占文鋒武玉梁（.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑與測(cè)量工程學(xué)院,北京市石景山區(qū),0004; .四川省煤炭產(chǎn)業(yè)集團(tuán)公司,四川省成都市,6009）

?

全空間瞬變電磁法三維正演模擬
與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究?

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(cè)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(chǎng)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(chǎng)更強(qiáng)、衰減慢;低阻異常體積大,其二次場(chǎng)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(guò)小,早期接收信號(hào)可能為接收框感應(yīng)二次場(chǎng)。若關(guān)斷時(shí)間過(guò)大,晚期接收信號(hào)仍可能來(lái)自于接收框感應(yīng)二次場(chǎng)。因此,在井下運(yùn)用瞬變電磁法探測(cè)時(shí),其有效探測(cè)范圍是有限的。相比而言,低阻處淺部盲區(qū)小,探測(cè)淺;而其它位置盲區(qū)大,探測(cè)深。

關(guān)鍵詞Ansoft Maxwell軟件 瞬變電磁法 三維正演 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

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(zhì)問(wèn)題。地面瞬變電磁法的理論與技術(shù)成果雖然對(duì)礦井瞬變電磁法有著重要的借鑒作用,但仍面臨許多問(wèn)題,如發(fā)射與接收回線的自感、互感;如何消除一次場(chǎng)影響得到有效的瞬變電磁響應(yīng)信號(hào);觀測(cè)曲線能否真實(shí)反映地下介質(zhì)變化;關(guān)斷時(shí)間對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響等。研究表明,地下感應(yīng)二次場(chǎng)的強(qiáng)弱隨時(shí)間衰減的快慢與被探測(cè)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(guò)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(chǎng)的時(shí)空分布與變化規(guī)律,對(duì)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 Maxwell是世界著名的商用低頻電磁場(chǎng)有限元模擬軟件,可利用其自帶的外電路編輯功能,通過(guò)Ansoft Maxwell 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1 mm,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,0.9～1.2 s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2 A。各材料屬性設(shè)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(shè)置

2　巷道全空間感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度空間變化規(guī)律

2.1電流開(kāi)始關(guān)斷時(shí)感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度變化規(guī)律

供電電流從開(kāi)始關(guān)斷至完全關(guān)斷前（0.9～1.2 s）,一次場(chǎng)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(duì)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(chǎng)強(qiáng)度和分布范圍,隨著供電電流的減小,一次場(chǎng)強(qiáng)度和分布范圍均有不同程度的減小。

圖2　電流關(guān)斷前（0.9～1.2 s）一次場(chǎng)空間分布圖

2.2電流完全關(guān)斷時(shí)感應(yīng)磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)外,在接收框中亦激發(fā)較強(qiáng)的二次場(chǎng),而高阻體中激發(fā)的二次場(chǎng)則不甚明顯。二次場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)更強(qiáng);而低阻異常體較大,其二次場(chǎng)影響和分布范圍更廣,因而易被測(cè)得用于地質(zhì)解釋,如圖3所示。

圖3　電流關(guān)斷時(shí)（1.2 s）二次場(chǎng)空間分布圖

2.3電流關(guān)斷后感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度變化規(guī)律

供電電流關(guān)斷后（1.2～1.8 s）,二次場(chǎng)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(chǎng)分布范圍逐漸縮小,而接收框感應(yīng)二次場(chǎng)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(chǎng),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(cè)時(shí),其有效探測(cè)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。

圖4　電流關(guān)斷后（1.2～1.8 s）二次場(chǎng)空間分布圖

3　介質(zhì)對(duì)二次場(chǎng)的響應(yīng)特征

3.1同一時(shí)刻各介質(zhì)對(duì)二次場(chǎng)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(duì)感應(yīng)磁場(chǎng)相互影響和相互作用關(guān)系,可通過(guò)繪制電流關(guān)斷時(shí)刻（1.2 s）不同深度二次場(chǎng)強(qiáng)度變化曲線進(jìn)行對(duì)比分析,如圖5所示。由圖可知,低阻體周圍二次場(chǎng)強(qiáng)度曲線較高阻體變化大,表明高阻異常體對(duì)二次場(chǎng)影響不甚明顯,對(duì)二次場(chǎng)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（0～0.15 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(zhuǎn)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(guān)。

因此,應(yīng)用瞬變電磁法進(jìn)行井下探測(cè)時(shí),若關(guān)斷時(shí)間設(shè)置過(guò)小（＜1.2 s）,早期測(cè)量信號(hào)可能主要為接收框感應(yīng)二次場(chǎng),為探測(cè)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(cè)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(duì)二次場(chǎng)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(chǎng)對(duì)數(shù)隨時(shí)間變化曲線,見(jiàn)圖6。由圖可見(jiàn),供電電流關(guān)斷后,二次場(chǎng)隨時(shí)間呈指數(shù)快速衰減,且異常體頂部感應(yīng)二次場(chǎng)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(chǎng)相差亦大;關(guān)斷晚期,由于二次場(chǎng)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(chǎng)隨時(shí)間衰減更快,對(duì)二磁場(chǎng)反應(yīng)更加靈敏。

圖5　T＝1.2 s時(shí)不同深度二次場(chǎng)強(qiáng)度變化曲線

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(kāi),向工作面內(nèi)進(jìn)行探測(cè)。儀器為加拿大Geonics公司生產(chǎn)的Pro TEM 47瞬變電磁探測(cè)儀,測(cè)線長(zhǎng)度為50 m,測(cè)點(diǎn)間距5 m,依次編號(hào)1＃、2＃、……10＃,采用共面偶極裝置方式進(jìn)行探測(cè)。

該水平大巷自侏羅系中下統(tǒng)自流井組（J1－2z）底部開(kāi)口,向東依序穿過(guò)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(guān)組（T1f）,二疊系上統(tǒng)長(zhǎng)興組（P2c）、龍?zhí)督M（P2l）和下統(tǒng)茅口組（P1m）等地層,開(kāi)采背斜東、西兩翼的K1煤層。因擬建礦井主平硐和K1煤層開(kāi)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(duì)主平硐產(chǎn)生充水,后者對(duì)主平硐、暗斜井和煤層開(kāi)采系統(tǒng)均不同程度產(chǎn)生充水。距起測(cè)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。

圖6　高、低阻異常體中心點(diǎn)頂、底面處二次場(chǎng)對(duì)數(shù)隨時(shí)間變化曲線

影響一次場(chǎng)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(cè)點(diǎn)一次場(chǎng)強(qiáng)度變化如圖7所示,出水點(diǎn)附近（5＃與6＃測(cè)點(diǎn)之間）的一次場(chǎng)強(qiáng)度有明顯的跳躍增強(qiáng),且8＃測(cè)點(diǎn)處的變化更加明顯。為對(duì)比分析一次場(chǎng)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(cè)點(diǎn)處）實(shí)測(cè)二次場(chǎng),繪制二次場(chǎng)—時(shí)間對(duì)數(shù)變化曲線見(jiàn)圖8。由圖可知,早期（620 ns前）測(cè)得的二次場(chǎng)隨時(shí)間衰減較快,且曲線形態(tài)基本一致,說(shuō)明淺部物性差異小;晚期（620 ns后）測(cè)得的二次場(chǎng)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(cè)點(diǎn)處二次場(chǎng)明顯高于前二者,說(shuō)明深部物性差異較大。對(duì)比分析表明,低阻異常對(duì)二次場(chǎng)反應(yīng)更靈敏,其感應(yīng)二次場(chǎng)更強(qiáng)。由此可以推斷6＃測(cè)點(diǎn)深部為低阻異常。

圖7　各測(cè)點(diǎn)一次場(chǎng)強(qiáng)度變化曲線圖

圖8　二次場(chǎng)—時(shí)間對(duì)數(shù)變化曲線圖

實(shí)測(cè)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(cè)點(diǎn)處曲線形態(tài)相似且數(shù)值大小相近,6＃測(cè)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(cè)深處,三者差異最大。除此之外,6＃測(cè)點(diǎn)處淺部盲區(qū)小,探測(cè)深度小;而3＃、8＃測(cè)點(diǎn)處淺部盲區(qū)大,探測(cè)深度亦大,與三維模擬結(jié)果是一致的。所有測(cè)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(chǎng)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(duì)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(chǎng)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(chǎng)。接收框體電導(dǎo)率大,其中心二次場(chǎng)更強(qiáng);而低阻體體積較大,其二次場(chǎng)影響和分布范圍更廣;高阻體感應(yīng)的二次場(chǎng)則不甚明顯。相比而言,低阻處淺部盲區(qū)小,探測(cè)淺;其它位置盲區(qū)大,探測(cè)深。

圖9　3＃、6＃、8＃測(cè)點(diǎn)處視電阻率—深度變化曲線圖

圖10　視電阻率等值線圖

（2）應(yīng)用瞬變電磁法進(jìn)行井下探測(cè)時(shí),若關(guān)斷時(shí)間設(shè)置過(guò)小,早期測(cè)量的信號(hào)可能主要為接收框感應(yīng)的二次場(chǎng),為探測(cè)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(cè)點(diǎn)其盲區(qū)范圍也各不相同。

（3）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明,出水點(diǎn)附近一次場(chǎng)強(qiáng)度有明顯的跳躍,而二次場(chǎng)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(cè)點(diǎn)早期測(cè)得的二次場(chǎng)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(chǎng)出現(xiàn)跳躍,出水點(diǎn)處的二次場(chǎng)強(qiáng)度明顯高于其他測(cè)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(cè)深度淺;而正常地層區(qū)淺部盲區(qū)大,探測(cè)深度亦大。

參考文獻(xiàn):

［1］周嗣輝,于景邨,蔣宗霖.礦井瞬變電磁法三維可視化探測(cè)陷落柱應(yīng)用研究［J］.中國(guó)煤炭,2014 （4）

［2］孫玉國(guó),譚代明.全空間效應(yīng)下瞬變電磁法三維數(shù)值模擬［J］.鐵道工程學(xué)報(bào),2010（3）

［3］李惠云,趙玉輝.礦井偶極瞬變電磁技術(shù)的應(yīng)用效果與改進(jìn)［J］.中國(guó)煤炭,2014（5）

［4］劉亞軍,邱衛(wèi)忠,谷偉.深部巷道瞬變電磁觀測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化及其應(yīng)用［J］.中國(guó)煤炭,2013（2）

［5］趙晶.礦井瞬變電磁重疊回線耦合響應(yīng)三維正演模擬［J］.煤礦開(kāi)采,2013（3）

［6］梁慶華.礦井全空間小線圈瞬變電磁探測(cè)技術(shù)及應(yīng)用研究［D］.中南大學(xué),2012

［7］王東偉,劉志新,武俊文等.礦井瞬變電磁法在巷道迎頭超前探測(cè)中的應(yīng)用［J］.工程地球物理學(xué)報(bào),2011（4）

［8］胡雄武.巷道前方含水體的瞬變電磁響應(yīng)及探測(cè)技術(shù)研究［D］.安徽理工大學(xué),2014

［9］于生寶,林君.瞬變電磁法中發(fā)射機(jī)關(guān)斷時(shí)間的影響研究［J］.石油儀器,1999（6）

［10］楊云見(jiàn),王緒本,何展翔.考慮關(guān)斷時(shí)間效應(yīng)的瞬變電磁一維反演［J］.物探與化探,2005（3）

［11］白登海.瞬變電磁法中兩種關(guān)斷電流對(duì)響應(yīng)函數(shù)的影響及其應(yīng)對(duì)策略［J］.地震地質(zhì),2001（2）

［12］孫天財(cái),付志紅,謝品芳.斜階躍場(chǎng)源關(guān)斷時(shí)間對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響及校正研究［J］.工程地球物理學(xué)報(bào),2008（3）

［13］胡博.礦井瞬變電磁場(chǎng)數(shù)值模擬的邊界元法［D］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2010

［14］常江浩,于景邨,蔣宗霖.煤礦老空水瞬變電磁響應(yīng)特征數(shù)值模擬［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保,2014（3）

［15］蔣大青.瞬變電磁法全程正演模擬研究［D］.重慶大學(xué),2012

［16］趙博.Ansoft 12在工程電磁場(chǎng)中的應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社,2010

［17］李國(guó)才,徐亞昆,趙振廷等.基于Maxwell的瞬變電磁“8”字形發(fā)射線圈仿真分析［J］.科學(xué)技術(shù)與工程,2013（35）

［18］付志紅,余慈拱,侯興哲等.瞬變電磁法視電阻率成像的接地網(wǎng)斷點(diǎn)診斷方法.電工技術(shù)學(xué)報(bào),2014（9）

（責(zé)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(hào)P631

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

基金項(xiàng)目:?北京市教育委員會(huì)科技計(jì)劃面上項(xiàng)目（PXM2013_014225_097947）

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