范 濤,趙 兆,吳 海,魯晶津,王繼礦

(中國煤炭科工集團(tuán)西安研究院有限公司,陜西西安 710077)

礦井瞬變電磁多匝回線電感影響消除及曲線偏移研究

范 濤,趙 兆,吳 海,魯晶津,王繼礦

(中國煤炭科工集團(tuán)西安研究院有限公司,陜西西安 710077)

小線框瞬變電磁近年廣泛用于煤礦井下水害探測,但多匝回線自感和互感作用使早期時間道信號嚴(yán)重失真,小邊長線框的固有過渡過程使晚期時間道信號顯著抬升,均會對資料的處理解釋精度帶來干擾,為解決這一問題,通過分析礦井與地面瞬變電磁曲線的差異,分兩步給出了消除小線框影響的方法。結(jié)合理論推導(dǎo)得出的多匝回線電感公式與實(shí)測電流-時間導(dǎo)數(shù)的關(guān)系,計算出需要消除的電感電動勢,可消除早期信號中的小線框電感影響;引入曲線偏移概念,利用衰減曲線斜率與時間項(xiàng)指數(shù)冪項(xiàng)的相關(guān)性,以正演曲線為擬合目標(biāo),可在一定程度上修正晚期信號受到的線框固有過渡過程影響。通過對大量不同類型的礦井水害探測實(shí)測資料處理,結(jié)合鉆探等其他實(shí)際地質(zhì)信息,證明該方法可有效獲取有利于精確反演解釋的數(shù)據(jù),使礦井瞬變電磁數(shù)據(jù)處理不再需要引入經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

礦井瞬變電磁;線圈電感;曲線偏移;正演擬合;煤礦水害

Key words:mine TEM;loop inductance;curve offset;forward modeling;coal mine water

煤礦水害事故是僅次于瓦斯爆炸的煤礦重大災(zāi)害,在煤礦重、特大事故中所占比例較大,已經(jīng)成為制約煤礦安全生產(chǎn)的重大隱患,提高煤礦水害探測技術(shù)解釋水平顯得尤為迫切。

近年來,小線框瞬變電磁方法被廣泛應(yīng)用于井下尋找采空區(qū)、巷道掘進(jìn)工作面的連續(xù)跟蹤超前探測、探測煤層水、防治煤層水等方面,對保障煤礦安全、減少煤礦水害事故發(fā)揮了積極作用[1]。

由于井下特殊的工作環(huán)境,為達(dá)到一定的探測深度,發(fā)射和接收裝置常使用多匝線圈[2]。而線圈匝數(shù)的增加,也使得線圈的自感及相互間的互感對早期數(shù)據(jù)的影響增大、關(guān)斷時間增加,早期的數(shù)據(jù)發(fā)生畸變,不能加以利用。如何減小線圈電感的影響,從而提取早期數(shù)據(jù),已逐漸引起許多物探工作者的興趣。

關(guān)于線圈的電感系數(shù)計算,已經(jīng)有人在這方面做出了大量工作,大多針對的是單匝線圈的自感系數(shù)計算,如1986年蘇聯(lián)卡蘭塔羅夫等編寫的《電感計算手冊》中,以簡化公式、圖表以及數(shù)據(jù)表的形式給出了單匝矩形線圈自感的表達(dá)式[3],薛國強(qiáng)等也分別以近似公式計算了單匝矩形線圈自感[4-6],Christian Harlander等均采用有限元方法研究了單匝矩形線圈自感的數(shù)值解[7-10],李文堯推導(dǎo)了單匝矩形線圈自感的精確表達(dá)式[11];除此以外,楊海燕等在多匝矩形回線的自感和互感系數(shù)方面做了大量研究工作,給出了實(shí)際工作中多匝線圈電感系數(shù)的近似公式[12]。

但對于如何從礦井瞬變電磁中心回線裝置觀測數(shù)據(jù)中消除多匝小線圈帶來的影響,目前還鮮有人做深入研究,這使計算得到的電感系數(shù)沒有為實(shí)際礦井水害安全預(yù)防工作發(fā)揮真正的作用。筆者從消除多匝回線電感影響出發(fā),通過偏移消除小邊長影響,最終實(shí)現(xiàn)礦井瞬變電磁曲線的正?；?為后續(xù)反演解釋工作提供合適的二次場數(shù)據(jù)。

1 方法原理

1.1 礦井瞬變電磁中心回線裝置曲線特征

地面大線框瞬變電磁中心回線裝置是一種野外工作的常用裝置,其觀測得到的二次場衰減曲線特征較為簡單,便于分析。如式(1),曲線晚期響應(yīng)與t5/2成正比,即

式中,E為感應(yīng)電動勢;μ0為真空磁導(dǎo)率;M為發(fā)送線圈磁矩;q為接收線圈磁矩;ρ為地層電阻率;t為觀測時間[13-14]。

假設(shè)地下介質(zhì)電性均勻,則在雙對數(shù)坐標(biāo)上衰減曲線呈68.2°直線下降(圖1)(該角度根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)單位情況下數(shù)據(jù)正切值確定)。實(shí)際工作中,盡管地下介質(zhì)電性并不均勻,但衰減曲線整體下降角度仍呈68.2°,僅在局部有微小變化,如圖2(a)所示,圖中曲線工作參數(shù)為:發(fā)射邊長120 m,接收面積100 m2,發(fā)射頻率8.33 Hz,發(fā)射電流約為10 A。

圖1 均勻半空間TEM正演衰減曲線Fig.1 Uniform half-space TEM forward attenuation curves

圖2 實(shí)測地面大線框和礦井小線框TEM衰減曲線Fig.2 Measured TEM attenuation curves with ground large loop and mine small loop

礦井小線框瞬變電磁中心回線裝置觀測得到的二次場衰減曲線與地面地面大線框瞬變電磁中心回線裝置的差異較大,由于線圈邊長小,匝數(shù)多,在回線的中心,關(guān)斷時間內(nèi)的回線中心電感電動勢必然相比相同面積的單匝回線要強(qiáng),這使早期信號幅值明顯增強(qiáng);另外,多匝小回線中心的電感電動勢和多匝小回線的電感電容均較大,所以其暫態(tài)過渡過程影響時間長,或全程都受過渡過程影響,這兩者相結(jié)合,共同造成晚期信號的抬升。以邊長2 m的10匝線框?yàn)槔?經(jīng)大量實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計曲線斜率約為-1,即礦井瞬變電磁中心回線裝置衰減曲線晚期段約呈45°直線下降(圖2(b))。

由礦井與地面瞬變電磁中心回線裝置曲線特征可知,想要對礦井瞬變電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行如地面數(shù)據(jù)相同的圓滑濾波、去干擾、全期視電阻率計算、反演等處理步驟并取得合理的結(jié)果,必須消除多匝小回線裝置對觀測信號的影響。

1.2 早期數(shù)據(jù)多匝回線電感影響消除辦法

對關(guān)斷時間內(nèi)的電感影響和線圈固有過渡過程帶來的影響同時進(jìn)行校正存在較大難度,故可將這兩個過程分別處理,在早期段不處理線圈過渡過程帶來的影響,僅消除關(guān)斷時間內(nèi)由電感造成的影響,下一步再統(tǒng)一消除暫態(tài)影響。

設(shè)單匝圓形回線半徑為r,導(dǎo)線半徑為a,回線中通以電流I,由圓回線的軸對稱性選用圓柱坐標(biāo)系,坐標(biāo)原點(diǎn)位于線圈中心O,z軸與線圈軸線重合(圖3(a))。

圖3 單匝回線和兩匝回線自感計算模型Fig.3 Self-inductance calculation model with singleturn loop and two-turn loop

整個圓回線在點(diǎn)P處產(chǎn)生的磁位為

式中,eφ表示在柱坐標(biāo)系下φ方向的單位向量。

從而穿過由閉合內(nèi)邊線所圍面積中的磁通為

完全橢圓積分;E(k)為第2類完全橢圓積分。則圓回線的外自感為

多匝圓回線由多個單匝圓回線串聯(lián)而成,由于各匝回線的形狀、大小均相同,因而每匝回線的自感系數(shù)及任意兩匝回線間的互感系數(shù)都應(yīng)相等,則多匝圓回線的電感系數(shù)為

式中,n為回線匝數(shù)。

實(shí)際工作中大多采用方形回線,邊長為b的方形回線,與其等磁矩的圓回線的半徑r=b/ π,將其代入式(2)～(4)中,可得單匝方形回線的自感、兩匝方形回線互感和n匝方形回線的電感系數(shù)分別為

由多匝方形回線自感和互感影響產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為

式中,S為導(dǎo)線截面積;B為磁場強(qiáng)度。

對于固定的線圈,磁場強(qiáng)度B正比于電流I,設(shè)比例系數(shù)為c,則dB=cdI,可得

而多匝方形回線的電感系數(shù)又可寫為

故由多匝方形回線電感產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢最終可寫為

圖4即為一個實(shí)測數(shù)據(jù)根據(jù)式(8)計算得到的結(jié)果,工作方式為使用磁探頭的中心回線方式,工作裝置為2 m×2 m×10匝發(fā)射線框,導(dǎo)線截面6 mm2,發(fā)射電流2 A,可以看到在0.6 ms之前的曲線有明顯變化,0.6 ms之后的數(shù)據(jù)隨發(fā)射電流歸零,該時間點(diǎn)與實(shí)測礦井小線框TEM衰減曲線上的早晚期轉(zhuǎn)折點(diǎn)相對應(yīng),認(rèn)為該點(diǎn)之后的實(shí)測數(shù)據(jù)受到的電感影響可以忽略,不需要做校正。

圖4 電感產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢影響Fig.4 Effect of the induction electromotive force from inductance

因此,進(jìn)一步從該時間點(diǎn)之前的實(shí)測礦井瞬變電磁二次場E中減去該影響可得消除多匝方形回線電感影響的新感應(yīng)電動勢為

此時衰減曲線早期與晚期的斜率方能達(dá)到基本一致,許多地面瞬變電磁常用的3點(diǎn)圓滑、中值濾波等曲線預(yù)處理手段才能正常應(yīng)用,取得較好的剔除干擾效果。

1.3 消除小線框影響的曲線偏移方法

瞬變電磁探測中,同一測點(diǎn)小發(fā)射回線采集的二次場數(shù)據(jù)比大發(fā)射回線衰減慢,這是因?yàn)殡S著發(fā)射回線邊長的減小,裝置的固有過渡過程對實(shí)測曲線的影響將越來越大,造成曲線晚期段抬升,圖5一定程度上說明了這一現(xiàn)象。

圖5 不同邊長線圈衰減曲線對比Fig.5 Attenuation curves comparison with different side length of loop

礦井小線框瞬變電磁觀測曲線受到這種影響更加明顯,如圖6所示,即使消除了早期數(shù)據(jù)中的電感影響,曲線幅值仍有整體抬升,整體斜率與瞬變電磁理論曲線斜率相差甚遠(yuǎn),這就是線圈暫態(tài)過程帶來的影響,會使全期視電阻率計算、反演等方法的處理結(jié)果明顯不對,不利于資料精細(xì)解釋。

圖6 消除電感影響后礦井TEM衰減曲線與正演曲線對比Fig.6 Comparison of the mine TEM attenuation curve with inductance effect removing and forward curve

地面大線框瞬變電磁處理工作中,針對這一問題常規(guī)的校正方法是用層狀介質(zhì)一維正演擬合的方法進(jìn)行消除該種影響。如果在物性參數(shù)未知的地區(qū),在正常場區(qū)域,用平均電阻率模型進(jìn)行正演計算,擬合實(shí)測值。

礦井線框瞬變電磁工作同樣可以引入這一思想。如1.1節(jié)所說,瞬變電磁正演理論曲線在雙對數(shù)坐標(biāo)上均呈68.2°直線下降,其斜率為-2.5,與式(1)中t5/2成反比。

因此,欲校正礦井瞬變電磁曲線,只需在不改變曲線上不同測道數(shù)據(jù)相對比例關(guān)系的前提下,將曲線角度向理論曲線角度偏轉(zhuǎn)擬合即可。

以邊長2 m的10匝線框?yàn)槔?經(jīng)大量實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計,消除早期數(shù)據(jù)中的電感影響后,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)單位情況下數(shù)據(jù)正切值可確定曲線斜率約為-1,衰減曲線約呈45°直線下降。由于曲線斜率實(shí)際上是與t的指數(shù)冪項(xiàng)相關(guān),這意味著2 m線框的礦井瞬變電磁二次場曲線實(shí)際是與t-1成正比,即對按1.2節(jié)方法處理后的數(shù)據(jù),進(jìn)一步除以偏移因子t3/2即可將曲線與理論曲線擬合。實(shí)際工作中,不同的工作裝置觀測得到的曲線斜率仍會有細(xì)微差別,偏移因子需要做一定的微調(diào),可按如下步驟進(jìn)行擬合:

(1)給定一個較小的步長?t,按照下式計算偏移后的感應(yīng)電動勢,有

式中,U的下標(biāo)n表示迭代次數(shù),令U1=5/2。

(2)計算理論電動勢EL與EU的擬合差。

(3)判斷該差是否小于事先給定的一個很小的數(shù)ε0,如小于,可認(rèn)為擬合成功,否則,令Un=Un-1-?t,重復(fù)步驟(1)～(3),直到擬合差滿足要求為止。

此時,曲線形態(tài)恢復(fù)為不受礦井多匝小線圈裝置影響的常規(guī)形態(tài),地面瞬變電磁已開始成熟應(yīng)用的一些精細(xì)處理解釋方法均可正常應(yīng)用,如全期視電阻率二分搜索算法,擬大地電磁(MT)深度反演算法[15]等。

2 校正效果演示

因?yàn)槟壳暗恼莩绦蚓鶝]有引入線圈自感和互感的影響,也不考慮裝置自耦合效應(yīng)與固有過渡過程,所以無法給出理論模型正演數(shù)據(jù)來驗(yàn)證本文提出的校正方法,下面將以物理模擬為例來說明校正方法的效果。

物理模型如圖7所示,銅棒長度L為0.1 m,直徑R為0.03 m,距離水面的距離D為0.13 m,具體工作參數(shù)為:觀測裝置類型,中心回線裝置;采樣率為250 kHz;激發(fā)頻率為25 Hz;疊加次數(shù)為500次;發(fā)射回線參數(shù)為 0.4 m×0.4 m×10匝;接收面積為0.9 m2;發(fā)射電流為2.2 A;觀測道數(shù)為100道。

圖7 橫型示意Fig.7 Schematic diagram of the model

本次工作,因探測目標(biāo)及環(huán)境電阻率均較小,擬合目標(biāo)選擇電阻率值為5 Ω·m的均勻半空間正演曲線。如圖8所示,消除電感影響后曲線,其下降斜率與正演曲線顯然有較大差異,如直接利用其進(jìn)行全期視電阻率計算或反演等處理必然會得到錯誤的結(jié)果;偏移校正的曲線基本與正演曲線重合,下降斜率基本一致,這為后續(xù)精細(xì)處理解釋打下了良好基礎(chǔ)。

圖8 校正效果Fig.8 Correction effect

圖9為原始曲線計算的視深度-晚期視電阻率結(jié)果與用本文方法處理后曲線計算的視深度-全期視電阻率結(jié)果對比。從圖中可以看出:圖9(b)的低阻異常中心圈與埋深D、銅棒長度L和直徑R均對應(yīng)較好,形狀也較規(guī)整;圖9(a)的低阻異常中心圈也能反映出銅棒的影響,但均存在較圖9(b)更大的誤差;其次,圖9(a)低阻異常兩側(cè)的高阻環(huán)境上下沒有連通,這可能會帶來錯誤的理解。綜合來看,校正后的解釋結(jié)果與模型吻合度更高。

圖9 物理模擬TEM測線處理結(jié)果對比Fig.9 Comparison chart of TEM line’s results

3 實(shí)際應(yīng)用

3.1 超前水害探測

在煤礦巷道掘進(jìn)過程中,工作面前方水害是影響安全生產(chǎn)的主要問題。

山西A煤礦在巷道掘進(jìn)過程中,發(fā)生了工作面左側(cè)少量出水的情況,為搞清楚該工作面前方的含水情況,開展了礦井瞬變電磁超前探測工作,并結(jié)合處理解釋結(jié)果進(jìn)行了打鉆驗(yàn)證。

根據(jù)了解到的水文地質(zhì)情況,結(jié)合礦井瞬變電磁特點(diǎn),選擇以下工作參數(shù)進(jìn)行超前探測:觀測裝置類型為中心回線裝置;采樣率為500 kHz;激發(fā)頻率為25 Hz;疊加次數(shù)為500;發(fā)射回線參數(shù)為2 m×2 m×10匝;接收面積為450 m2;發(fā)射電流為2 A;觀測道數(shù)為40道。

圖10(a)為本次工作最右側(cè)1號測點(diǎn)曲線按照本文方法處理的結(jié)果,從圖10(a)可以看到偏移后曲線早期與正演曲線基本擬合,晚期明顯衰減較快,可以推測該測點(diǎn)前方較遠(yuǎn)處可能出現(xiàn)高阻反應(yīng)。

圖11為本次超前探測工作原始曲線計算得到的視深度-晚期視電阻率結(jié)果與用本文方法處理后曲線計算得到的視深度-全期視電阻率結(jié)果對比。圖中黑色箭頭為根據(jù)物探結(jié)果施工的4個鉆孔,其中1號鉆孔長71 m,出水量為24 m3/d;2號鉆孔長53 m,出水量為 12 m3/d;3號鉆孔長 40 m,出水量為528 m3/d;4號鉆孔長30 m,出水量為384 m3/d。

首先,由于引入全空間經(jīng)驗(yàn)系數(shù)(該系數(shù)實(shí)際工作中不可能給的絕對準(zhǔn)確),圖11(a)計算出的視電阻率值整體高于圖11(b),超前探測距離也大于圖11(b),而圖11(b)由于曲線與地面常規(guī)大線框瞬變電磁曲線一致,所以計算出的全期視電阻率與視深度不需要靠系數(shù)調(diào)節(jié),為精確值。

其次,圖11反映出了相似的異常特征,工作面前方左側(cè)電阻率較低(與實(shí)際工作面左側(cè)出水情況相符),右側(cè)電阻率較高(與圖10推測相符),主要低阻異常集中在工作面正前方。但圖11(a)淺部存在一個半環(huán)狀高阻條帶,而探測區(qū)域主體應(yīng)還是同一層煤,很難解釋這一高阻反映,圖11(b)則整體視電阻率變化均勻,與理論符合較好。

進(jìn)一步與鉆探結(jié)果相印證可知,圖11(b)工作面正前方的低阻異常隨距離減弱,完全吻合較遠(yuǎn)的1,2號鉆出水量少、較近的3,4號鉆出水量多的情況,圖11(a)工作面前方較遠(yuǎn)處仍有很強(qiáng)的低阻異常,與1, 2號鉆結(jié)果吻合情況較差。

圖10 單點(diǎn)曲線處理結(jié)果Fig.10 Processing results with single point curves

3.2 底板水害探測

在煤礦開采過程中,底板水害,尤其是底板灰?guī)r突水,同樣是影響安全生產(chǎn)的重要問題。

河南B煤礦與全國聞名的大水礦區(qū)中的特大水礦井為鄰,煤系上覆沖積砂礫層孔隙水,下伏厚約800 m喀斯特灰?guī)r,礦區(qū)構(gòu)造以斷裂為主,地下水豐富,水文地質(zhì)條件十分復(fù)雜,為搞清楚工作巷道底板的含水情況,開展了礦井瞬變電磁探測工作。

根據(jù)了解到的水文地質(zhì)情況,結(jié)合礦井瞬變電磁特點(diǎn),選擇以下工作參數(shù)進(jìn)行底板探測(施工區(qū)域內(nèi)鋪設(shè)有沿測線延伸的鐵軌):觀測裝置類型為中心回線裝置;采樣率為250 K;激發(fā)頻率為2.5 Hz;疊加次數(shù)為500次;發(fā)射回線參數(shù)為2 m×2 m×10匝;接收面積為450 m2;發(fā)射電流為2 A;觀測道數(shù)為100道。

圖10(b)為本次工作最左側(cè)1號測點(diǎn)曲線進(jìn)行本文方法處理的結(jié)果,從圖10(b)可以看到偏移后曲線與正演曲線擬合很好,僅局部有微小差異,反映了介質(zhì)的不均一性。

圖12為本次底板探測工作原始曲線計算得到的視深度-晚期視電阻率結(jié)果與用本文方法處理后曲線計算得到的擬大地電磁(MT)深度反演結(jié)果[15]對比。圖中黑色虛線為根據(jù)地面三維地震結(jié)果圈出的小斷層。

圖11 山西A煤礦礦井TEM測線處理結(jié)果對比Fig.11 Comparison of TEM line’s results in A Mine

圖12 河南B煤礦礦井TEM測線處理結(jié)果對比Fig.12 Comparison chart of TEM line’s results in B Mine

首先,由于引入全空間經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的誤差,圖12(a)計算出的視電阻率值整體低于圖12(b),探測距離也大于圖12(b),而圖12(b)由于曲線與地面常規(guī)大線框瞬變電磁曲線一致,所以反演出的電阻率與深度為精確值。

其次,兩幅圖上反映出了相似的異常特征,在斷層所在位置均有電阻率等值線的扭曲異常出現(xiàn),但圖12(a)淺部存在的高阻條帶,與已知地層信息不符,并且深部為連成一整片的低阻,分辨率很低;圖12(b)在斷層位置均有對應(yīng)的條帶狀低阻異常反應(yīng),淺部有一層低阻反應(yīng),與測線整體受鐵軌影響也能對應(yīng)。

進(jìn)一步與施工時看到的已知情況相印證可知, 30 m位置有一放水孔,水壓為3.7 MPa,圖12(b)的第1條低阻條帶能與之吻合。

3.3 工作面內(nèi)部水害探測

在煤礦工作面采煤活動中,工作面內(nèi)部的水害更是影響安全生產(chǎn)的一個重大問題。

內(nèi)蒙古C煤礦在216上01工作面形成后,因工作面內(nèi)部有落差大于13 m的較大斷層經(jīng)過,為探明內(nèi)部水害構(gòu)造,進(jìn)行了音頻電透視工作,并根據(jù)劃出的低阻異常布置了鉆孔,但許多輔運(yùn)巷道的鉆孔并未見出水,針對這一結(jié)果,由工作面兩側(cè)的輔運(yùn)巷道和回風(fēng)巷道分別對工作面內(nèi)部開展了礦井瞬變電磁探測工作。

根據(jù)了解到的水文地質(zhì)情況,結(jié)合礦井瞬變電磁特點(diǎn),選擇以下工作參數(shù)進(jìn)行超前探測:觀測裝置類型為中心回線裝置;采樣率為250 K;激發(fā)頻率為6.25 Hz;疊加次數(shù)為500次;發(fā)射回線參數(shù)為2 m× 2 m×10匝;接收面積為450 m2;發(fā)射電流為2 A;觀測道數(shù)為100道。

圖10(c)為本次工作下部輔運(yùn)巷左側(cè)4號測點(diǎn)曲線進(jìn)行本文方法處理的結(jié)果,從圖10(c)可以看到偏移后曲線與正演曲線基本擬合,僅在早期和晚期有兩處出現(xiàn)曲線抬升,可以推測該測點(diǎn)前方可能出現(xiàn)兩處低阻反應(yīng)。

圖13為本次超前探測工作原始曲線計算得到的視深度-晚期視電阻率結(jié)果與用本文方法處理后曲線計算得到的視深度-全期視電阻率結(jié)果對比。

圖13 內(nèi)蒙古C煤礦礦井TEM測線處理結(jié)果對比Fig.13 Comparison chart of TEM line’s results in C Mine

圖13中虛線為斷層,黑色箭頭為鉆孔:1號鉆孔孔深130.5 m,垂直深度65.25 m,無水;2號鉆孔孔深88 m,垂直深度44 m,無水;3號鉆孔孔深90 m,垂直深度45 m,涌水量14.4 m3/d,水壓0.12 MPa;4號鉆孔孔深130 m,垂直深度65 m,涌水量108 m3/d;5號鉆孔孔深130 m,垂直深度65 m,無水;6號鉆孔孔深130 m,垂直深度65 m,涌水量36 m3/d;7號鉆孔孔深90 m,垂直深度 45 m,無水;9號鉆孔孔深130 m,垂直深度44.5 m,無水;補(bǔ)1號鉆孔從50 m開始出水,出水量漸大,成孔后涌水量864 m3/d;補(bǔ)2號鉆孔從33 m出水,至52 m水量最大至518.4 m3/ d;補(bǔ)4號鉆孔51 m處水量增大至273.6 m3/d,66 m處增至864 m3/d,成孔后涌水量1 296 m3/d。

首先,由于引入全空間經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的誤差,圖13(a)計算出的視電阻率值整體高于圖13(b),而圖13(b)由于曲線與地面常規(guī)大線框瞬變電磁曲線一致,所以計算出的全期視電阻率與視深度為精確值。

其次,圖13反映出了相似的電阻率分布特征,但圖13(a)兩側(cè)靠近巷道處均存在高阻條帶,幾乎無法分析淺部的異常,帶來了兩側(cè)各40 m以上的解釋盲區(qū),圖13(b)則淺部與深部視電阻率分布合理清晰,有利于精細(xì)解釋。

圖13(b)中對應(yīng)斷層位置均有視電阻率曲線扭曲,吻合較好;進(jìn)一步與鉆探結(jié)果相印證可知,大量沒有打出水的鉆孔均對應(yīng)在圖上高阻區(qū)域,符合實(shí)際情況,3,4,6號鉆孔出水量較少,均對應(yīng)幅值較弱、范圍較小的低阻異?；虍惓＿吔?補(bǔ)1,2,4號鉆孔水量較大,都對應(yīng)上部回風(fēng)巷100～180 m位置的強(qiáng)低阻異常?？傮w來看,處理結(jié)果與實(shí)際吻合較好;圖13(a)部分區(qū)域與鉆探結(jié)果對應(yīng)不好,如9號鉆孔。

4 結(jié) 論

(1)找到了兩處關(guān)鍵影響因素:多匝回線電感影響和小線框固有過渡過程影響,針對這兩大特點(diǎn)分別進(jìn)行消除和偏移工作,可將礦井瞬變電磁實(shí)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為常規(guī)地面大線框瞬變電磁數(shù)據(jù)形態(tài),避免由于曲線畸變引起的處理解釋困難。

(2)用該方法對物理模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行計算,取得了明顯有利于反演的結(jié)果。

(3)針對煤礦常見的超前、底板及工作面內(nèi)部水害類型,選取了典型實(shí)際資料進(jìn)行了對比處理,取得了較常規(guī)方法精確且符合地質(zhì)驗(yàn)證情況的解釋。利用本文方法處理實(shí)測數(shù)據(jù),不需要引入經(jīng)驗(yàn)系數(shù),既無明顯盲區(qū),也沒有改變視電阻率的橫向分布特征,在煤礦水害勘探中具有實(shí)用性。

(4)本文僅計算了發(fā)射回線電感產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢,未考慮接收裝置帶來的電感影響,曲線偏移算法在應(yīng)用中可能出現(xiàn)同一測線不同測點(diǎn)計算出不同的偏移角度,產(chǎn)生一些不利于精細(xì)解釋的結(jié)果,因此還需要進(jìn)一步研究和完善。

[1] 于景邨,劉志新,劉樹才,等.深部采場突水構(gòu)造礦井瞬變電磁法探查理論及應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報,2007,32(8):818-821.

Yu Jingcun,Liu Zhixin,Liu Shucai,et al.Theoretical analysis of mine transient electromagnetic method and its application in detecting water burst structures in deep coal stope[J].Journal of China Coal Society,2007,32(8):818-821.

[2] 姜志海,岳建華,劉樹才.多匝重疊小回線裝置的礦井瞬變電磁觀測系統(tǒng)[J].煤炭學(xué)報,2007,32(11):1152-1156.

Jiang Zhihai,Yue Jianhua,Liu Shucai.Mine transient electromagnetic observation system of small multi-turn coincident configuration [J].Journal of China Coal Society,2007,32(11):1152-1156.

[3] 卡蘭塔羅夫,采伊特林.電感計算手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1986.

[4] 薛國強(qiáng).論瞬變電磁測深法的探測深度[J].石油地球物理勘探,2004,39(5):575-578.

Xue Guoqiang.On surveying depth by transient electromagnetic sounding method[J].Oil Geophysical Prospegting,2004,39(5): 575-578.

[5] 王建華.電氣工程師手冊(第三版)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[6] 王兆安,張明勛.電力電子設(shè)備和應(yīng)用手冊(第三版)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[7] Christian Harlander,Rainer Sabelka,Siegfried Selberherr.Efficient inductance calculation in interconnect structures by applying the Monte Carlo method[J].Microelectronics Journal,2003,34:815-821.

[8] Jan K Rainey,Jeffrey S DeVries,Brian D Sykes.Estimation andmeasurement of flat or solenoidal coil inductance for radiofrequency NMR coil design[J].Journal of Magnetic Resonance,2007, 187(1):27-37.

[9] Sijoy C D,Chaturvedi S.Calculation of accurate resistance and inductance for complexmagnetic coils using the finite-difference timedomain technique for electromagnetics[J].IEEE Transaction on Plasma Science,2008,36(1):70-79.

[10] Christisan Peters,Yiannos,Manol.Inductance calculation of planarmulti-layerand multi-wire coils:An analyticalapproach [J].Sensors and Actuators,2008,A145-146:394-404.

[11] 李文堯,武中華.瞬變電磁法矩形線圈自感的精確表達(dá)式[J].地質(zhì)與勘探,2010,46(1):160-164.

Li Wenyao,Wu Zhonghua.Accurate formula of self-inductance coefficient of rectangular coil in transient electromagnetic methods [J].Geology and Exploration,2010,46(1):160-164.

[12] 楊海燕,岳建華,胡文武,等.多匝回線的自感對瞬變電磁早期信號的影響特征[J].物探化探計算技術(shù),2007,29(2):96-98.

Yang Haiyan,Yue Jianhua,Hu Wenwu,et al.The characteristics of the early signal in tem affected by self-induction of multiturn coil [J].Computing Techniques for Geophysical and Geochemical Exploration,2007,29(2):96-98.

[13] 范 濤,王秀臣,李 貅,等.瞬變電磁方法在探測煤礦淺層高阻采空區(qū)中的應(yīng)用[J].西北地質(zhì),2010,43(2):156-162.

Fan Tao,Wang Xiuchen,Li Xiu,et al.Application of TEM detected goaf in coal mine with high-resistivity and shallow-layer[J].Northwestern Geology,2010,43(2):156-162.

[14] 李 貅.瞬變電磁測深的理論與應(yīng)用[M].西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社,2002.

[15] 范 濤,王 鵬,李文剛,等.瞬變電磁擬MT深度反演方法精細(xì)解釋煤礦水害研究[J].煤炭學(xué)報,2013,38(S1):129-135.

Fan Tao,Wang Peng,Li Wengang,et al.Research of simulated MT method with TEM depth inversion fine interpret the coal mine water disaster[J].Journal of China Coal Society,2013,38(S1): 129-135.

Research on inductance effect removing and curve offset for mine TEM with multi small loops

FAN Tao,ZHAO Zhao,WU Hai,LU Jing-jin,WANG Ji-kuang

(Xi’an Research Institute of China Coal Technology&Engineering Group Corp.,Xi’an 710077,China)

Small loops TEM method is widely used for water detection in underground coal mine in the past few years.However,the self and mutual inductance effect of multi-loops distorts the early time channel very badly,and the instinct transition area of small side-length loop upraises the signal of late time channel,both of which will disturb the accuracy of data processing and interpretation.In order to solve those problems,two steps were gave to eliminate the effect of small loops by analyzing the difference between underground mine TEM curves and ground TEM curves.Combining the relationship between inductance formula of multi-loops by analytical derivation and derivative of currenttime by actual measurement,the effect of small loop on early signals was removed by calculating the inductance electrodynamic potential that should be eliminated.Introducing the definition of curve offset,utilizing the relativity between the slope of attenuation curve and the exponent term of time,taking forward modeling curve as the fitting target,the influence of loop’s instinct transition area on late signal was corrected in a certain extent.By processing of a large amount of practical data from different types of mine water detection and comparing with other actual geology information from drilling exploration,the method is proved to be effective for achieving good data for accurate inversion and interpretation.It permits no more introducing of experimental parameters into the processing of mine TEM data.

P631

A

0253-9993(2014)05-0932-09

范 濤,趙 兆,吳 海,等.礦井瞬變電磁多匝回線電感影響消除及曲線偏移研究[J].煤炭學(xué)報,2014,39(5):932-940.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0619

Fan Tao,Zhao Zhao,Wu Hai,et al.Research on inductance effect removing and curve offset for mine TEM with multi small loops[J].Journal of China Coal Society,2014,39(5):932-940.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0619

2013-05-09 責(zé)任編輯:韓晉平

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41104087);“十二五”國家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2011ZX05040-002);“十二五”國家科技支撐計劃資助項(xiàng)目(2012BAK04B04)

范 濤(1983—),男,陜西安康人,助理研究員。Tel:029-81778063,E-mail:fantao4444@163.com