歐陽(yáng)晶　王曉麗

【摘 要】由于瞬變電磁法對(duì)未知地層中的水尤其敏感，隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)已引入瞬變電磁技術(shù)，論文著眼于ANSYS軟件模擬瞬變電磁應(yīng)用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的可行性，建立地表半空間瞬變電磁數(shù)值計(jì)算模型模擬二維平面煙圈的擴(kuò)散效應(yīng)，并將數(shù)值模擬結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)論表明利用ANSYS軟件來(lái)模擬瞬變電磁是可行的。

【Abstract】Because of the transient electromagnetic method is especially sensitive to water in unknown layer， geological predication of tunnel has introduced transient electromagnetic method. This paper focuses on the feasibility of using ANSYS software to simulate the geological predication of transient electromagnetic applications， establishes a numerical model of transient electromagnetic field in surface half space to simulate the diffusion effect of two-dimensional plane smoke ring， and the results of numerical simulation and theoretical calculation are analyzed. The conclusion shows that it is feasible to simulate transient electromagnetic field by using ANSYS software.

【關(guān)鍵詞】超前地質(zhì)預(yù)報(bào)；半空間；瞬變電磁；煙圈

【Keywords】 geological predication； half-space； transient electromagnetic； smoke ring

【中圖分類號(hào)】U452.11 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）08-0191-02

1 引言

瞬變電磁法是利用不接地回線向地下發(fā)送一次脈沖磁場(chǎng)，根據(jù)楞次定律的“來(lái)拒去留”原則，地下地質(zhì)體中將激勵(lì)起感應(yīng)渦流，在一次脈沖磁場(chǎng)斷開(kāi)之后，此感應(yīng)渦流可作為二次激勵(lì)場(chǎng)源將激勵(lì)起二次感應(yīng)磁場(chǎng)。由于二次感應(yīng)場(chǎng)可以反饋地下地質(zhì)中的地電信息，在一次脈沖磁場(chǎng)間歇期間，使用接收線圈觀測(cè)二次場(chǎng)，通過(guò)提取和研究這些響應(yīng)信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地下地質(zhì)體的探測(cè)[1]。

2 二維煙圈理論擴(kuò)散規(guī)律

將發(fā)送線圈平放在均勻大地地表，并把階躍電流輸送至發(fā)送線圈之中，待階躍電流穩(wěn)定之后，在零時(shí)刻停止輸送階躍電流。根據(jù)楞次定律，磁導(dǎo)率為和電導(dǎo)率為的地層下半空間將激勵(lì)起感應(yīng)電流用來(lái)維系階躍電流斷開(kāi)前的磁場(chǎng)，階躍電流斷開(kāi)之前，大部分的感應(yīng)電流集中分布在發(fā)送線圈附近地層，并以的規(guī)律向遠(yuǎn)處衰減。階躍電流斷開(kāi)之后，面電流往地表下擴(kuò)散，并且產(chǎn)生多個(gè)球面狀的沖擊波渦流，該渦流會(huì)隨時(shí)間逐漸擴(kuò)散、變大。通過(guò)理論和實(shí)踐的驗(yàn)證，感應(yīng)電流的極大值沿著發(fā)射線圈的中心點(diǎn)與地面成三十度的方向向下、向外擴(kuò)散。將該傳播路徑投影到地面，得到的半徑如下

通常，在均勻大地的條件下，各渦流層的總和即感應(yīng)渦流引起的磁場(chǎng)，而各渦流層的總和可用一個(gè)簡(jiǎn)單的電流環(huán)進(jìn)行等效處理。當(dāng)發(fā)送線圈的電流斷開(kāi)以后，等效的電流環(huán)就會(huì)向下向外擴(kuò)散，一系列相同形狀的擴(kuò)散電流環(huán)即常說(shuō)的“煙圈”就會(huì)顯現(xiàn)。

3 基于ANSYS的二維平面煙圈的數(shù)值模擬

下面介紹基于ANSYS對(duì)地表半空間的瞬變電磁場(chǎng)產(chǎn)生的二維平面煙圈效應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬。采用位于地表中心的圓形激勵(lì)線圈，將三維的空間模型根據(jù)對(duì)稱性轉(zhuǎn)化為二維的平面模型[2]。創(chuàng)建模型的參數(shù)如下：空氣向上部分延伸為250m，地表縱向向下延伸為500m，圍巖的電阻率為2000Ω·m，橫向延伸為500m；設(shè)置激勵(lì)線圈的圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)，并通過(guò)加載電流密度來(lái)產(chǎn)生階躍電流。

激勵(lì)線圈產(chǎn)生電流之后，在零時(shí)刻斷開(kāi)階躍電流，并分別零時(shí)刻之后的0.5，1，5，10，20和40時(shí)的計(jì)算結(jié)果，顯示如圖1。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知：感應(yīng)渦流隨著時(shí)間推移往外擴(kuò)散，形狀似煙圈；煙圈的磁場(chǎng)等值線在煙圈中心分布最密集，隨著煙圈的擴(kuò)散磁場(chǎng)等值線越來(lái)越稀疏；煙圈中心沿與地表呈夾角向下的方向傳播；各擴(kuò)散圖右側(cè)的數(shù)據(jù)顯示感應(yīng)渦流的大小隨時(shí)間逐漸減小。該基于ANSYS的數(shù)值模擬結(jié)果表明感應(yīng)渦流的擴(kuò)散與理論分析相符。

均勻地層半空間生成的感應(yīng)渦流隨時(shí)間推移逐漸向外擴(kuò)散，發(fā)射線圈中心點(diǎn)到渦流密度極大值點(diǎn)的距離即渦流環(huán)半徑是時(shí)間的函數(shù)，為得到渦流密度極大值隨時(shí)間的變化，從數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果中選取不同時(shí)刻通過(guò)發(fā)射線圈中心的路徑上最大渦流密度。

選取0.5μs，1μs，5μs，10μs，20μs和40μs時(shí)的渦流密度數(shù)據(jù)值，分別找出最大渦流值所在的單元編號(hào)，再由單元編號(hào)定位單元四個(gè)角點(diǎn)坐標(biāo)值，將每個(gè)角點(diǎn)向水平地表進(jìn)行投影，則可得到每個(gè)角點(diǎn)x坐標(biāo)，最大渦流密度中心點(diǎn)在水平地表投影的位置就是對(duì)角角點(diǎn)的x坐標(biāo)值的平均值，此平均值也就是二維平面煙圈擴(kuò)散的渦流環(huán)半徑。

將數(shù)值模擬計(jì)算得到的渦流環(huán)半徑與煙圈理論擴(kuò)散規(guī)律計(jì)算的渦流環(huán)半徑比較，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。由表可知數(shù)值模擬和理論計(jì)算得到的渦流環(huán)半徑基本吻合。

5 結(jié)語(yǔ)

利用有限元軟件ANSYS來(lái)模擬計(jì)算瞬變電磁的二維平面煙圈擴(kuò)散，其計(jì)算結(jié)果與理論的擴(kuò)散規(guī)律基本相符，由此驗(yàn)證了有限元軟件ANSYS模擬瞬變電磁的可行性。

【參考文獻(xiàn)】

【1】牛之鏈.時(shí)間域電磁法原理[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2007.

【2】樸化榮.電磁測(cè)深法原理[M].北京：地質(zhì)出版社，1990.endprint