占文鋒，武玉梁，王 強

（1.北京工業(yè)職業(yè)技術學院建筑與測量工程學院，北京 100042；2.四川省煤炭產業(yè)集團公司，成都 610091）

關斷時間效應及其瞬變電磁場響應特征探析

占文鋒1，武玉梁2，王 強1

（1.北京工業(yè)職業(yè)技術學院建筑與測量工程學院，北京 100042；2.四川省煤炭產業(yè)集團公司，成都 610091）

在非理想關斷情況下，關斷時間大小將影響反演結果。通過設置不同的關斷時間，開展全程信號的瞬變電磁場變化規(guī)律研究。結果表明：一次場隨著關斷時間的增加呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，并影響到觀測的二次場強度。因此要獲得較高質量的反演數(shù)據(jù)，發(fā)送高質量的一次場尤為重要。電流關斷前，受一次場減弱和起始采樣時間延遲的影響，二次場強度隨關斷時間的增加而逐漸減小。電流關斷后，受信噪比降低、深部電性差異等影響，二次場強度曲線存在跳躍，但差異不大。若關斷時間過小，則反演深度較淺，且可能疊加一次場，導致信號失真；若關斷時間過大，則易丟失淺部信息，造成較大的勘探盲區(qū)。因此現(xiàn)場探測時，需選擇最佳的關斷時間，既要滿足勘探深度的要求，又盡可能不損失淺部信息，才能獲得穩(wěn)定、高質量的數(shù)據(jù)。

瞬變電磁；關斷時間；一次場；二次場

1 問題提出

瞬變電磁法利用不接地回線發(fā)送一次脈沖電磁場，在一次脈沖電磁場的間歇期間，通過觀測與研究二次渦流場隨時間變化規(guī)律來探測介質的電性差異。然而，發(fā)射電流不可能用零時間關斷，導致實際觀測數(shù)據(jù)含有斜階躍效應[1]。如圖1所示T0～T1期間為發(fā)射電流關斷過程中，包括一次場與二次場混合信號；T1～T2期間為發(fā)射電流關斷后早期時段；T2之后為實際中晚期采樣記錄時間。目前國內外針對瞬變電磁法解釋研究多從T2之后，舍棄關斷過程與關斷早期信號[2]。

在非零關斷情況下，發(fā)射機硬件開關的性能、線圈對瞬變電磁場的響應、線圈之間的耦合互感、位移電流等作用，均會影響關斷時間的大小[3-5]。如果忽略了這一關斷時間，就會在前幾個通道的視電阻率上產生很大誤差，直接影響到解釋結果[6-10]。如果關斷時間沒有足夠短，則淺層地質信號會包含在關斷過程中[11-12]。這就要求分析關斷過程中二次場的變化規(guī)律，從中找出剔除一次場影響的方法，進而得到純凈的二次場信號進行有效反演，以便解釋地下地質結構。國內外研究多是面向關斷之后的反演解釋，對關斷過程中的一、二次場，尤其是純二次場的變化研究較少[13]。因此，在非理想關斷情況下，選擇合適的試驗場所，開展全程信號（尤其是關斷過程中與關斷后早期）的瞬變電磁場變化規(guī)律研究，對瞬變電磁法精確反演具有重要意義。

圖1 不同關斷階段瞬變電磁場響應示意圖Figure 1 Schematic diagram of transient electromagnetic field response at different T/O stages

2 試驗區(qū)概況

2.1 試驗區(qū)地質特征

風凰洞煤礦位于四川省廣安市鄰水縣，主采二疊系龍?zhí)督MK1煤層，平均煤厚1.28 m。煤層直接頂板為0.30～0.50 m厚的炭質泥巖，間接頂板為中厚層粉砂巖、細砂巖，直接底板為灰黑色炭質泥巖。目前，+730 m平硐和軌道下山南翼的+667 m水平以上為采空區(qū)，淺部K1煤層已開采，礦區(qū)上部零星分布老窯。據(jù)四川省安科院對其水害隱患分析資料，礦區(qū)范圍內大部分采空區(qū)已充水，礦井正常涌水量12.5 m3/h，最大涌水量20.0 m3/h，礦井水均從現(xiàn)有+ 730 m平硐自然流出。礦井中部采空積水量約65072 m3，南部積水量約36 260 m3，二采區(qū)生產時可能受水患威脅。

2.2 試驗方案與參數(shù)選擇

本次瞬變電磁探測沿運輸大巷迎頭布設兩條測線，各5個測點，每測點按15°偏轉，分別探測撐面前方水平方向和垂直方向各一個扇形區(qū)（圖2）。距迎頭約100 m處為鄰近采空區(qū)邊界。設備選用加拿大Geonics公司Protem47HP型瞬變電磁儀，發(fā)射框1.5 m×1.5 m，發(fā)射電流2.1±0.05A，發(fā)射頻率為25 Hz，采樣門設為30門，觀測時窗為6971.2 μs。關斷時間設置頗為關鍵，一般通過查詢操作手冊并結合現(xiàn)場試驗確定，本次操作手冊查詢值為165 μs。對于相同的工作裝置和參數(shù)，關斷時間一般固定。為研究不同階段感應磁場的變化規(guī)律，本次試驗分別設置145 μs、155 μs、165 μs、170 μs、175 μs等5個關斷時間開展對比試驗，并將其劃分為電流關斷前（145 μs和155 μs）、電流關斷時（165 μs）、電流關斷后（170 μs和175 μs）三個階段（圖3）。理想狀況下，145 μs和155 μs測得的應為一次場與二次場疊加數(shù)據(jù)，165 μs測得的為電流關斷時的純二次場數(shù)據(jù)，170 μs和175 μs測得的為電流關斷后的純二次場。通過觀測各階段一次場、二次場變化規(guī)律，從而確定出最佳關斷時間，為精確反演提供依據(jù)。

圖2 井下探測工程布置示意圖Figure 2 Schematic diagram of underground prospecting engineering layout

圖3 不同關斷時間分段示意圖Figure 3 Schematic diagram of different T/O time segmentation

3 電流關斷過程中電場變化規(guī)律

3.1 不同關斷時間原始一次場、二次場變化規(guī)律

選擇不同關斷時間下一次場、二次場實測數(shù)據(jù)，繪制其變化曲線如圖4所示。圖4a表明一次場隨著關斷時間的增加，呈現(xiàn)跳躍減小的趨勢。

圖4 中心點處不同關斷時間原始一次場、二次場變化曲線Figure 4 Different T/O time primary and secondary field variation curves at center point

二次場的強弱、方向和分布規(guī)律不僅取決于導體的電磁性質、大小、產狀等因素，還與一次場的強度、頻率及其與異常體間的感應耦合有關。因此，一次場的強弱會間接影響到觀測的二次場強度。由于受參數(shù)、儀器穩(wěn)定性及現(xiàn)場環(huán)境等影響，155 μs較145 μs時二次場衰減曲線更為理想可靠（圖4b），故分析時以155 μs為主，145 μs僅作參考。

圖4b表明，在1582.5 μs（圖4b虛線處）之前，二次場強度隨關斷時間增加而逐漸減小。原因可能是隨著關斷時間增加，受一次場影響逐漸減弱的緣故；另一方面由于發(fā)射電流需要一個很短的附加時間才能穩(wěn)定至零，所以采樣時間均在關斷之后略晚一點開始（本次為6.8 μs），故關斷時間不同，其起始觀測時間亦不同，關斷時間越小，其起始觀測時間越早，信號愈強。1582.5 μs之后，一方面由于晚期信噪比降低引起各二次場強度曲線存在跳躍；另一方面，鑒于整體曲線此時均呈反向增大形態(tài)，推測為低阻異常體影響所致（低阻體較高阻體衰減慢）。

3.2 不同關斷時間電阻率-深度變化規(guī)律

原始數(shù)據(jù)經BETEM軟件反演擬合后，繪制電阻率—深度變化曲線（圖5），除145 μs曲線形態(tài)不完整外，其它四條曲線形態(tài)基本相似。但不同關斷時間反演深度各不相同。155 μs時為15～70 m，165 μs時為15～60 m，170 μs時為20～120 m、175 μs時為20～140 m。

當關斷時間較小時，觀測早、中期信號多，晚期信號少，反映淺部地電信息多；當關斷時間較大時，早期信號少，中、晚期信號多，反映深部地電信息多。因此，隨著關斷時間的增加，反演深度亦增加，最后趨于穩(wěn)定。同時，隨著關斷時間的增加，電阻率—深度關系曲線反映的局部信息更加豐富。

圖5 中心點處各關斷時間條件下電阻率—深度關系曲線Figure 5 Resistivity-depth curves under various T/O time conditions at center point

將上述曲線綜合繪制如圖6所示，分析表明關斷時間的大小最終影響到反演結果。關斷時間小，則反演深度較淺；若關斷時間過大，則易丟失淺部信息，造成較大的勘探盲區(qū)。因此現(xiàn)場探測時，需根據(jù)操作手冊和現(xiàn)場試驗，確定最佳關斷時間。

圖6 中心點處各關斷時間條件下電阻率—深度對比關系曲線Figure 6 Resistivity-depth correlation curves under various T/O time conditions at center point

通過數(shù)據(jù)對比分析，本次關斷時間選擇170 μs（＞165 μs），既滿足了勘探深度的要求，又盡可能不損失淺部信息。在隨后的測試過程中，獲得了穩(wěn)定的、高質量的觀測數(shù)據(jù)。

4 電流關斷后純二次場變化規(guī)律

4.1 同一關斷時間原始一次場、二次場變化規(guī)律

確定最佳關斷時間（170 μs）后，對水平方向（E1）和垂直方向（N1）兩條測線共進行了10組數(shù)據(jù)測量，并繪制出原始記錄的一次場、二次場實測數(shù)據(jù)變化曲線。

圖7表明，在同一關斷條件下，不同測點處的一次場并無明顯的變化規(guī)律。各測點二次場曲線在1582.5 μs之前基本吻合；1582.5 μs之后雖然有跳躍，但其相互之間差異較?。?.001～0.01），除與前述信噪比降低有關外，也可能與不同測點深部介質電性差異有關。

圖7 不同點處同一關斷時間原始記錄一次場、二次場變化曲線Figure 7 Original record primary and secondary field variation curves at different points with identical T/O time

4.2 同一關斷時間電阻率-深度變化規(guī)律

原始數(shù)據(jù)經BETEM軟件反演擬合后，分別繪制水平方向和垂直方向電阻率等值線圖（圖8），分析表明：掘進迎頭20～120 m內（20 m以內為盲區(qū)），電阻率隨探測深度的增加而逐漸減小，且在80m深度前方及中心點兩側均出現(xiàn)低阻異常反映，推斷為鄰近采空區(qū)邊界。

圖8所示水平方向和垂直方向電阻率分布特征與低阻異常區(qū)的位置均能產生很好的對應關系，最大的不同在于中心點處的電阻率值差異較大。為分析其原因，將中心點處的數(shù)據(jù)加以對比。

4.2.1 一次場、二次場差異

將水平方向和垂直方向中心點處歸一化的磁場變化率?B/?T（DB）進行對比，可得到如圖9所示曲線，兩者形態(tài)差異較大，可能受巷道正后方掘進機干擾所致。對比分析表明：水平方向早期信號豐富，晚期信號偏少；而垂直方向早期信號偏少，晚期信號豐富，這會導致不同方向上反演的深度信息存在差異。雖然水平方向的二次場高于垂直方向，但兩者在尾枝（圖9中紅色圓圈處）均呈現(xiàn)前述二次場反轉增加。

圖8 水平方向（左）和垂直方向（右）電阻率等值線圖Figure 8 Horizontal(left)and vertical(right)resistivity isograms

圖9 水平方向和垂直方向中心點計算DB對比圖Figure 9 Horizontal and vertical center points computed dB correlation

4.2.2 電阻率-深度曲線差異

圖10為不同方向電阻率—深度關系曲線，垂直方向中心點處的電阻率值均比水平方向電阻率值高，而其它測點之間的差異不大。對比分析，垂直方向反演深度深（-30～-100 m），但盲區(qū)大（＞30 m）；而水平方向反演深度淺（-20～-70 m），但盲區(qū)?。ǎ?0 m）。因此對中心測點進行解譯分析時，可參考其它測點的反演結果。雖然各條曲線形態(tài)存在差異，但并未改變電阻率隨深度增加而逐漸減小的趨勢，表明不同方向的探測結果基本是一致的。

圖10 水平方向和垂直方向中心點電阻率-深度曲線Figure 10 Horizontal and vertical center points resistivity-depth curves

5 結論

（1）一次場隨關斷時間增加，呈逐漸減小趨勢，并間接影響二次場強度。電流關斷前，受一次場影響減弱和起始采樣時間延遲影響，二次場強度隨關斷時間增加而逐漸減小。電流關斷后，受信噪比降低、深部電性差異等影響，各二次場強度曲線存在跳躍，但差異不大。

（2）關斷時間的大小會影響反演結果。若關斷時間過小，則反演深度較淺；若關斷時間過大，則易丟失淺部信息，造成較大的勘探盲區(qū)，因此現(xiàn)場探測時，需選擇最佳的關斷時間，既要滿足勘探深度的要求，又盡可能不損失淺部信息。

（3）在同一關斷條件下，不同測點處的一次場并無明顯的規(guī)律性變化。雖然各測點二次場曲線形態(tài)及反演電阻率-深度曲線均存在差異，但并未改變電性介質變化的基本規(guī)律，表明不同方向的探測結果基本是一致的。但受儀器性能、現(xiàn)場試驗條件、采集數(shù)據(jù)質量和數(shù)量等諸多因素影響，以上工作有待今后更多工程實踐進行檢驗和深化。

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Study on Turn-off Time Effect and Its Transient Electromagnetic Field Response Characteristics

Zhan Wenfeng1,Wu Yuliang2and Wang Qiang1
(1.School of Architecture and Surveying Engineering,Beijing Polytechnic College,Beijing 100042; 2.Sichuan Coal Industry Group Co.Ltd.,Chengdu,Sichuan 610091)

The effect of current turn-off(T/O)time is a knotty problem in TEM,which could affect the inversion results.By setting different T/O time,a study on variation of transient electromagnetic field has been carried out.The study has shown that the primary field decreasing along with the increasing of T/O time,which has directly influenced the secondary field intensity.In order to obtain highquality observation data,the quality of the primary field is also very important.During the current shutdown,affected by the primary field and the delay of initial sampling time,the secondary field intensity has decreased along with the T/O time.After the current shutdown,effected by signal-to-noise ratio decreasing,and deep part electrical property contrast,on the secondary field intensity curves will arise some jumps,but the difference is not significant.If the T/O time is too small,the inversion depth will be shallow,or may be superimposed with the primary field,thus will cause inversion results distortion.If the T/O time is too large,the shallow information will be easily lost and produced greater prospecting blind zones.Therefore,in order to obtain stable and high-quality observed data,it is necessary chosen best T/O time to meet requirements of prospecting depths,and without shallow part information losing.

transient electromagnetic;T/O time;primary field;secondary field

P631.3

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.01.16

1674-1803(2017)01-0073-06

北京市教育委員會科技計劃面上項目（PXM2013_ 014225_097947）；校內重點課題資助（bgzykyz201606）

占文鋒（1979—），男，湖北武漢人，博士，教授，主要從事物探方面的教學與科研工作。

2016-09-18

責任編輯：孫常長