全空间瞬变电磁法三维正演模拟与现场试验研究∗

占文锋武玉梁（.北京工业职业技术学院建筑与测量工程学院,北京市石景山区,0004; .四川省煤炭产业集团公司,四川省成都市,6009）



全空间瞬变电磁法三维正演模拟
与现场试验研究∗

占文锋1武玉梁2
（1.北京工业职业技术学院建筑与测量工程学院,北京市石景山区,100042; 2.四川省煤炭产业集团公司,四川省成都市,610091）

摘要运用Ansoft Maxwell有限元软件模拟井下瞬变电磁法的运用,设计斜阶跃方波脉冲激励,进行瞬态求解,重点研究电流关断前后感应磁场的时空分布与变化规律。三维模拟表明:接收框体电导率大,其中心二次场更强、衰减慢;低阻异常体积大,其二次场影响和分布范围更广、衰减快。在实际应用时,若关断时间过小,早期接收信号可能为接收框感应二次场。若关断时间过大,晚期接收信号仍可能来自于接收框感应二次场。因此,在井下运用瞬变电磁法探测时,其有效探测范围是有限的。相比而言,低阻处浅部盲区小,探测浅;而其它位置盲区大,探测深。

关键词Ansoft Maxwell软件 瞬变电磁法 三维正演 现场试验

瞬变电磁法被广泛用于解决煤层顶底板、采空区、含水陷落柱等水文地质问题。地面瞬变电磁法的理论与技术成果虽然对矿井瞬变电磁法有着重要的借鉴作用,但仍面临许多问题,如发射与接收回线的自感、互感;如何消除一次场影响得到有效的瞬变电磁响应信号;观测曲线能否真实反映地下介质变化;关断时间对测量结果的影响等。研究表明,地下感应二次场的强弱随时间衰减的快慢与被探测地质异常体的规模、产状、位置和导电性能密切相关。因此,通过矿井三维瞬变电磁法正演模拟技术,研究供电电流关断前后二次场的时空分布与变化规律,对于准确反演和解释地下异常体的电性特征具有重要的理论指导意义。

1　模型及参数设计

Ansoft Maxwell是世界著名的商用低频电磁场有限元模拟软件,可利用其自带的外电路编辑功能,通过Ansoft Maxwell 3D瞬态求解器进行分析,从而实现更加符合实际的模拟计算。为模拟井下瞬变电磁法共面装置方式,设计地下全空间模型如图1所示。其中发射框直径20 mm,接收框直径10 mm,两圆环截面直径1 mm,中心点相距100 mm。装置下方200 mm处设置两圆柱体异常,直径100 mm,高50 mm,中心点相距300 mm,分别模拟地下采空区和富水区。围岩设置为直径1000 mm,高1000 mm的圆柱体。在发射框中供以斜阶跃脉冲电流,其中0～0.3 s设为电流线性上升阶段,0.3～0.9 s设为电流稳定阶段,0.9～1.2 s设为电流下降阶段,1.2～1.8 s设为电流恒零阶段,最大供电电流为2 A。各材料属性设置如表1所示。

图1　地下全空间模型示意图

表1　模型各材料属性设置

2　巷道全空间感应磁场强度空间变化规律

2.1电流开始关断时感应磁场强度变化规律

供电电流从开始关断至完全关断前（0.9～1.2 s）,一次场强度最大值位于发射框中心处,并呈同心环状向周围介质传播,如图2所示。当电磁波传播到下方异常体时,两者间的物性差异影响电磁波的正常传播。相比而言,低阻体对电磁波具有更强的吸收和干扰作用。穿越异常体后,电磁波传播恢复正常。供电电流大小影响一次场强度和分布范围,随着供电电流的减小,一次场强度和分布范围均有不同程度的减小。

图2　电流关断前（0.9～1.2 s）一次场空间分布图

2.2电流完全关断时感应磁场强度变化规律

供电电流完全关断时（1.2 s）,一次场迅速衰减至基本消失。除在低阻体中激发出较强的二次场外,在接收框中亦激发较强的二次场,而高阻体中激发的二次场则不甚明显。二次场分别以接收框和低阻异常体为中心,在不同方向上呈同心环状向周围介质扩散传播,两者相遇处相互叠加干扰,影响二次场的空间分布形态,并随着深度的增加而减弱。由于接收框体电导率大,其中心二次场更强;而低阻异常体较大,其二次场影响和分布范围更广,因而易被测得用于地质解释,如图3所示。

图3　电流关断时（1.2 s）二次场空间分布图

2.3电流关断后感应磁场强度变化规律

供电电流关断后（1.2～1.8 s）,二次场呈指数迅速衰减,但其空间分布形态未发生大的改变,仍以接收框和低阻异常体为中心,在不同方向上呈同心环状分布。不同之处在于低阻体电导率小,衰减较快,而接收框体电导率大,衰减较慢。因此,在电流关断后,低阻体感应二次场分布范围逐渐缩小,而接收框感应二次场分布范围逐渐扩大,如图4所示。在1.8 s时刻,地下空间基本分布接收框感应二次场,导致关断晚期采集的信号能否真实反映深部地质信息存疑。因此,在井下运用瞬变电磁法探测时,其有效探测深度与发射电流的大小、异常体物性、规模、埋深等因素均有着直接或间接的关系。

图4　电流关断后（1.2～1.8 s）二次场空间分布图

3　介质对二次场的响应特征

3.1同一时刻各介质对二次场的响应特征

为讨论高阻异常体、低阻异常体和接收框三者对感应磁场相互影响和相互作用关系,可通过绘制电流关断时刻（1.2 s）不同深度二次场强度变化曲线进行对比分析,如图5所示。由图可知,低阻体周围二次场强度曲线较高阻体变化大,表明高阻异常体对二次场影响不甚明显,对二次场分布起主导作用的是具有较低电阻的发射框和低阻体。浅部（0～0.15 m）主要受发射框影响,影响范围小,且随深度增大而减弱,并逐渐向低阻体位置转移;深部（0.2～0.5 m）主要受低阻体影响,其影响深度和范围均不同程度增大,其各自影响深度与异常体大小、物性、埋深、供电电流的大小等因素有关。

因此,应用瞬变电磁法进行井下探测时,若关断时间设置过小（＜1.2 s）,早期测量信号可能主要为接收框感应二次场,为探测的盲区。但发射框由于体积较小,其影响深度有限,主要反映浅部地质情况。盲区范围除受供电电流大小、接收线圈匝数、线圈材质影响外,还与地下介质物性、异常体物性、规模、埋深等因素有关。因此,不同测点其盲区范围也各不相同。

3.2不同时刻各介质对二次场的响应特征

分别选择高阻体、低阻体中心顶、底面处,绘制1.2～1.8s间二次场对数随时间变化曲线,见图6。由图可见,供电电流关断后,二次场随时间呈指数快速衰减,且异常体顶部感应二次场强度比底部高。关断早期,由于不同异常体物性差异大,感应二次场相差亦大;关断晚期,由于二次场快速衰减,两者差距缩小、甚至重合。相比而言,低阻异常体变化曲线斜率更大,表明其二次场随时间衰减更快,对二磁场反应更加灵敏。

图5　T＝1.2 s时不同深度二次场强度变化曲线

4　验证试验

本次试验在拟建龙门峡南矿水平大巷展开,向工作面内进行探测。仪器为加拿大Geonics公司生产的Pro TEM 47瞬变电磁探测仪,测线长度为50 m,测点间距5 m,依次编号1＃、2＃、……10＃,采用共面偶极装置方式进行探测。

该水平大巷自侏罗系中下统自流井组（J1－2z）底部开口,向东依序穿过侏罗系下统珍珠冲组（J1zh）,三叠系上统须家河组（T3xj）、中统雷口坡组（T2l）、下统嘉陵江组（T1j）、飞仙关组（T1f）,二叠系上统长兴组（P2c）、龙潭组（P2l）和下统茅口组（P1m）等地层,开采背斜东、西两翼的K1煤层。因拟建矿井主平硐和K1煤层开采系统分别位于井田内深层循环带和水平循环带中,埋藏深度较大,其主要充水水源为砂岩裂隙含水层和石灰岩岩溶含水层地下水,前者仅对主平硐产生充水,后者对主平硐、暗斜井和煤层开采系统均不同程度产生充水。距起测点约28 m处的巷道右帮,有小股水流从裂隙流出,沿排水沟排走,水源深度不详。

图6　高、低阻异常体中心点顶、底面处二次场对数随时间变化曲线

影响一次场强度的因素很多,包括供电电流大小、线圈匝数、线圈的性质、地下介质的物性等。各测点一次场强度变化如图7所示,出水点附近（5＃与6＃测点之间）的一次场强度有明显的跳跃增强,且8＃测点处的变化更加明显。为对比分析一次场变化的原因及规律,分别选择出水点附近及其左右两侧（3＃、6＃、8＃测点处）实测二次场,绘制二次场—时间对数变化曲线见图8。由图可知,早期（620 ns前）测得的二次场随时间衰减较快,且曲线形态基本一致,说明浅部物性差异小;晚期（620 ns后）测得的二次场出现跳跃,3＃和8＃两处曲线形态相似且近于重合,表明两者间物性差异较小,而6＃测点处二次场明显高于前二者,说明深部物性差异较大。对比分析表明,低阻异常对二次场反应更灵敏,其感应二次场更强。由此可以推断6＃测点深部为低阻异常。

图7　各测点一次场强度变化曲线图

图8　二次场—时间对数变化曲线图

实测数据经软件反演后,绘制视电阻率—深度变化曲线如图9所示,3＃、8＃测点处曲线形态相似且数值大小相近,6＃测点处不同深度上的视电阻率均小于前二者,尤其60～65 m测深处,三者差异最大。除此之外,6＃测点处浅部盲区小,探测深度小;而3＃、8＃测点处浅部盲区大,探测深度亦大,与三维模拟结果是一致的。所有测点经反演后,绘制视电阻率等值线如图10所示,出水点处与两侧围岩相比,呈现明显的低阻异常反映,并与深部低阻异常区连通。经矿方钻孔验证,约62 m进尺处出现破碎带。

5　结论

（1）一次场向周围介质传播时,若遇到地质异常体,由于物性差异会影响电磁波的正常传播,相比而言,低阻异常对电磁波具有更强的吸收和干扰作用。供电电流关断后,一次场迅速衰减,并在低阻异常体和接收框中均激发较强的二次场。接收框体电导率大,其中心二次场更强;而低阻体体积较大,其二次场影响和分布范围更广;高阻体感应的二次场则不甚明显。相比而言,低阻处浅部盲区小,探测浅;其它位置盲区大,探测深。

图9　3＃、6＃、8＃测点处视电阻率—深度变化曲线图

图10　视电阻率等值线图

（2）应用瞬变电磁法进行井下探测时,若关断时间设置过小,早期测量的信号可能主要为接收框感应的二次场,为探测的盲区。但发射框由于体积较小,其影响深度有限。盲区范围除受供电电流大小、接收线圈匝数、线圈材质影响外,还与地下介质物性、异常体物性、规模、埋深等因素有关。因此,不同测点其盲区范围也各不相同。

（3）现场实测表明,出水点附近一次场强度有明显的跳跃,而二次场曲线形态与深部异常区的位置有关。当浅部物性差异较小时,不同测点早期测得的二次场曲线形态基本一致;当深部物性差异较大时,晚期二次场出现跳跃,出水点处的二次场强度明显高于其他测点。出水点水源深度附近的视电阻率偏小,且盲区小、探测深度浅;而正常地层区浅部盲区大,探测深度亦大。

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（责任编辑郭东芝）

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

中图分类号P631

文献标识码A

基金项目:∗北京市教育委员会科技计划面上项目（PXM2013_014225_097947）

作者简介:占文锋（1979－）,男,湖北武汉人,博士学历,副教授,主要从事物探方面的教学与科研工作。