楊海燕，劉志新，張 華，陳 曉，李 哲，汪 凌，楊夫杰

圓錐型場源瞬變電磁法試驗研究

楊海燕1，劉志新1，張 華2，陳 曉2，李 哲2，汪 凌2，楊夫杰2

(1. 中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2. 東華理工大學(xué) 地球物理與測控技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330013)

圓錐型場源是一種新型瞬變電磁發(fā)射裝置，前期理論研究結(jié)果顯示該裝置具有諸多優(yōu)點。為了進一步驗證該裝置的實際探測能力，制作了2種裝置在地面和煤礦巷道兩種環(huán)境下開展了試驗研究。地面試驗結(jié)合高密度電阻率法的探測成果，將圓錐型場源和多匝小回線的探測結(jié)果進行比較，結(jié)果顯示，圓錐型場源對不同地層的電性特征刻畫更為準(zhǔn)確，識別出的1條斷層與高密度電阻率成果更為吻合。礦井超前探測試驗結(jié)果顯示，圓錐型場源的低阻區(qū)劃分更為精細，尤其在工作面方向顯示出更強的低阻分辨能力，多匝小回線探測成果中存在1個低阻連通區(qū)，經(jīng)圓錐型場源探測證實為2個不連通的低阻異常。此外，圓錐型場源的發(fā)射和接收線框形狀和面積更為穩(wěn)定，對提升瞬變電磁法工作效率和數(shù)據(jù)質(zhì)量有較大的幫助。

瞬變電磁法；圓錐型場源；高密度電阻率法；視電阻率；超前探測

瞬變電磁法的多匝小回線裝置輕便、靈活，在地面淺層探測、煤礦巷道和工程隧道超前預(yù)報中得到廣泛應(yīng)用[1-6]。但是，多匝繞制方式使其具有較強的互感、受關(guān)斷效應(yīng)影響嚴重，不利于瞬變電磁數(shù)據(jù)的處理與解釋[7-15]。在多匝小回線基礎(chǔ)上發(fā)展出的圓錐型場源的互感系數(shù)僅為多匝小回線的1/9，不僅使瞬變響應(yīng)更早進入晚期，還有利于資料處理中關(guān)斷效應(yīng)校正方法的使用[16]。在裝置形式上，只要使圓錐型場源的高度為0、每匝線圈半徑相同，該場源就變成了多匝小回線，因此，可以將多匝小回線看作這種場源的一種特殊形式。在一些共同的基礎(chǔ)理論問題上，針對圓錐型場源的問題解決方法也適用于多匝小回線裝置。針對圓錐型場源，從理論的角度對瞬變電磁場早晚期臨界條件，互感引起的關(guān)斷效應(yīng)對瞬變電磁響應(yīng)信號的影響和校正方法，以及視電阻率轉(zhuǎn)換方法等方面開展了研究，驗證了該場源的理論研究價值[17-19]。本研究重點是從試驗的角度檢驗前期理論成果的正確性，同時也對該場源的實際應(yīng)用效果進行初步探索。

1 實驗裝置設(shè)計

設(shè)計的圓錐型場源裝置如圖1a所示，該裝置由頂部和底部圓形架、支撐管、雙通管、三通管以及外圍銅導(dǎo)線組成，頂?shù)撞繄A形架由8根支撐管連接。頂部和底部圓形架由8個120°雙通管和8個三通管交錯連接而成；支撐管采用空心管，管外部設(shè)置等間距卡槽，使導(dǎo)線纏繞形狀更加穩(wěn)定，同時減輕裝置重量。結(jié)構(gòu)簡單可拆卸，不需要特殊工藝。根據(jù)以上設(shè)計，制作了頂直徑30 cm、底直徑65 cm和高50 cm的實驗裝置(圖1b)。外圍繞導(dǎo)線127匝，發(fā)射磁矩為188.315 9 A·m2。接收線圈繞制在底部圓形架上，測量過程中可以保持發(fā)射–接收系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了對比圓錐型場源和多匝小回線的測量效果，按與圓錐底直徑相同的參數(shù)制作了多匝小回線，利用磁矩等效原理繞制了71匝。接收線圈均為48匝。

在實驗數(shù)據(jù)的視電阻率計算方面，沿用前期研究中的做法[16]，將實測感應(yīng)電位視作每一匝線圈感應(yīng)電位的疊加，即：

式中：t為第匝線圈距第1匝線圈的延時；為采樣時間；ε為感應(yīng)電位；為測道數(shù)。那么，轉(zhuǎn)換后的視電阻率便可以看作單匝線圈計算的電阻率平均值，即

2 地面試驗

2.1 基本情況

地面試驗在某大學(xué)實習(xí)基地內(nèi)進行，試驗測線沿西南向、長300 m，點距5 m，采用儀器為TerraTEM瞬變電磁儀。測線旁邊是一個蓄水水庫，地勢平坦(圖2)。在該處曾開展了高密度電阻率法的測量工作，測線長300 m，電極距2 m，采用儀器為DUK-2[20]。為了與高密度測量成果對比，本次瞬變電磁試驗的測線與高密度電阻率法相同。

圖1 圓錐型場源實驗裝置

圖2 試驗測點布置

試驗區(qū)地層主要為前震旦系板溪群(Pt2)、石炭系下統(tǒng)華山嶺組(C2)，淺部為第四系(Q)。區(qū)內(nèi)褶皺不發(fā)育，而斷層構(gòu)造十分發(fā)育。區(qū)內(nèi)斷層構(gòu)造主要由區(qū)域性深大斷裂及與之平行或斜交的小型斷層組成。按斷層的產(chǎn)狀可將其分為走向NE的正斷層、走向NW的平移斷層以及一些小型斷層構(gòu)造。

試驗區(qū)區(qū)內(nèi)有2條構(gòu)造(斷層F1和F8)穿過(圖3)。F1為NE向正斷層，走向穩(wěn)定，該斷層從測線的43號點附近穿過，在地表出露。前震旦系板溪群地層與石炭系下統(tǒng)華山嶺組地層在測線末段交匯。

圖3 試驗區(qū)地質(zhì)示意圖

2.2 試驗結(jié)果分析

在圖2所示的測點分布圖中，測點號25～49之間為高密度電阻率法的一個排列[20]。該排列的末段為前震旦系板溪群地層與石炭系下統(tǒng)華山嶺組地層的交匯處，F(xiàn)1斷層從該處穿過。為了與高密度電阻率法測量成果對比，選取相同測量段的瞬變電磁數(shù)據(jù)進行處理分析。

圖4為多匝小回線和圓錐型場源感應(yīng)電位的多測道曲線，2條曲線呈現(xiàn)出的總體特征相似，但在34和43號測點附近的早延時部分有差別，反映出淺部地層內(nèi)電阻率分布的差異。將感應(yīng)電位轉(zhuǎn)換為視電阻率，得到如圖5所示的視電阻率擬斷面圖，并與高密度電阻率成果進行對比。

圖4 瞬變電磁多測道曲線

根據(jù)地面觀察到的地質(zhì)情況，22號點附近出露一個傾斜的地層分界面，左邊是石炭系下統(tǒng)華山嶺組地層，右邊是前震旦系板溪群地層。20號點附近有地質(zhì)斷層出露，20號點以后低洼過渡帶。在高密度電阻率成果圖中(圖5a)，清楚地顯示出F1斷層所在位置以及石炭系下統(tǒng)華山嶺組和前震旦系板溪群的交界面。在電性特征方面，石炭系下統(tǒng)華山嶺組的電阻率較高，前震旦系板溪群的電阻率相對較低。高密度電阻率成果圖中電阻率分布情況與地質(zhì)情況吻合較好，但是在倒梯形剖面的深部，未顯示出的區(qū)域呈現(xiàn)出連續(xù)低阻趨勢。

圖5 測量成果對比

圓錐型場源視電阻率擬斷面圖所呈現(xiàn)的電阻率變化情況與高密度成果圖相似，在測線方向上淺部地層的電阻率由高逐漸降低，與石炭系下統(tǒng)華山嶺組和前震旦系板溪群地層的電性特征吻合，43號點附近F1斷層也體現(xiàn)的較為明顯(圖5b)。除此以外，在圖5b的深部顯示出一個連續(xù)的低阻層，該低阻層從25號測點開始一直連通至F1斷層位置，與高密度電阻率法成果圖底部呈現(xiàn)的電阻率變化趨勢一致。在多匝小回線成果圖中(圖5c)，盡管斷層位置仍然可以識別，但深部的電阻率變化情況與高密度電阻率圖相差較大。

3 礦井瞬變電磁試驗

為了驗證圓錐型場源在煤礦巷道內(nèi)的實際應(yīng)用效果，結(jié)合科研項目在湖南省某煤礦井下開展了圓錐型場源與多匝小回線的對比試驗。測量位置覆蓋掘進工作面及兩側(cè)巷道側(cè)幫，側(cè)幫測量點距2 m；掘進工作面測量按巷道“左側(cè)幫—左拐角—工作面—右拐角—右側(cè)幫”的順序進行，共觀測13個點。試驗儀器為TerraTEM瞬變電磁儀，測量時間序列選用儀器自帶的MK3 Standard，疊加次數(shù)32次，發(fā)射電流7.8 A。多匝小回線采用重疊回線裝置，邊長2 m，發(fā)射和接收線圈匝數(shù)分別為40、60匝，發(fā)射電流7.5 A，采用的時間序列和疊加次數(shù)與圓錐型場源相同。

采集的數(shù)據(jù)整體質(zhì)量較高，少數(shù)測點受金屬干擾需要進行測道刪除處理。預(yù)處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)關(guān)斷時間校正后，直接進行視電阻率轉(zhuǎn)換[13,21]，得到的視電阻率擬斷面圖如圖6—圖8所示。

由圖6和圖7可以看出，視電阻率值差異明顯，結(jié)合已知地質(zhì)資料，認為電阻率高于50 ??m的區(qū)域為煤層的高阻反映，低于25 ??m為低阻異常區(qū)，主要由巖層破碎、裂隙發(fā)育和富含水等因素造成。

圖6 左側(cè)幫瞬變電磁測量成果對比

對比多匝小回線和圓錐型場源的測量結(jié)果可知，前者低阻區(qū)范圍較大，從橫坐標(biāo)方向上，左側(cè)幫的低阻區(qū)深度范圍從40～55 m拓展到20～80 m (圖6)，這與實際水文地質(zhì)信息不符。在圓錐型場源的測量成果中，低阻區(qū)范圍較小，從水平坐標(biāo)5 m開始出現(xiàn)條帶狀低阻區(qū)，與右側(cè)深度為20～80 m的低阻區(qū)相連通，該低阻條帶解釋為巖層破碎產(chǎn)生的導(dǎo)水通道，與右側(cè)富水區(qū)連通。

圖7 右側(cè)幫瞬變電磁測量成果對比

圖7為2種場源在巷道右側(cè)幫的測量成果，圖中均顯示出若干個不連續(xù)的低阻區(qū)，推斷為巖層破碎所致。對比2種場源的測量結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在水平坐標(biāo)0～20 m、深度15～50 m的范圍內(nèi)，多匝小回線成果圖中的低阻區(qū)深度范圍更廣，且在橫向上有連通的趨勢，而圓錐型場源成果圖中則顯示出2個低阻區(qū)，覆蓋2個測點，沒有連通性。從水平坐標(biāo)24 m開始，圖7a中淺部高阻的平均深度不到30 m，而圖7b中的淺部高阻的平均深度超過40 m，且在水平坐標(biāo)32 m和56 m附近與深部高阻連通。

圖8為巷道工作面方向的視電阻率擬斷面圖，在工作面右前方深度30～60 m范圍內(nèi)均出現(xiàn)偏低阻異常區(qū)。圖8a中的異常區(qū)為一個連通的低阻區(qū)，其中心點位置偏向工作面正前方，而圖8b中顯示出異常區(qū)則被電阻率高于60 ??m的巖層分割，形成2個低阻區(qū)。探測結(jié)果表明該區(qū)域巖層完整性遭到破壞，且富含水。

圖8 工作面瞬變電磁測量成果對比

4 結(jié)論

a.圓錐型場源裝置具有較高的穩(wěn)定性，能提升工作效率和數(shù)據(jù)質(zhì)量。

b.試驗結(jié)果表明，圓錐型場源對地層交界面和斷層位置的刻畫優(yōu)于多匝小回線，獲得的低阻區(qū)范圍更為精細，在工作面方向顯示出較好的低阻分辨能力。

c. 需要進一步研究圓錐型場源的資料處理方法，尤其是全空間層狀介質(zhì)中的反演技術(shù)，實現(xiàn)全空間視電阻率向真電阻率的轉(zhuǎn)化。

致謝：中煤科工集團西安研究院有限公司石顯新研究員對論文試驗內(nèi)容撰寫給予了指導(dǎo)，本刊編輯在論文格式與規(guī)范等方面提供了幫助，作者一并致謝！

[1] 底青云，薛國強，殷長春，等. 中國人工源電磁探測新方法[J].中國科學(xué)：地球科學(xué)，2020，50(9)：1219–1227.

DI Qingyun，XUE Guoqiang，YIN Changchun，et al. New methods of controlled-source electromagnetic detection in China[J]. Science China Earth Sciences，2020，50(9)：1219–1227.

[2] XUE Guoqiang，ZHANG Linbo，ZHOU Nannan，et al. Developments measurements of TEM sounding in China[J]. Geological Journal，2020，55(3)：1636–1643.

[3] XUE Guoqiang，CHEN Wen，CHENG Jiulong，et al. A review of electrical and electromagnetic methods for coal mine exploration in China[J]. IEEE Access，2019，7：177332–177341.

[4] 趙鐘南，許洋鋮，吳燕清，等. 井下瞬變電磁儀硬件對致災(zāi)水體分辨能力的評估[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(4)：40–48.

ZHAO Zhongnan，XU Yangcheng，WU Yanqing，et al. Evaluation on the resolution ability of underground transient electromagnetic instrument to disaster-causing water bodies[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(4)：40–48.

[5] 張平松，李圣林，邱實，等. 巷道快速智能掘進超前探測技術(shù)與發(fā)展[J]. 煤炭學(xué)報，2021，46(7)：2158–2173.

ZHANG Pingsong，LI Shenglin，QIU Shi，et al. Advance detection technology and development of fast intelligent roadway drivage[J]. Journal of China Coal Society，2021，46(7)：2158–2173.

[6] 劉杰，段煒，王俊，等. 等值反磁通瞬變電磁法在公路隧道塌陷區(qū)的探測應(yīng)用[J]. 物探與化探，2020，44(6)：1470–1475.

LIU Jie，DUAN Wei，WANG Jun，et al. The application of opposing coils transient electromagnetic method to the detection of underground collapse in highway tunnel under construction[J]. Geophysical and Geochemical Exploration，2020，44(6)：1470–1475.

[7] 郭純，邢文平，李文軍. 瞬變電磁技術(shù)在煤層底板含水層注漿改造中的應(yīng)用[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2006，34(4)：74–76.

GUO Chun，XING Wenping，LI Wenjun. Application of transient electromagnetic techniques to grouting reconstruction of lower confining bed[J]. Coal Geology & Exploration，2006，34(4)：74–76.

[8] 劉志新，于景邨，張華，等. 小波變換在礦井瞬變電磁法中的應(yīng)用[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2007，35(4)：70–71.

LIU Zhixin，YU Jingcun，ZHANG Hua，et al. Application of wavelet transfer in coal mine transient electromagnetic method[J]. Coal Geology & Exploration，2007，35(4)：70–71.

[9] 陰建康，閆述，陳明生. 瞬變電磁法小發(fā)射回線探測裝置及其應(yīng)用[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2007，35(3)：66–68.

YIN Jiankang，YAN Shu，CHEN Mingsheng. Small transmitter loop device and its application in transient electromagnetic method[J]. Coal Geology & Exploration，2007，35(3)：66–68.

[10] 石顯新，李華，閆述，等. 深部高壓水害隱患探測的井下電磁法技術(shù)[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2008，36(6)：58–61.

SHI Xianxin，LI Hua，YAN Shu，et al. Down-hole electromagnetic method for detecting deep high-pressure water hazard[J]. Coal Geology & Exploration，2008，36(6)：58–61.

[11] 解海軍，孟小紅，王信文，等. 煤礦積水采空區(qū)瞬變電磁法探測的附加效應(yīng)[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2009，37(2)：71–74.

XIE Haijun，MENG Xiaohong，WANG Xinwen，et al. The additional effect of TEM detection and its application in coal mined-out area with accumulated water[J]. Coal Geology & Exploration，2009，37(2)：71–74.

[12] 梁爽. 瞬變電磁法在煤礦水害防治中的應(yīng)用[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2012，40(3)：70–73.

LIANG Shuang. The application of TEM in detecting water hazards in coal mines[J]. Coal Geology & Exploration，2012，40(3)：70–73.

[13] 楊海燕，岳建華，李鋒平. 斜階躍電流激勵下多匝小回線瞬變電磁場延時特征[J]. 地球物理學(xué)報，2019，62(9)：3615–3628.

YANG Haiyan，YUE Jianhua，LI Fengping. The decay characteristics of transient electromagnetic fields stimulated by ramp step current in multi-turn small coil[J]. Chinese Journal of Geophysics，2019，62(9)：3615–3628.

[14] TANG Hongzhi，YANG Haiyan，LU Guangyin，et al. Small multi-turn coils based on transient electromagnetic method for coal mine detection[J]. Journal of Applied Geophysics，2019，169：165–173.

[15] 劉建鵬，楊海燕，焦俊俊，等. 層狀全空間瞬變電磁響應(yīng)理論研究[J]. 地球物理學(xué)進展，2021，36(1)：202–210.

LIU Jianpeng，YANG Haiyan，JIAO Junjun，et al. Research on layered whole-space response of underground transient electromagnetic method[J]. Progress in Geophysics，2021，36(1)：202–210.

[16] YANG Haiyan，LI Fengping，YUE Jianhua，et al. Cone-shaped source characteristics and inductance effect of transient electromagnetic method[J]. Applied Geophysics，2017，14(1)：165–174.

[17] YANG Haiyan，LI Fengping，CHEN Shen’en，et al. An inversion of transient electromagnetic data from a conical source[J]. Applied Geophysics，2018，15(3/4)：545–555.

[18] YANG Haiyan，CHEN Shen’en，YUE Jianhua，et al. Transient electromagnetic response with a ramp current excitation using conical source[J]. IEEE Access，2019，7：63829–63836.

[19] 楊海燕，李鋒平，岳建華，等. 基于“煙圈”理論的圓錐型場源瞬變電磁優(yōu)化反演[J]. 中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2016，45(6)：1230–1237.

YANG Haiyan，LI Fengping，YUE Jianhua，et al. Optimal transient electromagnetic inversion of conical field source based on smoke ring theory[J]. Journal of China University of Mining and Technology，2016，45(6)：1230–1237.

[20] 馬王鵬. AEMT數(shù)據(jù)的采集及反演[D]. 南昌：東華理工大學(xué)，2018.

MA Wangpeng. AEMT data collection and inversion[D]. Nanchang：East China University of Technology，2018.

[21] 楊海燕，鄧居智，張華，等. 礦井瞬變電磁法全空間視電阻率解釋方法研究[J]. 地球物理學(xué)報，2010，53(3)：651–656.

YANG Haiyan，DENG Juzhi，ZHANG Hua，et al. Research on full-space apparent resistivity interpretation technique in mine transient electromagnetic method[J]. Chinese Journal of Geophysics，2010，53(3)：651–656.

Experimental study on transient electromagnetic method with a conical source

YANG Haiyan1, LIU Zhixin1, ZHANG Hua2, CHEN Xiao2, LI Zhe2, WANG Ling2, YANG Fujie2

(1. School of Resources and Geosciences, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 2. School of Geophysics and Measurement-Control Technology, East China University of Technology, Nanchang 330013, China)

A new transmitter device-conical source has been proved theoretically to have several advantages for transient electromagnetic sounding. To verify application ability of conical source, two kinds of transmitter devices were designed and made, and the experimental studies on surface and in mine roadway were carried out. By applying high density resistivity achievements in surface experiment, the detecting results using conical source and multi-coils were compared. The results show that the description of strata resistivity with conical source is better than that with multi-coils. One fault was identified and the strike and position of which matches the high density resistivity result better. Meanwhile, experiment results in mine roadway also show that the conical source can achieve more effective delineation of low resistivity zone than multi-coils; the low resistivity zone in multi-coils section was turned out to be two discontinuous areas in conical source section. In addition, the conical source has a higher resolution of conductor in mine drift. The shape and area of conical source are more stable, which is more helpful to improve the efficiency and data quality of the transient electromagnetic method.

transient electromagnetic method; conical source; high density resistivity method; apparent resistivity; advanced detection

語音講解

P631

A

1001-1986(2021)06-0107-06

2021-08-21；

2021-10-15

國家自然科學(xué)基金項目(41974086，41974128，41874126)

楊海燕，1980年生，男，安徽阜陽人，博士，教授，從事電磁法勘探理論與應(yīng)用研究. E-mail：yhyecit@163.com

劉志新，1976年生，男，安徽蕭縣人，博士，教授，從事電磁法正反演技術(shù)和礦井地球物理勘探研究. E-mail：liuzhx@cumt.edu.cn

楊海燕，劉志新，張華，等. 圓錐型場源瞬變電磁法試驗研究[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(6)：107–112. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.06.013

YANG Haiyan，LIU Zhixin，ZHANG Hua，et al. Experimental study on transient electromagnetic method with a conical source[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(6)：107–112. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.06.013

移動閱讀

(責(zé)任編輯 聶愛蘭)