，低阻層的屏蔽作用導(dǎo)致探測深度變小，信噪比下降。
關(guān)鍵詞 瞬變電磁場 低阻屏蔽效應(yīng) 全空間 邊界條件
中圖分類號(hào) P631
隨著全空間理論的發(fā)展，礦井瞬變電磁法已經(jīng)成為在煤礦中探測突水異常體十分普及的物探方法，礦井瞬變電磁法具有裝置空間小、探測方向性強(qiáng)、對異常體反映敏感等特點(diǎn)，在巷道空間有限情況下，礦井瞬變電磁法對突水異常體方位探測精確度更高并表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。然而在探測含水異常體的時(shí)候，如果淺部地層含有低阻層，則受制于低阻層的屏蔽效應(yīng)，礦井瞬變電磁對含水構(gòu)造探測效果不明顯，探測深度較小，因此瞬變電磁場在全空間條件下傳播的理論問題急待解決。
針對上述情況，從麥克斯韋方程出發(fā)，使用時(shí)間域有限差分方法，建立2.5維有限差分方程，為探測含低阻層的地層奠定理論基礎(chǔ)。
1 礦井瞬變電磁的基本原理
瞬變電磁法是一種建立在電磁感應(yīng)原理基礎(chǔ)上的時(shí)間域人工源電磁勘探方法。它利用接地線源或不接地回線向地下發(fā)送一次脈沖磁場，從而在地下巖礦體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，在電流斷開之前，發(fā)射電流在回線周圍空間建立起一個(gè)穩(wěn)定的磁場。在t=0時(shí)刻，電流突然斷開，發(fā)射電流突然由I下降到零．由供電電流產(chǎn)生的磁場也立即消失，一次磁場的這一劇烈變化通過空氣和導(dǎo)電介質(zhì)傳至周圍巖層中，并能在周圍巖體中激發(fā)出感應(yīng)電流，由于感應(yīng)電流隨時(shí)間變化，因而在其周圍空間又產(chǎn)生新的磁場，稱為二次磁場。該二次場的大小及衰減速度與周圍地質(zhì)體的電性特征有關(guān)。如果圍巖地層為富水性巖層則二次場衰減較慢，反之則二次場衰減較快。通過對接收到的信號(hào)的處理、分析及解釋，了解巷道周圍地層中的水文地質(zhì)信息。
由于礦井瞬變電磁法的發(fā)射和接受均在巷道中進(jìn)行，受制于巷道空間，線圈采用多匝小回線裝置。瞬變電磁場響應(yīng)來自全空間地層的綜合信息，記錄的是不同瞬變延時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢。瞬變電磁場在圍巖介質(zhì)中的傳播是一個(gè)能量不斷衰減的過程，瞬變電磁場的早期信號(hào)主要由距離發(fā)射線圈較近的巷道及圍巖介質(zhì)的感應(yīng)電流產(chǎn)生，反映的是近距離周圍介質(zhì)的電性特征；而晚期信號(hào)是由深部地層的感應(yīng)電流產(chǎn)生，反映的是深部地層介質(zhì)的電性特征。
2全空間瞬變電磁場時(shí)域有限差分
2.1 電磁場時(shí)域有限差分方程
根據(jù)Maxwell微分方程組可推導(dǎo)出無源擴(kuò)散方程：
在電磁場時(shí)域有限差分中，將網(wǎng)格離散化處理，采用均勻網(wǎng)格將空間進(jìn)行劃分，將求無限大區(qū)域轉(zhuǎn)化為求解長方體單元，如圖1所示．網(wǎng)格步長在各個(gè)方向上均相同，為了保證有限差分方程計(jì)算的穩(wěn)定性，時(shí)間離散步長與空間離散步長應(yīng)滿足時(shí)間步長為電磁波空間傳播步長所需時(shí)間的一半。
網(wǎng)格中心節(jié)點(diǎn)處的電磁場強(qiáng)度h i. j，對擴(kuò)散方程進(jìn)行面積分得到：
2.2初始源及邊界條件
電磁場的有限差分方程是利用擴(kuò)散方程來模擬空間中電磁場隨時(shí)間變化的規(guī)律，初始位置空間各點(diǎn)的磁場值由磁偶源在初始時(shí)刻的瞬變電磁場作為初始源值。采用階躍后激發(fā)波形，瞬變電磁場沿著Z方向場強(qiáng)強(qiáng)度為：
在全空間瞬變電磁場數(shù)值模擬中，需要對有限空間添加邊界條件使其在傳播過程中不會(huì)使內(nèi)部的場產(chǎn)生畸變，采用二階Mur吸收邊界作為時(shí)域有限差分的邊界條件。
3 低阻屏蔽效應(yīng)數(shù)值模擬
建立一個(gè)全空間條件下的二維地質(zhì)體模型，在巷道頂板深部位置處設(shè)置一厚度為5 m，電阻率為5 Ω.m的低阻層，發(fā)射線圈的法線方向指向巷道的頂?shù)装�。巷道的寬度設(shè)為5m，巷道頂板地層厚度為40 m，電阻率設(shè)為500Ω ．m，含水異常體電阻率為1Ω．m，巷道底板的厚度為100 m，電阻率設(shè)置為500Ω ．m。激發(fā)源位于巷道中心位置處，電磁場沿著垂直方向進(jìn)行激發(fā)，具體平面分布如圖2 (a)所示。同時(shí)建立一個(gè)相同的但是不含低阻層的二維地電模型，用以對比模擬結(jié)果，平面分布如圖2 (b)所示。
對于含低阻層的地電模型，全空間瞬變電磁場隨時(shí)間擴(kuò)散方式如圖3所示。在瞬變電磁探測初始時(shí)刻25 μs，瞬變電磁場主要集中在巷道附近，并且以等值線環(huán)的方式擴(kuò)散，感應(yīng)電磁場在通過巷道時(shí)，由于傳播介質(zhì)發(fā)生了變化，等值線環(huán)發(fā)生輕微畸變，對模擬成果不會(huì)產(chǎn)生影響。隨著時(shí)間的推移，在瞬變電磁場傳播到225μs 時(shí)刻，感應(yīng)電磁場傳播到低阻層，感應(yīng)電磁場擴(kuò)散速度減慢，此時(shí)感應(yīng)渦流場大部分集中在覆蓋層中，低阻層屏蔽了場的傳播，削弱了其余異常體的反映。隨著瞬變電磁場傳播到625μs 時(shí)刻，瞬變電磁場始終停滯在低阻層區(qū)域，傳播速度減慢。因此低阻層的存在減緩瞬變電磁場的傳播速度，低阻層對瞬變電磁的能量起衰減作用。電磁場無法到達(dá)目標(biāo)低阻體，低阻層的屏蔽作用導(dǎo)致探測深度變小。對于不含低阻層的模型，全空間瞬變電磁場擴(kuò)散方式見圖4，當(dāng)瞬變電磁場在不含低阻層模型中傳播時(shí)，在初始時(shí)刻25μs ，瞬變電磁場主要集中在巷道邊界附近，瞬變電磁場的探測深度在同一時(shí)刻幾乎沒有差距，當(dāng)傳播到225 μs時(shí)，瞬變電磁場傳播到60 m附近區(qū)域，并且等值線環(huán)并沒有發(fā)生太大變化，瞬變電磁場能量衰減較小。當(dāng)瞬變電磁場傳播到625 μs時(shí)刻，瞬變電磁場傳播深度隨著傳播時(shí)間的增加而增大．瞬變電磁場穿透高阻區(qū)域能力強(qiáng)。
如果沿著探測方向存在低阻層，感應(yīng)電磁場受淺層低阻層的影響電場等值線發(fā)生畸變。在低阻層附近等值線較密集，電場的擴(kuò)散速度明顯降低，衰減變慢，則深部的低阻體響應(yīng)會(huì)被淺部的低阻層響應(yīng)所掩蓋，探測距離變短，只表現(xiàn)出淺部低阻層異常響應(yīng)。
4 工程實(shí)例
4.1 概況
安徽淮南集團(tuán)口孜東煤礦111303工作面在區(qū)域構(gòu)造上位于準(zhǔn)南復(fù)向斜謝橋向斜南翼北段，構(gòu)造 線方向整體近東西向�？傮w構(gòu)造形態(tài)為一推覆構(gòu)造。地層系統(tǒng)由石炭二疊系煤系地層及其下伏地層組成。走向N450E，傾向向北，傾角為40～130，總體為一單斜構(gòu)造。111303工作面將要穿過F10大斷層，受F10斷層的影響，煤層斷裂極為發(fā)育，同時(shí)在F10斷層北部附近發(fā)育有一寬緩的小背斜；在F10斷層南部附近發(fā)育有一向斜構(gòu)造，次一級的褶曲比較發(fā)育。
4.2 地球物理特征
根據(jù)該礦的水文地質(zhì)情況，該工作面頂板老頂為粉砂巖、細(xì)砂巖，直接頂為泥巖、砂質(zhì)泥巖，底板多為泥巖，老底以粉砂巖為主。煤層頂板砂巖水是工作面掘進(jìn)期間的直接充水水源。工作面掘進(jìn)到斷層時(shí)，周圍地層裂隙較發(fā)育，出現(xiàn)淋水現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)致密完整且不含水的砂巖在電性上表現(xiàn)為高電阻率特征，如果砂巖裂隙發(fā)育且含水，那么在巖層裂隙發(fā)育、斷層或裂隙帶附近的電阻率會(huì)比正常砂巖地層的電阻率大大降低，裂隙越發(fā)育、含水性越強(qiáng)則電阻率越低。因此，通過探測頂?shù)装鍘r層的電阻率及其變化規(guī)律，并結(jié)合具體地質(zhì)情況綜合分析便可確定巖層的水文地質(zhì)特征，這是礦井瞬變電磁法探測工作面頂板巖層含水性的物理基礎(chǔ)。
4.3 資料解釋
采用中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司生產(chǎn)的YCS1024礦井瞬變電磁儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采用重疊回線裝置，在111303工作面布置100個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)距離為10 m，在構(gòu)造富集區(qū)域可相對加密測點(diǎn)。
111303工作面運(yùn)輸巷豎直方向探測成果見圖5，橫坐標(biāo)X為巷道方向，縱坐標(biāo)y為頂板方向。礦井瞬變電磁法主要針對礦井瞬變電磁成果圖中的低阻區(qū)域進(jìn)行解釋。
多匝小回線裝置形式發(fā)射電流關(guān)斷時(shí)間過長，造成早期數(shù)據(jù)嚴(yán)重畸變，致使約20 m距離的盲區(qū)信息無法分辨。沿豎直方向50 m位置有一低阻異常區(qū)。結(jié)合異常區(qū)空間位置及地質(zhì)資料可知該低阻異常區(qū)并非富水區(qū)域。111303工作面頂板50 m附近的泥巖層導(dǎo)致瞬變電磁場在此迅速衰減，泥巖層延緩了瞬變電磁場往深部巖層中傳播，該工作面的探測深度只能達(dá)到55 m，
無法準(zhǔn)確涵蓋深層地層富水性信息。結(jié)合礦方打鉆結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，證實(shí)了該區(qū)域礦井瞬變電磁探測結(jié)果的準(zhǔn)確性。
5 結(jié)論
礦井瞬變電磁法研究的是一次脈沖間歇的二次場，對低阻體具有更高的探測和分辨能力，低阻層的存在會(huì)導(dǎo)致瞬變電磁探測深度減小，瞬變電磁場無法穿透低阻層到達(dá)更深地層中的富水異常區(qū)。在最終探測成果圖中對含低阻層地層的探測成果解釋，需以其每個(gè)測點(diǎn)的實(shí)際探測深度為準(zhǔn)，再結(jié)合該區(qū)域的水文地質(zhì)資料。
