圓錐型場(chǎng)源瞬變電磁法試驗(yàn)研究

楊海燕，劉志新，張 華，陳 曉，李 哲，汪 凌，楊夫杰

圓錐型場(chǎng)源瞬變電磁法試驗(yàn)研究

楊海燕1，劉志新1，張 華2，陳 曉2，李 哲2，汪 凌2，楊夫杰2

(1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2. 東華理工大學(xué) 地球物理與測(cè)控技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330013)

圓錐型場(chǎng)源是一種新型瞬變電磁發(fā)射裝置，前期理論研究結(jié)果顯示該裝置具有諸多優(yōu)點(diǎn)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證該裝置的實(shí)際探測(cè)能力，制作了2種裝置在地面和煤礦巷道兩種環(huán)境下開(kāi)展了試驗(yàn)研究。地面試驗(yàn)結(jié)合高密度電阻率法的探測(cè)成果，將圓錐型場(chǎng)源和多匝小回線的探測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果顯示，圓錐型場(chǎng)源對(duì)不同地層的電性特征刻畫(huà)更為準(zhǔn)確，識(shí)別出的1條斷層與高密度電阻率成果更為吻合。礦井超前探測(cè)試驗(yàn)結(jié)果顯示，圓錐型場(chǎng)源的低阻區(qū)劃分更為精細(xì)，尤其在工作面方向顯示出更強(qiáng)的低阻分辨能力，多匝小回線探測(cè)成果中存在1個(gè)低阻連通區(qū)，經(jīng)圓錐型場(chǎng)源探測(cè)證實(shí)為2個(gè)不連通的低阻異常。此外，圓錐型場(chǎng)源的發(fā)射和接收線框形狀和面積更為穩(wěn)定，對(duì)提升瞬變電磁法工作效率和數(shù)據(jù)質(zhì)量有較大的幫助。

瞬變電磁法；圓錐型場(chǎng)源；高密度電阻率法；視電阻率；超前探測(cè)

瞬變電磁法的多匝小回線裝置輕便、靈活，在地面淺層探測(cè)、煤礦巷道和工程隧道超前預(yù)報(bào)中得到廣泛應(yīng)用[1-6]。但是，多匝繞制方式使其具有較強(qiáng)的互感、受關(guān)斷效應(yīng)影響嚴(yán)重，不利于瞬變電磁數(shù)據(jù)的處理與解釋[7-15]。在多匝小回線基礎(chǔ)上發(fā)展出的圓錐型場(chǎng)源的互感系數(shù)僅為多匝小回線的1/9，不僅使瞬變響應(yīng)更早進(jìn)入晚期，還有利于資料處理中關(guān)斷效應(yīng)校正方法的使用[16]。在裝置形式上，只要使圓錐型場(chǎng)源的高度為0、每匝線圈半徑相同，該場(chǎng)源就變成了多匝小回線，因此，可以將多匝小回線看作這種場(chǎng)源的一種特殊形式。在一些共同的基礎(chǔ)理論問(wèn)題上，針對(duì)圓錐型場(chǎng)源的問(wèn)題解決方法也適用于多匝小回線裝置。針對(duì)圓錐型場(chǎng)源，從理論的角度對(duì)瞬變電磁場(chǎng)早晚期臨界條件，互感引起的關(guān)斷效應(yīng)對(duì)瞬變電磁響應(yīng)信號(hào)的影響和校正方法，以及視電阻率轉(zhuǎn)換方法等方面開(kāi)展了研究，驗(yàn)證了該場(chǎng)源的理論研究?jī)r(jià)值[17-19]。本研究重點(diǎn)是從試驗(yàn)的角度檢驗(yàn)前期理論成果的正確性，同時(shí)也對(duì)該場(chǎng)源的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行初步探索。

1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的圓錐型場(chǎng)源裝置如圖1a所示，該裝置由頂部和底部圓形架、支撐管、雙通管、三通管以及外圍銅導(dǎo)線組成，頂?shù)撞繄A形架由8根支撐管連接。頂部和底部圓形架由8個(gè)120°雙通管和8個(gè)三通管交錯(cuò)連接而成；支撐管采用空心管，管外部設(shè)置等間距卡槽，使導(dǎo)線纏繞形狀更加穩(wěn)定，同時(shí)減輕裝置重量。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可拆卸，不需要特殊工藝。根據(jù)以上設(shè)計(jì)，制作了頂直徑30 cm、底直徑65 cm和高50 cm的實(shí)驗(yàn)裝置(圖1b)。外圍繞導(dǎo)線127匝，發(fā)射磁矩為188.315 9 A·m2。接收線圈繞制在底部圓形架上，測(cè)量過(guò)程中可以保持發(fā)射–接收系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了對(duì)比圓錐型場(chǎng)源和多匝小回線的測(cè)量效果，按與圓錐底直徑相同的參數(shù)制作了多匝小回線，利用磁矩等效原理繞制了71匝。接收線圈均為48匝。

在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的視電阻率計(jì)算方面，沿用前期研究中的做法[16]，將實(shí)測(cè)感應(yīng)電位視作每一匝線圈感應(yīng)電位的疊加，即：

式中：t為第匝線圈距第1匝線圈的延時(shí)；為采樣時(shí)間；ε為感應(yīng)電位；為測(cè)道數(shù)。那么，轉(zhuǎn)換后的視電阻率便可以看作單匝線圈計(jì)算的電阻率平均值，即

2 地面試驗(yàn)

2.1 基本情況

地面試驗(yàn)在某大學(xué)實(shí)習(xí)基地內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)測(cè)線沿西南向、長(zhǎng)300 m，點(diǎn)距5 m，采用儀器為T(mén)erraTEM瞬變電磁儀。測(cè)線旁邊是一個(gè)蓄水水庫(kù)，地勢(shì)平坦(圖2)。在該處曾開(kāi)展了高密度電阻率法的測(cè)量工作，測(cè)線長(zhǎng)300 m，電極距2 m，采用儀器為DUK-2[20]。為了與高密度測(cè)量成果對(duì)比，本次瞬變電磁試驗(yàn)的測(cè)線與高密度電阻率法相同。

圖1 圓錐型場(chǎng)源實(shí)驗(yàn)裝置

圖2 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)區(qū)地層主要為前震旦系板溪群(Pt2)、石炭系下統(tǒng)華山嶺組(C2)，淺部為第四系(Q)。區(qū)內(nèi)褶皺不發(fā)育，而斷層構(gòu)造十分發(fā)育。區(qū)內(nèi)斷層構(gòu)造主要由區(qū)域性深大斷裂及與之平行或斜交的小型斷層組成。按斷層的產(chǎn)狀可將其分為走向NE的正斷層、走向NW的平移斷層以及一些小型斷層構(gòu)造。

試驗(yàn)區(qū)區(qū)內(nèi)有2條構(gòu)造(斷層F1和F8)穿過(guò)(圖3)。F1為NE向正斷層，走向穩(wěn)定，該斷層從測(cè)線的43號(hào)點(diǎn)附近穿過(guò)，在地表出露。前震旦系板溪群地層與石炭系下統(tǒng)華山嶺組地層在測(cè)線末段交匯。

圖3 試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)示意圖

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在圖2所示的測(cè)點(diǎn)分布圖中，測(cè)點(diǎn)號(hào)25～49之間為高密度電阻率法的一個(gè)排列[20]。該排列的末段為前震旦系板溪群地層與石炭系下統(tǒng)華山嶺組地層的交匯處，F(xiàn)1斷層從該處穿過(guò)。為了與高密度電阻率法測(cè)量成果對(duì)比，選取相同測(cè)量段的瞬變電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

圖4為多匝小回線和圓錐型場(chǎng)源感應(yīng)電位的多測(cè)道曲線，2條曲線呈現(xiàn)出的總體特征相似，但在34和43號(hào)測(cè)點(diǎn)附近的早延時(shí)部分有差別，反映出淺部地層內(nèi)電阻率分布的差異。將感應(yīng)電位轉(zhuǎn)換為視電阻率，得到如圖5所示的視電阻率擬斷面圖，并與高密度電阻率成果進(jìn)行對(duì)比。

圖4 瞬變電磁多測(cè)道曲線

根據(jù)地面觀察到的地質(zhì)情況，22號(hào)點(diǎn)附近出露一個(gè)傾斜的地層分界面，左邊是石炭系下統(tǒng)華山嶺組地層，右邊是前震旦系板溪群地層。20號(hào)點(diǎn)附近有地質(zhì)斷層出露，20號(hào)點(diǎn)以后低洼過(guò)渡帶。在高密度電阻率成果圖中(圖5a)，清楚地顯示出F1斷層所在位置以及石炭系下統(tǒng)華山嶺組和前震旦系板溪群的交界面。在電性特征方面，石炭系下統(tǒng)華山嶺組的電阻率較高，前震旦系板溪群的電阻率相對(duì)較低。高密度電阻率成果圖中電阻率分布情況與地質(zhì)情況吻合較好，但是在倒梯形剖面的深部，未顯示出的區(qū)域呈現(xiàn)出連續(xù)低阻趨勢(shì)。

圖5 測(cè)量成果對(duì)比

圓錐型場(chǎng)源視電阻率擬斷面圖所呈現(xiàn)的電阻率變化情況與高密度成果圖相似，在測(cè)線方向上淺部地層的電阻率由高逐漸降低，與石炭系下統(tǒng)華山嶺組和前震旦系板溪群地層的電性特征吻合，43號(hào)點(diǎn)附近F1斷層也體現(xiàn)的較為明顯(圖5b)。除此以外，在圖5b的深部顯示出一個(gè)連續(xù)的低阻層，該低阻層從25號(hào)測(cè)點(diǎn)開(kāi)始一直連通至F1斷層位置，與高密度電阻率法成果圖底部呈現(xiàn)的電阻率變化趨勢(shì)一致。在多匝小回線成果圖中(圖5c)，盡管斷層位置仍然可以識(shí)別，但深部的電阻率變化情況與高密度電阻率圖相差較大。

3 礦井瞬變電磁試驗(yàn)

為了驗(yàn)證圓錐型場(chǎng)源在煤礦巷道內(nèi)的實(shí)際應(yīng)用效果，結(jié)合科研項(xiàng)目在湖南省某煤礦井下開(kāi)展了圓錐型場(chǎng)源與多匝小回線的對(duì)比試驗(yàn)。測(cè)量位置覆蓋掘進(jìn)工作面及兩側(cè)巷道側(cè)幫，側(cè)幫測(cè)量點(diǎn)距2 m；掘進(jìn)工作面測(cè)量按巷道“左側(cè)幫—左拐角—工作面—右拐角—右側(cè)幫”的順序進(jìn)行，共觀測(cè)13個(gè)點(diǎn)。試驗(yàn)儀器為T(mén)erraTEM瞬變電磁儀，測(cè)量時(shí)間序列選用儀器自帶的MK3 Standard，疊加次數(shù)32次，發(fā)射電流7.8 A。多匝小回線采用重疊回線裝置，邊長(zhǎng)2 m，發(fā)射和接收線圈匝數(shù)分別為40、60匝，發(fā)射電流7.5 A，采用的時(shí)間序列和疊加次數(shù)與圓錐型場(chǎng)源相同。

采集的數(shù)據(jù)整體質(zhì)量較高，少數(shù)測(cè)點(diǎn)受金屬干擾需要進(jìn)行測(cè)道刪除處理。預(yù)處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)關(guān)斷時(shí)間校正后，直接進(jìn)行視電阻率轉(zhuǎn)換[13,21]，得到的視電阻率擬斷面圖如圖6—圖8所示。

由圖6和圖7可以看出，視電阻率值差異明顯，結(jié)合已知地質(zhì)資料，認(rèn)為電阻率高于50 ??m的區(qū)域?yàn)槊簩拥母咦璺从?，低?5 ??m為低阻異常區(qū)，主要由巖層破碎、裂隙發(fā)育和富含水等因素造成。

圖6 左側(cè)幫瞬變電磁測(cè)量成果對(duì)比

對(duì)比多匝小回線和圓錐型場(chǎng)源的測(cè)量結(jié)果可知，前者低阻區(qū)范圍較大，從橫坐標(biāo)方向上，左側(cè)幫的低阻區(qū)深度范圍從40～55 m拓展到20～80 m (圖6)，這與實(shí)際水文地質(zhì)信息不符。在圓錐型場(chǎng)源的測(cè)量成果中，低阻區(qū)范圍較小，從水平坐標(biāo)5 m開(kāi)始出現(xiàn)條帶狀低阻區(qū)，與右側(cè)深度為20～80 m的低阻區(qū)相連通，該低阻條帶解釋為巖層破碎產(chǎn)生的導(dǎo)水通道，與右側(cè)富水區(qū)連通。

圖7 右側(cè)幫瞬變電磁測(cè)量成果對(duì)比

圖7為2種場(chǎng)源在巷道右側(cè)幫的測(cè)量成果，圖中均顯示出若干個(gè)不連續(xù)的低阻區(qū)，推斷為巖層破碎所致。對(duì)比2種場(chǎng)源的測(cè)量結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在水平坐標(biāo)0～20 m、深度15～50 m的范圍內(nèi)，多匝小回線成果圖中的低阻區(qū)深度范圍更廣，且在橫向上有連通的趨勢(shì)，而圓錐型場(chǎng)源成果圖中則顯示出2個(gè)低阻區(qū)，覆蓋2個(gè)測(cè)點(diǎn)，沒(méi)有連通性。從水平坐標(biāo)24 m開(kāi)始，圖7a中淺部高阻的平均深度不到30 m，而圖7b中的淺部高阻的平均深度超過(guò)40 m，且在水平坐標(biāo)32 m和56 m附近與深部高阻連通。

圖8為巷道工作面方向的視電阻率擬斷面圖，在工作面右前方深度30～60 m范圍內(nèi)均出現(xiàn)偏低阻異常區(qū)。圖8a中的異常區(qū)為一個(gè)連通的低阻區(qū)，其中心點(diǎn)位置偏向工作面正前方，而圖8b中顯示出異常區(qū)則被電阻率高于60 ??m的巖層分割，形成2個(gè)低阻區(qū)。探測(cè)結(jié)果表明該區(qū)域巖層完整性遭到破壞，且富含水。

圖8 工作面瞬變電磁測(cè)量成果對(duì)比

4 結(jié)論

a.圓錐型場(chǎng)源裝置具有較高的穩(wěn)定性，能提升工作效率和數(shù)據(jù)質(zhì)量。

b.試驗(yàn)結(jié)果表明，圓錐型場(chǎng)源對(duì)地層交界面和斷層位置的刻畫(huà)優(yōu)于多匝小回線，獲得的低阻區(qū)范圍更為精細(xì)，在工作面方向顯示出較好的低阻分辨能力。

c. 需要進(jìn)一步研究圓錐型場(chǎng)源的資料處理方法，尤其是全空間層狀介質(zhì)中的反演技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全空間視電阻率向真電阻率的轉(zhuǎn)化。

致謝：中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司石顯新研究員對(duì)論文試驗(yàn)內(nèi)容撰寫(xiě)給予了指導(dǎo)，本刊編輯在論文格式與規(guī)范等方面提供了幫助，作者一并致謝！

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Experimental study on transient electromagnetic method with a conical source

YANG Haiyan1, LIU Zhixin1, ZHANG Hua2, CHEN Xiao2, LI Zhe2, WANG Ling2, YANG Fujie2

(1. School of Resources and Geosciences, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 2. School of Geophysics and Measurement-Control Technology, East China University of Technology, Nanchang 330013, China)

A new transmitter device-conical source has been proved theoretically to have several advantages for transient electromagnetic sounding. To verify application ability of conical source, two kinds of transmitter devices were designed and made, and the experimental studies on surface and in mine roadway were carried out. By applying high density resistivity achievements in surface experiment, the detecting results using conical source and multi-coils were compared. The results show that the description of strata resistivity with conical source is better than that with multi-coils. One fault was identified and the strike and position of which matches the high density resistivity result better. Meanwhile, experiment results in mine roadway also show that the conical source can achieve more effective delineation of low resistivity zone than multi-coils; the low resistivity zone in multi-coils section was turned out to be two discontinuous areas in conical source section. In addition, the conical source has a higher resolution of conductor in mine drift. The shape and area of conical source are more stable, which is more helpful to improve the efficiency and data quality of the transient electromagnetic method.

transient electromagnetic method; conical source; high density resistivity method; apparent resistivity; advanced detection

語(yǔ)音講解

P631

A

1001-1986(2021)06-0107-06

2021-08-21；

2021-10-15

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41974086，41974128，41874126)

楊海燕，1980年生，男，安徽阜陽(yáng)人，博士，教授，從事電磁法勘探理論與應(yīng)用研究. E-mail：yhyecit@163.com

劉志新，1976年生，男，安徽蕭縣人，博士，教授，從事電磁法正反演技術(shù)和礦井地球物理勘探研究. E-mail：liuzhx@cumt.edu.cn

楊海燕，劉志新，張華，等. 圓錐型場(chǎng)源瞬變電磁法試驗(yàn)研究[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(6)：107–112. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.06.013

YANG Haiyan，LIU Zhixin，ZHANG Hua，et al. Experimental study on transient electromagnetic method with a conical source[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(6)：107–112. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.06.013

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(責(zé)任編輯 聶愛(ài)蘭)