占文鋒武玉梁（.北京工業(yè)職業(yè)技術學院建筑與測量工程學院,北京市石景山區(qū),0004; .四川省煤炭產業(yè)集團公司,四川省成都市,6009）

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全空間瞬變電磁法三維正演模擬
與現(xiàn)場試驗研究?

占文鋒1武玉梁2
（1.北京工業(yè)職業(yè)技術學院建筑與測量工程學院,北京市石景山區(qū),100042; 2.四川省煤炭產業(yè)集團公司,四川省成都市,610091）

摘要運用Ansoft Maxwell有限元軟件模擬井下瞬變電磁法的運用,設計斜階躍方波脈沖激勵,進行瞬態(tài)求解,重點研究電流關斷前后感應磁場的時空分布與變化規(guī)律。三維模擬表明:接收框體電導率大,其中心二次場更強、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。在實際應用時,若關斷時間過小,早期接收信號可能為接收框感應二次場。若關斷時間過大,晚期接收信號仍可能來自于接收框感應二次場。因此,在井下運用瞬變電磁法探測時,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。

關鍵詞Ansoft Maxwell軟件 瞬變電磁法 三維正演 現(xiàn)場試驗

瞬變電磁法被廣泛用于解決煤層頂?shù)装?、采空區(qū)、含水陷落柱等水文地質問題。地面瞬變電磁法的理論與技術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信號;觀測曲線能否真實反映地下介質變化;關斷時間對測量結果的影響等。研究表明,地下感應二次場的強弱隨時間衰減的快慢與被探測地質異常體的規(guī)模、產狀、位置和導電性能密切相關。因此,通過礦井三維瞬變電磁法正演模擬技術,研究供電電流關斷前后二次場的時空分布與變化規(guī)律,對于準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意義。

1　模型及參數(shù)設計

Ansoft Maxwell是世界著名的商用低頻電磁場有限元模擬軟件,可利用其自帶的外電路編輯功能,通過Ansoft Maxwell 3D瞬態(tài)求解器進行分析,從而實現(xiàn)更加符合實際的模擬計算。為模擬井下瞬變電磁法共面裝置方式,設計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1 mm,中心點相距100 mm。裝置下方200 mm處設置兩圓柱體異常,直徑100 mm,高50 mm,中心點相距300 mm,分別模擬地下采空區(qū)和富水區(qū)。圍巖設置為直徑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設為電流線性上升階段,0.3～0.9 s設為電流穩(wěn)定階段,0.9～1.2 s設為電流下降階段,1.2～1.8 s設為電流恒零階段,最大供電電流為2 A。各材料屬性設置如表1所示。

圖1　地下全空間模型示意圖

表1　模型各材料屬性設置

2　巷道全空間感應磁場強度空間變化規(guī)律

2.1電流開始關斷時感應磁場強度變化規(guī)律

供電電流從開始關斷至完全關斷前（0.9～1.2 s）,一次場強度最大值位于發(fā)射框中心處,并呈同心環(huán)狀向周圍介質傳播,如圖2所示。當電磁波傳播到下方異常體時,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的吸收和干擾作用。穿越異常體后,電磁波傳播恢復正常。供電電流大小影響一次場強度和分布范圍,隨著供電電流的減小,一次場強度和分布范圍均有不同程度的減小。

圖2　電流關斷前（0.9～1.2 s）一次場空間分布圖

2.2電流完全關斷時感應磁場強度變化規(guī)律

供電電流完全關斷時（1.2 s）,一次場迅速衰減至基本消失。除在低阻體中激發(fā)出較強的二次場外,在接收框中亦激發(fā)較強的二次場,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)狀向周圍介質擴散傳播,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。由于接收框體電導率大,其中心二次場更強;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解釋,如圖3所示。

圖3　電流關斷時（1.2 s）二次場空間分布圖

2.3電流關斷后感應磁場強度變化規(guī)律

供電電流關斷后（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率小,衰減較快,而接收框體電導率大,衰減較慢。因此,在電流關斷后,低阻體感應二次場分布范圍逐漸縮小,而接收框感應二次場分布范圍逐漸擴大,如圖4所示。在1.8 s時刻,地下空間基本分布接收框感應二次場,導致關斷晚期采集的信號能否真實反映深部地質信息存疑。因此,在井下運用瞬變電磁法探測時,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系。

圖4　電流關斷后（1.2～1.8 s）二次場空間分布圖

3　介質對二次場的響應特征

3.1同一時刻各介質對二次場的響應特征

為討論高阻異常體、低阻異常體和接收框三者對感應磁場相互影響和相互作用關系,可通過繪制電流關斷時刻（1.2 s）不同深度二次場強度變化曲線進行對比分析,如圖5所示。由圖可知,低阻體周圍二次場強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作用的是具有較低電阻的發(fā)射框和低阻體。淺部（0～0.15 m）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移;深部（0.2～0.5 m）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。

因此,應用瞬變電磁法進行井下探測時,若關斷時間設置過小（＜1.2 s）,早期測量信號可能主要為接收框感應二次場,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)、線圈材質影響外,還與地下介質物性、異常體物性、規(guī)模、埋深等因素有關。因此,不同測點其盲區(qū)范圍也各不相同。

3.2不同時刻各介質對二次場的響應特征

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)隨時間變化曲線,見圖6。由圖可見,供電電流關斷后,二次場隨時間呈指數(shù)快速衰減,且異常體頂部感應二次場強度比底部高。關斷早期,由于不同異常體物性差異大,感應二次場相差亦大;關斷晚期,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,表明其二次場隨時間衰減更快,對二磁場反應更加靈敏。

圖5　T＝1.2 s時不同深度二次場強度變化曲線

4　驗證試驗

本次試驗在擬建龍門峽南礦水平大巷展開,向工作面內進行探測。儀器為加拿大Geonics公司生產的Pro TEM 47瞬變電磁探測儀,測線長度為50 m,測點間距5 m,依次編號1＃、2＃、……10＃,采用共面偶極裝置方式進行探測。

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（J1zh）,三疊系上統(tǒng)須家河組（T3xj）、中統(tǒng)雷口坡組（T2l）、下統(tǒng)嘉陵江組（T1j）、飛仙關組（T1f）,二疊系上統(tǒng)長興組（P2c）、龍?zhí)督M（P2l）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)均不同程度產生充水。距起測點約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。

圖6　高、低阻異常體中心點頂、底面處二次場對數(shù)隨時間變化曲線

影響一次場強度的因素很多,包括供電電流大小、線圈匝數(shù)、線圈的性質、地下介質的物性等。各測點一次場強度變化如圖7所示,出水點附近（5＃與6＃測點之間）的一次場強度有明顯的跳躍增強,且8＃測點處的變化更加明顯。為對比分析一次場變化的原因及規(guī)律,分別選擇出水點附近及其左右兩側（3＃、6＃、8＃測點處）實測二次場,繪制二次場—時間對數(shù)變化曲線見圖8。由圖可知,早期（620 ns前）測得的二次場隨時間衰減較快,且曲線形態(tài)基本一致,說明淺部物性差異小;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更靈敏,其感應二次場更強。由此可以推斷6＃測點深部為低阻異常。

圖7　各測點一次場強度變化曲線圖

圖8　二次場—時間對數(shù)變化曲線圖

實測數(shù)據(jù)經軟件反演后,繪制視電阻率—深度變化曲線如圖9所示,3＃、8＃測點處曲線形態(tài)相似且數(shù)值大小相近,6＃測點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＃測點處淺部盲區(qū)小,探測深度小;而3＃、8＃測點處淺部盲區(qū)大,探測深度亦大,與三維模擬結果是一致的。所有測點經反演后,繪制視電阻率等值線如圖10所示,出水點處與兩側圍巖相比,呈現(xiàn)明顯的低阻異常反映,并與深部低阻異常區(qū)連通。經礦方鉆孔驗證,約62 m進尺處出現(xiàn)破碎帶。

5　結論

（1）一次場向周圍介質傳播時,若遇到地質異常體,由于物性差異會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的吸收和干擾作用。供電電流關斷后,一次場迅速衰減,并在低阻異常體和接收框中均激發(fā)較強的二次場。接收框體電導率大,其中心二次場更強;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。

圖9　3＃、6＃、8＃測點處視電阻率—深度變化曲線圖

圖10　視電阻率等值線圖

（2）應用瞬變電磁法進行井下探測時,若關斷時間設置過小,早期測量的信號可能主要為接收框感應的二次場,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)、線圈材質影響外,還與地下介質物性、異常體物性、規(guī)模、埋深等因素有關。因此,不同測點其盲區(qū)范圍也各不相同。

（3）現(xiàn)場實測表明,出水點附近一次場強度有明顯的跳躍,而二次場曲線形態(tài)與深部異常區(qū)的位置有關。當淺部物性差異較小時,不同測點早期測得的二次場曲線形態(tài)基本一致;當深部物性差異較大時,晚期二次場出現(xiàn)跳躍,出水點處的二次場強度明顯高于其他測點。出水點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。

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（責任編輯郭東芝）

Study on 3D forward modeling and field test of full-space transient electromagnetic method

Zhan Wenfeng1,Wu Yuliang2
（1.School of Architecture and Surveying Engineering,Beijing Polytechnic College, Shijingshan,Beijing 100042,China; 2.Sichuan Coal Industry Group Co.,Ltd.,Chengdu,Sichuan 610091,China）

AbstractThe oblique step pulse current was designed by finite element software Ansoft Maxwell,Which was used to simulate the vtilization of transient electromagnetic method in mine and was supplied the transient solving,and the temporal and spatial distribution and variation rule of the induced electromagnetic field before and after the electric current turn-off were studied.The results showed that the larger the electrical conductivity of receiving loops,the stronger the center secondary field and the slower the attenuation;the larger the volume of abnormal object with low resistivity,the larger the influence and distribution range of the secondary field and the faster the attenuation.In practical application,if the turn-off time was too short,the early phase signal might be the secondary field of the receiving loops.If the turn-off time was too long, the later phase signal might also come from the secondary field of the receiving loops.Therefore, the effective detection range was limited,the blind area was smaller and the detection depth was small at shallow position of low resistivity object,but that was contrary at other positions.

Key wordsAnsoft Maxwell software,transient electromagnetic method,3D forward modeling,field test

中圖分類號P631

文獻標識碼A

基金項目:?北京市教育委員會科技計劃面上項目（PXM2013_014225_097947）

作者簡介:占文鋒（1979－）,男,湖北武漢人,博士學歷,副教授,主要從事物探方面的教學與科研工作。