全空間瞬變電磁法三維正演模擬與現(xiàn)場試驗(yàn)研究*（自動(dòng)化）
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
全空間瞬變電磁法三維正演模擬與現(xiàn)場試驗(yàn)研究*（自動(dòng)化）
占文鋒1 武玉梁2
（1．北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑與測量工程學(xué)院，北京市石景山區(qū)，100042;2．四川省煤炭產(chǎn)業(yè)集團(tuán)公司，四川省成都市，610091）
摘 要 運(yùn)用Ansoft Maxwell有限元軟件模擬井下瞬變電磁法的運(yùn)用，設(shè)計(jì)斜階躍方波脈沖激勵(lì)，進(jìn)行瞬態(tài)求解，重點(diǎn)研究電流關(guān)斷前后感應(yīng)磁場的時(shí)空分布與變化規(guī)律。三維模擬表明：接收框體電導(dǎo)率大，其中心二次場更強(qiáng)、衰減慢；低阻異常體積大，其二次場影響和分布范圍更廣、衰減快。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，若關(guān)斷時(shí)間過小，早期接收信號(hào)可能為接收框感應(yīng)二次場。若關(guān)斷時(shí)間過大，晚期接收信號(hào)仍可能來自于接收框感應(yīng)二次場。因此，在井下運(yùn)用瞬變電磁法探測時(shí)，其有效探測范圍是有限的。相比而言，低阻處淺部盲區(qū)小，探測淺；而其它位置盲區(qū)大，探測深。
關(guān)鍵詞 Ansoft Maxwell軟件 瞬變電磁法 三維正演 現(xiàn)場試驗(yàn) 中圖分類號(hào)P631
瞬變電磁法被廣泛用于解決煤層頂?shù)装濉⒉煽諈^(qū)、含水陷落柱等水文地質(zhì)問題。地面瞬變電磁法的理論與技術(shù)成果雖然對礦井瞬變電磁法有著重要的借鑒作用，但仍面臨許多問題，如發(fā)射與接收回線的自感、互感；如何消除一次場影響得到有效的瞬變電磁響應(yīng)信號(hào)；觀測曲線能否真實(shí)反映地下介質(zhì)變化；關(guān)斷時(shí)間對測量結(jié)果的影響等。研究表明，地下感應(yīng)二次場的強(qiáng)弱隨時(shí)間衰減的快慢與被探測地質(zhì)異常體的規(guī)模、產(chǎn)狀、位置和導(dǎo)電性能密切相關(guān)。因此，通過礦井三維瞬變電磁法正演模擬技術(shù)，研究供電電流關(guān)斷前后二次場的時(shí)空分布與
變化規(guī)律，對于準(zhǔn)確反演和解釋地下異常體的電性特征具有重要的理論指導(dǎo)意義。
1模型及參數(shù)設(shè)計(jì)
Ansoft Maxwe11是世界著名的商用低頻電磁場有限元模擬軟件，可利用其白帶的外電路編輯功能，通過Ansoft Maxwe11 3D瞬態(tài)求解器進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)更加符合實(shí)際的模擬計(jì)算。為模擬井下瞬變電磁法共面裝置方式，設(shè)計(jì)地下全空間模型如圖1所示。其中發(fā)射框直徑20 mm，接收框直徑10 mm，兩圓環(huán)截面直徑1mm，中心點(diǎn)相距100 mm。裝置下方200 mm處設(shè)置兩圓柱體異常，直徑100 mm，高50 mm，中心點(diǎn)相距300 mm，分別模擬地下采空區(qū)和富水區(qū)。圍巖設(shè)置為直徑1000 mm，高1000 mm的圓柱體。在發(fā)射框中供以斜階躍脈沖電流，其中0～0.3 s設(shè)為電流線性上升階段，0. 3～0.9 s設(shè)為電流穩(wěn)定階段．0.9～
1.2s設(shè)為電流下降階段，1.2～1.8 s設(shè)為電流恒零階段，最大供電電流為2A。各材料屬性設(shè)置如表1所示。
2 巷道全空間感應(yīng)磁場強(qiáng)度空間變化規(guī)律
2.1 電流開始關(guān)斷時(shí)感應(yīng)磁場強(qiáng)度變化規(guī)律
供電電流從開始關(guān)斷至完全關(guān)斷前(0.9～1.2s)，一次場強(qiáng)度最大值位于發(fā)射框中心處，并呈同心環(huán)狀向周圍介質(zhì)傳播，如圖2所示。當(dāng)電磁波傳播到下方異常體時(shí)，兩者間的物性差異影響電磁波的正常傳播。相比而言，低阻體對電磁波具有更強(qiáng)的吸收和干擾作用。穿越異常體后，電磁波傳播恢復(fù)正常。供電電流大小影響一次場強(qiáng)度和分布范圍，隨著供電電流的減小，一次場強(qiáng)度和分布范圍均有不同程度的減小。
2.2 電流完全關(guān)斷時(shí)感應(yīng)磁場強(qiáng)度變化規(guī)律
供電電流完全關(guān)斷時(shí)(1.2 s)，一次場迅速衰減至基本消失。除在低阻體中激發(fā)出較強(qiáng)的二次場外，在接收框中亦激發(fā)較強(qiáng)的二次場，而高阻體中激發(fā)的二次場則不甚明顯。二次場分別以接收框和低阻異常體為中心，在不同方向上呈同心環(huán)狀向周圍介質(zhì)擴(kuò)散傳播，兩者相遇處相互疊加干擾，影響二次場的空間分布形態(tài)，并隨著深度的增加而減弱。由于接收框體電導(dǎo)率大，其中心二次場更強(qiáng)；而低阻異常體較大，其二次場影響和分布范圍更廣．因而易被測得用于地質(zhì)解釋，如圖3所示。
2.3 電流關(guān)斷后感應(yīng)磁場強(qiáng)度變化規(guī)律
供電電流關(guān)斷后(1.2～1.8 s)，二次場呈指數(shù)迅速衰減，但其空間分布形態(tài)未發(fā)生大的改變，仍以接收框和低阻異常體為中心，在不同方向上呈同心環(huán)狀分布。不同之處在于低阻體電導(dǎo)率小，衰減較快，而接收框體電導(dǎo)率大，衰減較慢。因此，在電流關(guān)斷后，低阻體感應(yīng)二次場分布范圍逐漸縮小，而接收框感應(yīng)二次場分布范圍逐漸擴(kuò)大，如圖4所示。在1.8 s時(shí)刻，地下空間基本分布接收框感應(yīng)二次場，導(dǎo)致關(guān)斷晚期采集的信號(hào)能否真實(shí)反映深部地質(zhì)信息存疑。因此，在井下運(yùn)用瞬變電磁法探測時(shí)，其有效探測深度與發(fā)射電流的大小、異
常體物性、規(guī)模、埋深等因素均有著直接或間接的關(guān)系。
3 介質(zhì)對二次場的響應(yīng)特征
3.1 同一時(shí)刻各介質(zhì)對二次場的響應(yīng)特征
為討論高阻異常體、低阻異常體和接收框三者對感應(yīng)磁場相互影響和相互作用關(guān)系，可通過繪制電流關(guān)斷時(shí)刻(1.2 s)不同深度二次場強(qiáng)度變化曲線進(jìn)行對比分析，如圖5所示。由圖可知，低阻體周圍二次場強(qiáng)度曲線較高阻體變化大，表明高阻異常體對二次場影響不甚明顯，對二次場分布起主導(dǎo)作用的是具有較低電阻的發(fā)射框和低阻體。淺部(0～0.15m)主要受發(fā)射框影響，影響范圍小，且隨深度增大而減弱，并逐漸向低阻體位置轉(zhuǎn)移；深部(0.2～0.5m)主要受低阻體影響，其影響深度和范圍均不同程度增大，其各自影響深度與異常體大小、物性、埋深、供電電流的大小等因素有關(guān)。
因此，應(yīng)用瞬變電磁法進(jìn)行井下探測時(shí)，若關(guān)斷時(shí)間設(shè)置過小(<1.2 s)，早期測量信號(hào)可能主要為接收框感應(yīng)二次場，為探測的盲區(qū)。但發(fā)射框由于體積較小，其影響深度有限，主要反映淺部地質(zhì)情況。盲區(qū)范圍除受供電電流大小、接收線圈匝數(shù)、線圈材質(zhì)影響外，還與地下介質(zhì)物性、異常體物性、規(guī)模、埋深等因素有關(guān)。因此，不同測點(diǎn)其盲區(qū)范圍也各不相同。
3.2 不同時(shí)刻各介質(zhì)對二次場的響應(yīng)特征
分別選擇高阻體、低阻體中心頂、底面處，繪制1. 2～1. 8s間二次場對數(shù)隨時(shí)間變化曲線，見圖6。由圖可見，供電電流關(guān)斷后，二次場隨時(shí)間呈指數(shù)快速衰減，且異常體頂部感應(yīng)二次場強(qiáng)度比底部高。關(guān)斷早期，由于不同異常體物性差異大，感應(yīng)二次場相差亦大；關(guān)斷晚期，由于二次場快速衰減，兩者差距縮小、甚至重合。相比而言，低阻異常體變化曲線斜率更大，表明其二次場隨時(shí)間衰減更快，對二磁場反應(yīng)更加靈敏。
4驗(yàn)證試驗(yàn)
本次試驗(yàn)在擬建龍門峽南礦水平大巷展開，向工作面內(nèi)進(jìn)行探測。儀器為加拿大Geonics公司生產(chǎn)的Pro TEM 47瞬變電磁探測儀，測線長度為50 m，測點(diǎn)間距5m，依次編號(hào)1#、2#、……10#，采用共面偶極裝置方式進(jìn)行探測。
該水平大巷自侏羅系中下統(tǒng)自流井組(J1-2z)底部開口，向東依序穿過侏羅系下統(tǒng)珍珠沖組(J1Z h)，三疊系上統(tǒng)須家河組(T3 xj)、中統(tǒng)雷口坡組(T21)、下統(tǒng)嘉陵江組(T1j)、飛仙關(guān)組(T1f)，二疊系上統(tǒng)長興組(P2c)、龍?zhí)督M(P21)和下統(tǒng)茅口組(P1m)等地層，開采背斜東、西兩翼的
K1煤層。因擬建礦井主平硐和K1煤層開采系統(tǒng)分別位于井田內(nèi)深層循環(huán)帶和水平循環(huán)帶中，埋藏深度較大，其主要充水水源為砂巖裂隙含水層和石灰?guī)r巖溶含水層地下水，前者僅對主平硐產(chǎn)生充水，后者對主平硐、暗斜井和煤層開采系統(tǒng)均不同程度產(chǎn)生充水。距起測點(diǎn)約28 m處的巷道右?guī)�，有小股水流從裂隙流出，沿排水溝排走，水源深度不詳�?/font>
影響一次場強(qiáng)度的因素很多，包括供電電流大小、線圈匝數(shù)、線圈的性質(zhì)、地下介質(zhì)的物性等。各測點(diǎn)一次場強(qiáng)度變化如圖7所示，出水點(diǎn)附近（5#與6#測點(diǎn)之間）的一次場強(qiáng)度有明顯的跳躍增強(qiáng)，且8#測點(diǎn)處的變化更加明顯。為對比分析一次場變化的原因及規(guī)律，分別選擇出水點(diǎn)附近及其左右兩側(cè)（3#、6#、8#測點(diǎn)處）實(shí)測二次場，繪制二次場時(shí)間對數(shù)變化曲線見圖8。由圖可知，早期（620 ns前）測得的二次場隨時(shí)間衰減較快，且曲線形態(tài)基本一致，說明淺部物性差異��；晚期（620 ns后）測得的二次場出現(xiàn)跳躍，3#和8#兩處曲線形態(tài)相似且近于重合，表明兩者間物性差異較小，而6#測點(diǎn)處二次場明顯高于前二者，說明深部物性差異較大。對比分析表明，低阻異常對二次場反應(yīng)更靈敏，其感應(yīng)二次場更強(qiáng)。由此可以推斷6#測點(diǎn)深部為低阻異常。
實(shí)測數(shù)據(jù)經(jīng)軟件反演后，繪制視電阻率深度變化曲線如圖9所示，3#、8#測點(diǎn)處曲線形態(tài)相似且數(shù)值大小相近，6#測點(diǎn)處不同深度上的視電阻率均小于前二者，尤其60～65 m測深處，三者差異最大。除此之外，6#測點(diǎn)處淺部盲區(qū)小，探測深度小；而3#、8#測點(diǎn)處淺部盲區(qū)大，探測深度亦大，與三維模擬結(jié)果是一致的。所有測點(diǎn)經(jīng)反演后，繪制視電阻率等值線如圖10所示，出水點(diǎn)處與兩側(cè)圍巖相比，呈現(xiàn)明顯的低阻異常反映，并與深部低阻異常區(qū)連通。經(jīng)礦方鉆孔驗(yàn)證，約62 m進(jìn)尺處出現(xiàn)破碎帶。
5結(jié)論
(1) 一次場向周圍介質(zhì)傳播時(shí)，若遇到地質(zhì)異常體，由于物性差異會(huì)影響電磁波的正常傳播，相比而言，低阻異常對電磁波具有更強(qiáng)的吸收和干擾作用。供電電流關(guān)斷后，一次場迅速衰減，并在低阻異常體和接收框中均激發(fā)較強(qiáng)的二次場。接收框體電導(dǎo)率大，其中心二次場更強(qiáng)；而低阻體體積較大，其二次場影響和分布范圍更廣；高阻體感應(yīng)的二次場則不甚明顯。相比而言，低阻處淺部盲區(qū)小，探測淺；其它位置盲區(qū)大，探測深。
(2)應(yīng)用瞬變電磁法進(jìn)行井下探測時(shí)，若關(guān)斷時(shí)間設(shè)置過小，早期測量的信號(hào)可能主要為接收框感應(yīng)的二次場，為探測的盲區(qū)。但發(fā)射框由于體積較小，其影響深度有限。盲區(qū)范圍除受供電電流大小、接收線圈匝數(shù)、線圈材質(zhì)影響外，還與地下介質(zhì)物性、異常體物性、規(guī)模、埋深等因素有關(guān)。因此，不同測點(diǎn)其盲區(qū)范圍也各不相同。
(3)現(xiàn)場實(shí)測表明，出水點(diǎn)附近一次場強(qiáng)度有明顯的跳躍，而二次場曲線形態(tài)與深部異常區(qū)的位置有關(guān)。當(dāng)淺部物性差異較小時(shí)，不同測點(diǎn)早期測得的二次場曲線形態(tài)基本一致；當(dāng)深部物性差異較大時(shí)，晚期二次場出現(xiàn)跳躍，出水點(diǎn)處的二次場強(qiáng)度明顯高于其他測點(diǎn)。出水點(diǎn)水源深度附近的視電阻率偏小，且盲區(qū)小、探測深度淺；而正常地層區(qū)淺部盲區(qū)大，探測深度亦大。
