孫懷鳳，程 銘，宿傳璽，李術(shù)才，王世睿，張樂文，范秋雁，李海燕，李 凱

(1.山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟南 250061; 2.廣西大學(xué) 資源與冶金學(xué)院，廣西 南寧 530004)

隧(巷)道掘進工作面-鉆孔瞬變電磁超前探測方法物理模擬試驗研究

孫懷鳳1，程 銘1，宿傳璽1，李術(shù)才1，王世睿1，張樂文1，范秋雁2，李海燕1，李 凱1

(1.山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟南 250061; 2.廣西大學(xué) 資源與冶金學(xué)院，廣西 南寧 530004)

隧(巷)道掘進工作面-鉆孔瞬變電磁超前探測方法是在隧(巷)道超前鉆孔的基礎(chǔ)上，將接收傳感器置于鉆孔之中，沿鉆孔不同深度進行測量，形成瞬變電磁響應(yīng)的深度-時間剖面曲線，進而判定掘進工作面前方是否存在含水構(gòu)造。物理模擬試驗顯示：在使用較小發(fā)送磁矩情況下，深部很難觀測到有效信號;使用較大發(fā)送磁矩激發(fā)時，晚期時間和深部會出現(xiàn)感應(yīng)電壓方向反號的現(xiàn)象，利于判斷異常體的存在，且掘進工作面前方存在高阻或低阻目標(biāo)時觀測曲線在幅值和方向反號時間上均存在明顯差異，可以判斷掘進工作面前方是否存在異常構(gòu)造。該方法利用已有鉆孔開展探測，不需要增加額外成本，可提高判定災(zāi)害源是否存在的精度。

隧(巷)道;超前地質(zhì)預(yù)報;掘進工作面-鉆孔瞬變電磁;物理模擬

近年來，隨著我國在基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域投資規(guī)模的加大和對礦產(chǎn)資源依賴性的增強，以鐵路、公路為代表的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)取得了較快的發(fā)展，煤炭、金屬礦山開采深度日益增大，帶動了我國隧(巷)道建設(shè)的大發(fā)展。我國礦山開采和建設(shè)中的防治水是保障安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。由于地質(zhì)條件復(fù)雜，隧(巷)道修建過程中面臨的突水、突泥等地質(zhì)災(zāi)害問題越來越多，使用地球物理方法進行超前探測是有效避免突水突泥等地質(zhì)災(zāi)害的有效手段之一。目前地震和電法勘探都在隧(巷)道超前探測中廣泛應(yīng)用[1-7]，取得了良好的效果。針對隧(巷)道突涌水災(zāi)害問題，瞬變電磁法[8-9]因其對低電阻率特征的含水體反應(yīng)靈敏，得到廣泛應(yīng)用[10-17]，由此發(fā)展出多點陣列式探測方法[18-19]、平行磁場響應(yīng)探測方法[20]、地面-井下瞬變電磁法[21]以及不同收發(fā)裝置等多種瞬變電磁觀測方法、裝置型式和解釋方法[22-23]。然而，由于物探方法的多解性以及隧(巷)道內(nèi)金屬構(gòu)架等電磁干擾的影響，探測結(jié)果有時并不理想。基于上述原因，結(jié)合隧(巷)道超前預(yù)報一般會設(shè)置超前鉆孔的做法，研究了隧(巷)道掘進工作面-鉆孔瞬變電磁超前探測方法，該方法將發(fā)射線圈布置在掘進工作面上，接收磁探頭置于鉆孔之中，在不同的接收位置進行瞬變電磁二次場衰減信號的采集，通過分析獲取的不同深度、不同時間的瞬變電磁響應(yīng)曲線，可以獲得掘進工作面前方含水構(gòu)造的位置和規(guī)模，提高鉆孔的利用率和隧(巷)道超前預(yù)報的準(zhǔn)確性。

筆者采用物理模擬試驗的方法驗證隧(巷)道掘進工作面-鉆孔瞬變電磁超前探測方法的有效性，試驗發(fā)現(xiàn)：隧(巷)道深部觀測的信號與發(fā)送的磁矩有關(guān)。選擇的發(fā)送磁矩越小，隧(巷)道深部觀測的信號越微弱;選擇較大的發(fā)送磁矩，隧(巷)道深部和晚期時間會出現(xiàn)感應(yīng)電壓方向的反號，并且如果掘進工作面前方存在高阻或低阻異常體，觀測曲線在幅值和方向反號時間上存在明顯差異，由此可判斷前方是否有異常體。該方法利用現(xiàn)有鉆孔進行探測，不僅能節(jié)約成本，更能準(zhǔn)確的判斷是否存在災(zāi)害源。

1 方法原理

地-井瞬變電磁一般在地面敷設(shè)大回線框作為發(fā)射源，在井中布置磁探頭接收不同深度的瞬變電磁響應(yīng)信號。與地-井瞬變電磁法類似，在隧(巷)道中進行探測時將發(fā)射回線框布設(shè)在掘進工作面上，通過推送裝置將接收磁探頭送入超前鉆孔中，在不同的深度接收瞬變電磁響應(yīng)，對低阻含水體進行判識。隧(巷)道掘進工作面-鉆孔瞬變電磁與地-井瞬變電磁的基本原理類似，但裝置型式受探測空間限制，發(fā)射線圈不能太大。隧(巷)道掘進工作面-鉆孔瞬變電磁的布置方式如圖1所示。

圖1 隧(巷)道掘進工作面-鉆孔瞬變電磁裝置布設(shè)示意Fig.1 Schematic diagram of tunnel face-borehole transient electromagnetic

對于隧(巷)道超前探測而言，將接收探頭置于鉆孔之中，能夠有效降低掘進工作面后方施工機械、初支鋼筋網(wǎng)片、錨桿等對瞬變電磁探測的影響，有利于含水構(gòu)造的判斷。對于高風(fēng)險巖溶隧(巷)道，在掘進工作面施工超前鉆孔是經(jīng)常采用的超前探測方式。如圖2所示，當(dāng)掘進工作面前方存在含水構(gòu)造時，僅在掘進工作面布設(shè)1個鉆孔有時無法探測到災(zāi)害源，一旦開挖則可能發(fā)生突涌水災(zāi)害，如果在已經(jīng)施工的鉆孔基礎(chǔ)上增加掘進工作面-鉆孔瞬變電磁探測，接收探頭放在鉆孔中，距離含水構(gòu)造非常近，通過對采集的信號進行成圖和分析，能夠確定災(zāi)害源的存在。該方法相比傳統(tǒng)瞬變電磁觀測能夠獲得更好的異常響應(yīng)幅值，并能夠有效避免隧(巷)道內(nèi)金屬構(gòu)件對二次場信號的干擾。

圖2 隧(巷)道掘進工作面-鉆孔瞬變電磁探測方法示意Fig.2 Scheme of electromagnetic distribution of tunnel face borehole TEM

2 物理模擬

2.1 相似原理與方案設(shè)計

為使地球物理探測模型試驗?zāi)軌蚍从痴鎸崡l件下地質(zhì)異常體的響應(yīng)特征與規(guī)律，在進行試驗時必須考慮相似性，包括模型試驗的電性參數(shù)、收發(fā)參數(shù)、時間參數(shù)等都必須遵守相似準(zhǔn)則。

宏觀電磁場在介質(zhì)中的傳播服從Maxwell方程組，基于Maxwell方程組，可以推導(dǎo)得到電磁場瞬變電磁場的物理模擬基本準(zhǔn)則[24-25]:

式中，σ為電導(dǎo)率;μ為磁導(dǎo)率;ε為介電常數(shù);t為采樣時間;L為所有線性尺度;下標(biāo)m表示模擬系統(tǒng);下標(biāo)r表示野外實測系統(tǒng)。

可以獲得本次試驗電性參數(shù)相似比為

進行物理模擬試驗時的圍巖采用黏土、水泥、碎石、水等配制相似材料，具體配制比例請參考文獻[26]。

基于電磁場的相似性原理(表1)，設(shè)計3組不同參數(shù)的模型試驗(表2)，分別考察不同匝數(shù)、發(fā)射基頻的情況下，掘進工作面前方含水構(gòu)造的異常響應(yīng)特征。

表1物理模擬與原型參數(shù)電阻率相似對照
Table1Resistivityofphysicalsimulationandprototypeparameterssimilaritytable

Ω·m

表2設(shè)計的3組模型試驗參數(shù)
Table2Designed3groupsofmodelparameters

組號線圈邊長/(m×m)線圈匝數(shù)發(fā)射基頻/Hz11×1125/22521×1325/22531×1725/225

模型試驗在山東大學(xué)隧(巷)道超前地質(zhì)預(yù)報物理試驗系統(tǒng)上進行(圖3)，掘進工作面上預(yù)留的鉆孔作為接收探頭移動的鉆孔，預(yù)留鉆孔長11 m，接收傳感器采用有效面積為212 m2的高頻鐵氧體磁探頭，采用PVC管作為遞送桿，并在遞送桿上標(biāo)記刻度(圖4)。

圖3 山東大學(xué)隧(巷)道超前地質(zhì)預(yù)報物理試驗系統(tǒng)示意Fig.3 Physical model test system build in Shandong University

圖4 試驗時在掘進工作面布設(shè)的1 m×1 m×7匝發(fā)射線圈Fig.4 An example of 1 m×1 m×7 turns transmitter loop in the tunnel face during experiment

2.2 瞬變電磁響應(yīng)對比

通過在掘進工作面前方設(shè)置充水構(gòu)造模型和無水構(gòu)造模型，用來模擬掘進工作面前方含水體的異常響應(yīng)。其中無水構(gòu)造模型用來模擬高阻目標(biāo)，例如非充填型構(gòu)造、充填斷層中充填物為干燥土體等;充水構(gòu)造模型用來模擬充水?dāng)鄬?、溶洞?設(shè)計位于掘進工作面前方2.5 m，尺寸為2 m×2 m×1 m的含水構(gòu)造來模擬實際工程中掘進工作面前方12.5 m處，尺寸為10 m×10 m×5 m的真實異常體(圖5)。

圖5 含水構(gòu)造尺寸示意Fig.5 Scheme of the water bearing structures

2.2.125 Hz和225 Hz發(fā)射頻率對比

根據(jù)設(shè)計的發(fā)射基頻，分別使用25 Hz和225 Hz頻率的雙極性矩形脈沖作為激發(fā)源，將接收探頭放置在鉆孔中進行數(shù)據(jù)采集，并通過移動接收探頭的深度形成剖面。從所有記錄的40個時間道中按照對數(shù)均勻選取3個典型時間道的數(shù)據(jù)，并參考測井曲線的形式繪制瞬變電磁響應(yīng)-深度曲線圖(圖6，7)。通過對比發(fā)現(xiàn)：盡管225 Hz具有較早的觀測時間、較大的初始觀測響應(yīng)幅值，但其激發(fā)的電磁場信號主要集中在高頻部分，在小線圈、小模型尺度的情況下，電磁波很難穿透，所以獲得的數(shù)據(jù)曲線質(zhì)量不如25 Hz的試驗結(jié)果;在25 Hz的發(fā)射基頻下，能夠觀測較長的時間，晚期數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，25 Hz發(fā)射時信噪比較高，曲線明顯光滑。

圖6 1 m×1 m發(fā)射線圈、1匝/3匝和25 Hz/225 Hz情況下不同時刻的深度-響應(yīng)曲線Fig.6 Depth-TEM responses curves with 1 m×1 m loop,1 and 3 turns,25 Hz and 225 Hz

圖7 1 m×1 m×7匝線圈發(fā)射時不同時刻的深度-響應(yīng)曲線Fig.7 Depth-TEM responses curves with 1 m×1 m loop and 7 turns

2.2.2線圈匝數(shù)對比

在給定發(fā)射線圈尺寸為1 m×1 m情況下，采用1匝和3匝、25 Hz和225 Hz兩種頻率下獲得的響應(yīng)曲線如圖6所示，圖中藍色曲線代表含水構(gòu)造之中充滿鹽水，模擬低阻異常，紅色曲線代表含水構(gòu)造之中充滿空氣，模擬高阻異常?？梢钥闯觯涸诓捎?匝發(fā)射線圈時，25 Hz發(fā)送基頻獲得的曲線明顯比225 Hz時的曲線質(zhì)量高，干擾較小;除1匝線圈、225 Hz發(fā)送基頻的情況，其余3種發(fā)射參數(shù)據(jù)能夠看到紅色曲線和藍色曲線發(fā)生明顯分離，說明存在含水體和無含水體時的瞬變電磁響應(yīng)賦值存在差異，并且藍色曲線的幅值高于紅色曲線，這與瞬變電磁在低電阻率異常目標(biāo)中感應(yīng)產(chǎn)生渦旋電流的物理實質(zhì)吻合。但總體來講，圖6所列曲線在前方異常體充水和空氣兩種情況下的差異非常小，很難通過電阻率反演或曲線分析發(fā)現(xiàn)含水目標(biāo)。

當(dāng)發(fā)射線圈匝數(shù)增加到7匝后，試驗發(fā)現(xiàn)了非常明顯的“尖點”現(xiàn)象，“尖點”兩側(cè)的數(shù)據(jù)出現(xiàn)反號現(xiàn)象，這一現(xiàn)象筆者在討論瞬變電磁平行磁場響應(yīng)分量探測方法時曾經(jīng)出現(xiàn)過[27]，認為這一現(xiàn)象應(yīng)該是由于含水構(gòu)造與周邊圍巖界面上電磁感應(yīng)的作用出現(xiàn)了累積的界面電荷，伴隨電磁場的向外擴散傳播過程，界面電荷的耗散速度小于電磁場擴散速度造成的。從圖7可以看出，盡管采用225 Hz發(fā)送基頻的情況下也出現(xiàn)了尖點現(xiàn)象，但圖中左側(cè)曲線在早期并不能夠很好的區(qū)分充水和空氣，僅在晚期時間道出現(xiàn)了分離。相對而言，采用25 Hz的發(fā)送基頻時充水模型和空氣模型存在明顯差異，并且“尖點”的出現(xiàn)時刻所對應(yīng)的深度也存在明顯的差異：在幅值上，充水模型的響應(yīng)明顯高于空氣模型，這符合電磁場在水體中感應(yīng)二次場較強的理論;在“尖點”位置上，空氣模型的“尖點”位置明顯早于充水模型，兩個“尖點”均符合這一規(guī)律。這一現(xiàn)象表明當(dāng)掘進工作面前方存在低阻或高阻異常時，均會出現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)的反號現(xiàn)象，并且高阻異常與低阻異常在觀測數(shù)據(jù)幅值和反號時間上均有明顯差異，對于識別掘進工作面前方的異常構(gòu)造有幫助。

然而，數(shù)據(jù)反號的深度與掘進工作面前方含水構(gòu)造的幾何位置并不對應(yīng)，設(shè)計的含水構(gòu)造前后兩個界面分別位于掘進工作面前方2.5 m和3.5 m，但“尖點”位置卻出現(xiàn)在了5 m和8 m附近，這一現(xiàn)象推測應(yīng)該是由于電磁場的滯后效應(yīng)造成的，但其具體機理需要進行繼續(xù)研究。

從圖6，7所示的數(shù)據(jù)以及采用的參數(shù)來看，在采用7線圈時獲得了明顯的異常反應(yīng)，且采用25 Hz獲得的異常曲線比225 Hz時獲得的異常曲線響應(yīng)明顯。分析其原因，主要是由于匝數(shù)增加導(dǎo)致發(fā)射磁矩增大(表3發(fā)送磁矩對比)，根據(jù)電磁場坡印亭矢量分析，7匝線圈時的發(fā)送能量是單匝線圈時的7倍，在較高的電磁場激勵能量下，含水體中形成的渦電流能夠達到較高水平，使用磁探頭可以觀測獲得，而在較低的能量輻射下則無法觀測到有效信號。因而，在實際探測時，要根據(jù)工況采用較大的發(fā)送磁矩，以在掘進工作面前方順利激發(fā)二次場。筆者在進行試驗時也設(shè)計了線圈邊長為0.5 m的系列實驗，由于面積減小導(dǎo)致發(fā)射磁矩按照指數(shù)大幅降低，獲得的數(shù)據(jù)同樣不能很好的反映上述規(guī)律，因而在分析時沒有列出。

表3不同發(fā)射參數(shù)下的電磁場磁矩對比
Table3Electromagneticmagneticmomentcomparisonindifferentparameters

序號匝數(shù)電流/A發(fā)射磁矩/(A·m2)11m×1m×1匝0521m×1m×3匝051531m×1m×7匝35

為了對比不同發(fā)送磁矩參數(shù)下的瞬變電磁響應(yīng)曲線，將試驗中采集的25 Hz發(fā)送基頻曲線、512.5 μs時刻瞬變電磁響應(yīng)進行提取與深度曲線繪制(圖8)，可以明顯的看到：發(fā)送磁矩對瞬變電磁響應(yīng)幅值的影響，即當(dāng)采用較小的發(fā)送磁矩情況下，深部的采集數(shù)據(jù)已經(jīng)在噪聲水平以下，無法獲得很好的響應(yīng)曲線。

圖8 25 Hz發(fā)送基頻下不同匝數(shù)激勵下的512.5 μs時刻 瞬變電磁響應(yīng)曲線對比Fig.8 TEM responses comparisons with 25 Hz and different loop turns at 512.5 μs

3 結(jié)語與討論

基于物理模擬平臺，研究了隧(巷)道掘進工作面-鉆孔瞬變電磁超前探測方法，發(fā)現(xiàn)該方法在較小發(fā)射磁矩下獲得的響應(yīng)信號較差，必須采用較大的發(fā)送磁矩以獲得更好的響應(yīng);激發(fā)獲得的晚期時間道響應(yīng)明顯，并且在探測范圍內(nèi)會出現(xiàn)2次響應(yīng)幅值反號現(xiàn)象，可以作為判識異常的一個特征。

然而，該方法還存在一些解釋不清的現(xiàn)象，例如反號位置與異常體前后邊界的對應(yīng)關(guān)系等，如果后期能夠通過建立相關(guān)函數(shù)，通過反演獲得異常體前后邊界位置，則該方法會更有意義。另外，該方法的水體定位、水體規(guī)模估算等問題還沒有解決，但作為一種新的方法，其發(fā)展對隧(巷)道超前預(yù)報是非常有必要的。

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Tunnelface-boreholetransientelectromagneticmethodanditsphysicalexperimentalstudies

SUN Huaifeng1,CHENG Ming1,SU Chuanxi1,LI Shucai1,WANG Shirui1, ZHANG Lewen1,FAN Qiuyan2,LI Haiyan1,LI Kai1

(1.GeotechnicalEngineeringResearchCenter,ShandongUniversity,Jinan250061,China; 2.CollegeofResourcesandMetallurgy,GuangxiUniversity,Nanning530004,China)

In the tunnel surface-borehole configuration,the receiver is put into the borehole based on the advanced drilling on the tunnel face.With the data acquired in different depths in the borehole,the depth to time profile of transient electromagnetic responses can be obtained to determine the position of the water bearing structures.The physical modeling results show that no valid signals are observed in depth with a small magnetic moment excitation,while the acquired electromotive force are direction reversal in deep and late time with a large magnetic moment excitation.This phenomenon can be used to identify the abnormal bodies.The acquired profiles are obvious different on amplitude value and the reversal time with high or low resistivity target exist.This method will have no additional cost with existing borehole and is very fast in acquiring data.It can improve the accuracy in identifying the disaster sources.

tunneling;advanced geology prediction;tunnel face borehole Transient Electromagnetic;physical modeling

10.13225/j.cnki.jccs.2017.0618

P631.3

:A

:0253-9993(2017)08-2110-06

山東省優(yōu)秀中青年科學(xué)家獎勵基金資助項目(BS2014HZ006);國家自然科學(xué)基金資助項目(41404104);國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973)資助項目(2013CB036002)

孫懷鳳(1982—)，男，山東鄒平人，講師，博士，博士后。E-mail:sunhuaifeng@gmail.com

孫懷鳳，程銘，宿傳璽,等.隧(巷)道掘進工作面-鉆孔瞬變電磁超前探測方法物理模擬試驗研究[J].煤炭學(xué)報,2017,42(8):2110-2115.

SUN Huaifeng,CHENG Ming,SU Chuanxi,et al.Tunnel face-borehole transient electromagnetic method and its physical experimental studies[J].Journal of China Coal Society,2017,42(8):2110-2115.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2017.0618