摘要：根據(jù)礦井瞬變電磁理論和電磁感應原理，遵循物理模擬相似性準則，通過物理模擬實驗研究有多個低阻體沿探測深度方向分布時或淺層存在低阻屏蔽效應時，礦井瞬變電磁法所探測的異常相應特征。實驗結論：在沿探測深度方向上存在多個物性參數(shù)相似的低阻體或表層存在低阻薄層時，表層低阻屏蔽效應掩蓋或壓制了深部低阻體的瞬變電磁響應，使之在感應電位多測道剖面圖中所呈現(xiàn)的響應形態(tài)和變化規(guī)律表現(xiàn)出單一低阻體的特征，這會使得隱伏在低阻干擾體背后的目標體分辨，此時應結合區(qū)內(nèi)其他資料進行綜合解釋或借助其他輔助手段，從而得到可靠的地質(zhì)結果。

關鍵詞：礦井瞬變電磁 物理模擬實驗 縱向響應特征

1 概述

近年來，憑借自身在探測方向性強、體積效應小、橫向分辨率高等方面的優(yōu)勢，礦井瞬變電磁法得到快速的發(fā)展，并且廣泛應用到礦井工作面、巷道超前探測、回采面頂?shù)装宓确矫鎇1]。在探查礦井內(nèi)隱伏的含水斷層、導水通道，以及巖溶陷落柱效果方面，礦井瞬變電磁法勘探技術特別明顯，在一定程度上能夠為煤礦巷道開挖和工作面回采快速準確地提供相應的地質(zhì)水文資料。

2 礦井瞬變電磁原理

瞬變電磁法是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間利用線圈或接地電極觀測地下介質(zhì)中引起的二次感應渦流場，從而探測介質(zhì)電阻率的一種方法。借助所接收的瞬變電磁信號對其變化情況展開分析，以便掌握沿地層介質(zhì)探測方向的變化規(guī)律[2，3]。礦井瞬變電磁法適用于采深幾百米的煤層或巖層巷道。除此之外，它與地面瞬變電磁的工作原理無明顯差異。在煤、巖巷道內(nèi)使用礦井瞬變電磁法時，必須使用邊長小于3m的多匝小回線裝置，要在狹窄的巷道內(nèi)使用大回線探測裝置總歸不現(xiàn)實。[2，6]此外，礦井瞬變電磁法采用來自于回線平面上下（或兩側） 地層的全空間瞬變響應，我們通常稱之為煙圈效應。[4，5]這也是該模式不同于半空間地層響應的地面瞬變電磁法的一大特點。地面瞬變電磁法從地表以下的半空間地層接收響應，詳見圖1。另外，鑒于礦井順便電磁法是從巷道周圍空間有效探測范圍內(nèi)所有介質(zhì)巖層接收電性特征的綜合響應來形成感應電動勢，礦井瞬變電磁法全空間巖層電性特征的綜合響應——視電阻率，須按以下公式計算：

ρτ=B×C■（■）■=B×C×6.32×10-12×（S×N）■×（s×n）■×（V/I）■×t■（1）

其中：

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3 礦井瞬變電磁法物理模擬實驗設計

在野外環(huán)境進行電磁法勘探，可通過物理模擬實驗了解電磁響應特征。處于野外環(huán)境中的巖（礦）石的質(zhì)地和性質(zhì)會有很大的變化，研究者無法通過數(shù)字解析式來表示目的物的響應。研究者借助性能卓越的電子計算機使用了有限元、有限差分等近似數(shù)值解法，的確擴大了解析范圍，但是不可否認還有一部分問題無法解決。此外，所得近似解因缺少一套嚴格的解析解進行對比，研究者不得不對所得近似解進行物力模擬[4，5]來檢驗其近似程度和準確性。

物理模型及線圈參數(shù)設計。水平層狀礦井是比較典型的研究案例。處于頂板與底板之間的煤層就相當于高電阻率介質(zhì)。掘進巷道設在煤層之中（詳見圖2）。采煤工作面掘進巷道斷面通常高2～4m，寬約3～5m。探測者此次針對綜掘面頂（底）板處高發(fā)型水害的瞬變電磁響應特征進行物理模擬。因此，假設頂?shù)装搴兔簩拥碾娮杪氏嗤?，即巷道處于均勻全空間介質(zhì)中。

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圖2 礦井地質(zhì)模型示意圖

進行模擬實驗時，用銅棒對柱狀低阻異常情況（如含水陷落柱、直立導水通道等）進行模擬；用紫銅板對片狀低阻異常情況（如富水裂隙、斷層等）進行模擬；用以模擬圍巖介質(zhì)的黃沙必須是含不同鹽水成分的黃沙。在實驗中，應基于線圈發(fā)射功率及相似性原則選擇適合物理模擬實驗的線圈組合。繞制接收線圈的漆包線直徑0.1mm；繞制發(fā)射線圈的漆包線直徑0.15mm，用等邊矩形塑料框架作回線支架，并且采用重疊回線式線圈組合裝置進行物理模擬。表1給出了具體參數(shù)。

4 縱向多個異常響應模擬實驗

縱向多個異常響應模擬實驗是針對井下瞬變電磁法沿探測深度方向存在的多個低阻體影響或淺層存在的低阻屏蔽影響情形下的異常響應特征開展模擬試驗。兩銅棒沿探測深度方向呈不同距離分布時的響應特征模擬實驗規(guī)劃詳見圖3。在圖中，銅棒1與測線相距10cm（即d=10cm）。銅棒2到銅棒1之間的距離r設定為四種情形，即r=0、r=5、r=10、r=20，使兩銅棒在同一條垂直于測線的直線上同側移動，并且兩銅棒也和回線同處于一平面上。探測方向存在淺層低阻屏蔽的異常響應特征模擬實驗見圖4。圖中，銅棒1緊鄰銅板靠在其后，銅板到測線的水平距離d為5cm，銅板與銅棒之間的連線垂直于測線。圖5所示感應電位多測道剖面圖與圖3的實驗對應，圖6所示感應電位多測道剖面圖與圖4實驗對應。通過算術坐標顯示橫軸來表示測點，測點之間相距5cm；通過對數(shù)坐標顯示縱軸來表示感應電位（即感應電動勢與感應電流的比值），單位uV。

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圖3 雙銅棒在探測深度方向上的響應特征模擬實驗設計示意圖

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圖 4 探測方向存在低阻屏蔽的異常響應特征模擬實驗設計示意圖

由圖5得知，所有感應電位剖面曲線均為“拱形”，各曲線的變化情況以及感應電位幅值極為相似，由此可推斷，其瞬變電磁響應基本一致。其中，圖（a）為銅棒1所對應的感應電位曲線，感應電位極大值大值為3.0×103uV；相較于圖（a）來說，圖（b）所示銅棒1與銅棒2共同呈現(xiàn)的曲線變化情況，除了電位最大值有增大的趨勢以外，其他部分變化不明顯。而且圖（c）、（d）、（e）、（f）的曲線變化趨勢也基本類似于圖（b）。也就是說，最終的響應結果與銅棒2之間不存在必然的聯(lián)系。由此初步判定，探測裝置在銅棒1所產(chǎn)生的低阻屏蔽效應的影響下無法對銅棒2的感應場作出明顯的響應。

基于上述結論對圖6進行分析。其中，（a）不放銅棒時感應點位曲線所呈現(xiàn)的形態(tài)及變化情況基本類似于圖（b）放銅棒時的情況，并且二者的感應電位極大值近似。這表明，淺層有銅板存在時，深層的銅棒基本不影響瞬變電磁響應。

基于瞬變電磁理論和電磁感應原理作進一步探索[7-10]：假設礦井瞬變電磁法探測進程中存在淺層存在低阻薄層或其他良導體影響探測方向及探測深度，探測天線所產(chǎn)生的一次電磁場從淺層低阻體穿過時，僅有少量一次電磁波能量透射或反射出去，余下的則以熱損耗的形式衰減。一次透射電磁波從淺層低阻穿過時能量明顯弱化，當其達到淺層低阻背后深層低阻體時所呈現(xiàn)的二次感應場也是相當弱的。由淺層低阻體產(chǎn)生的二次場源固然能激發(fā)深層低阻的二次感應，但在良導體之間反復振蕩消失的這部分電磁波能量就無法穿越淺層低阻體返回接受天線，這是深層低阻體的響應特征無法通過感應電位剖面圖得出觀測結果的主要原因。

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5 結論

本文基于沿探測深度方向上的礦井瞬變電磁法在受多個低阻體影響或淺層存在低阻屏蔽影響時所呈現(xiàn)的異常響應特征實施了物理模擬實驗，結論如下：

①實施礦井瞬變電磁探測的過程中，假設若干個物性參數(shù)基本一致的低阻體分布于深度的方向上，淺層低阻體屏蔽深部低阻體的瞬變電磁響應而使之被掩蓋或被壓制，則在感應電位多測道剖面圖中會呈現(xiàn)單一低阻體的響應形態(tài)及規(guī)律。②實施礦井瞬變電磁探測的過程中，假設低阻薄層分布于圍巖表層產(chǎn)生屏蔽效應，會弱化隱伏于低阻干擾體背后的目標異常響應，并可能使之不易分辨。

在這種情況下，要求探測人員對測深頻率、天線組合類型進行調(diào)整，細致分析該區(qū)域的地質(zhì)水文、鉆探、物探等情況，或借助其他辦法進行進一步驗證，由此獲得比較客觀的地質(zhì)結果，從而確保探測結果科學實用。

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作者簡介：胡兵（1985-），男，江蘇宿遷人，碩士研究生，江蘇建筑職業(yè)技術學院，主要研究方向：礦產(chǎn)資源勘查研究工作和物探教學工作。