高压线下瞬变电磁多匝小线框重叠回线装置的改进与应用

刘镜竹， 罗国平

(中国煤炭地质总局地球物理勘探研究院，河北涿州 072750)

0 引言

地面瞬变电磁勘探在20世纪90年代初引入到煤矿区水害预测防治中，现已成为我国煤矿采区勘探常规方法，其勘探成果较好地指导了煤矿的防治水工作[1-10]。随着我国经济的发展，需开展地面瞬变电磁勘探的煤矿区，人文活动越来越频繁，空中高压线越来越多，人文电磁干扰越来越大，高压线等对瞬变电磁数据的干扰越来越大，严重影响了瞬变电磁方法的勘探效果，限制了地面瞬变电磁法的开展。目前对高压线干扰的压制一般采用提高采集数据信噪比的思路，方式有增加发射机的功率、采用高叠加次数、多次重复观测人工选择。由于高压线的干扰比瞬变电磁本身响应大几个数量级，压制效果并不理想。

针对高压线对地面瞬变电磁数据产生严重影响，基于20多年开展多匝小线框重叠回线装置地面瞬变电磁勘探经验，探讨偏移倾斜多匝小线框重叠回线装置在高压线下含水异常区的探测方法。通过在高压线干扰影响范围外的区域调整发射多匝小线框与地面的夹角，改变瞬变电磁勘探的探测方向，探测高压线干扰影响范围内的地下含水地质异常体。方法从数据采集技术着手，研究压制高压线干扰。

1 研究区概况

研究区位于华北某煤矿区，地表几乎全为新生界黄土覆盖，整体地形较为平坦，个别地段分布有小的冲沟、土丘，其余地段为黄土堆积低山。研究区东南部有1条矿用铁路，对瞬变电磁勘探影响较大。区内地层由老到新为奥陶系中统、石炭系上统本溪组与太原组、二叠系下统山西组和下石盒子组、二叠系上统上石盒子组、第四系，主要含煤地层为太原组、山西组。研究区影响煤层开采的水源有煤层顶板砂岩裂隙水、第四系孔隙水、煤层底板太原组灰岩水、奥灰水。依据开采资料，主要水害为煤层顶板砂岩裂隙水、太原组灰岩水，在没有断裂构造破坏隔水层的情况下第四系孔隙水、奥灰水对煤层开采的影响较小。

在研究区3km2范围内有高压线5条(图1)，若采用瞬变电磁法定源回线装置采集数据，只有0.5km2范围的数据不受高压线的干扰影响，达不到开展地面瞬变电磁勘探的地质目的。因此选择采用多匝小线框重叠回线装置开展工作，并针对引起水害主要目标层——煤层顶板砂岩、太原组灰岩进行偏移装置测量。

图1 研究区高压线分布及测线示意图

2 高压线干扰范围

煤矿区地面瞬变电磁勘探常采用磁性源发射一次场，勘探装置采用重叠回线装置、定源回线装置，研究区的1条矿用铁路限制了定源回线装置的使用，重叠回线装置也只能使用相对较小的线框边长。图2是100m边长重叠回线装置与多匝小线框重叠回线装置距高压线不同距离的噪声分析图，100m重叠回线装置与高压线距离小于240m时，噪声远大于测区噪声水平。多匝小线框重叠回线装置的噪声与测区噪声水平相当，可以采集到高信噪比的二次场感应电压数据。

图2 不同装置距高压线不同距离的噪声曲线

结合以往其它勘探项目分析认为，高压线对多匝小线框重叠回线装置的干扰影响远小于定源回线装置和大尺寸的重叠回线装置，它的影响程度受数据采集装置与高压线的距离、测点与高压线的空间相对位置关系控制。

图3是野外实测多匝小线框重叠回线装置距110kV高压线不同距离的二次场衰减曲线，图中可以看出，距高压线0m(高压线下)的曲线从早期到晚期都受影响，提取不到有用信号，数据根本不可用；距高压线20m的数据还可以看出二次场衰减的基本特征，可以提取部分数据信息，但会影响最终成果精度；距高压线40m的二次场感应电压仅晚期受高压线的干扰，早期数据可用于浅部地质体解释，晚期数据中也可提取部分数据信息；距高压线60m的瞬变电磁二次场感应电压与正常地段一致，基本不受高压线的干扰。

图3 多匝小线框距高压线不同距离的瞬变电磁衰减曲线对比

3 偏移倾斜测量装置

多匝小线框重叠回线装置受高压线的干扰影响较小，但在高压线下60m范围内仍受高压线的干扰，偏移倾斜测量方法就是在高压线影响范围外的区域调整多匝小线框重叠回线装置与水平面的夹角，改变装置的探测方向，探测到高压线影响范围内的地下地质异常体。

多匝小线框重叠回线装置在不同地质条件、地层电性特征、目的层深度时使用的匝数通过试验确定，不同勘探区使用的匝数不同，因此倾斜测量多匝小线框不能采用传统瞬变电磁仪器类似的固定探头结构。固定装置主要考虑下面几点：

由于铁合金经预氧化和高温熔融后以氧化物的形式融入玻璃片中，不同的样品氧化增重不同，直接灼烧铁合金时，即使同一样品氧化程度也不一致，另外，同一瓶熔剂的上下层[4]熔融质量损失也有差别，因此，样品在玻璃片中的稀释比无法事先确定。本文采用固定称样量为0.2000g，熔剂的总质量为6.0000g，在熔融制样完成后称量玻璃片质量，然后计算出样品玻璃片与标准玻璃片的质量比，用此比值校正测量结果。

1)便于长途搬运，野外施工轻便；

2)方便调整倾斜多匝小线框的角度，达到控制探测主要目的层的目的；

3)相对结实耐用，确保同一工程使用同一固定装置；

4)固定装置本身不产生电磁感应干扰，或产生的电磁感应小且稳定。

图4为研制的偏移倾斜测量固定装置示意图，它由正方形发射小线框(边长L)固定架、方形接收小线框(边长l)固定架、线框间固定连接装置、倾斜角度调节高H和各边框间直角活节等组成。固定架通过倾斜角度调节高(H)调节，倾斜调节高H=L×sin(θ)。

图4 多匝小线框偏移倾斜测量装置示意图

偏移测量测点尽量选择在地形平坦的地段，利于倾斜角度的控制。

4 偏移倾斜测量瞬变数据采集与处理

4.1 数据采集方法

偏移倾斜测量按目的煤层埋深D、小线框倾斜角度θ=10°反算偏移距离X=Dtan(θ)，研究区2个主要目标层平均深度分别为450m、550m，偏移距离为79m、97m，距离满足大于60m范围不受高压线干扰影响的要求。为了分析倾斜测量的有效性，在东南部近南北向的1条高压线沿高压线东、西两侧布置倾斜测量测线(图1)，2条测线的测点以高压线为轴对称编号。图5是高压线东西两侧相对应的倾斜多匝小线框电阻率断面图，煤层顶板附近电阻率沿桩号变化特征一致，在桩号2 440处有微弱的低阻异常显示，异常位于已知断层SF9向东端延伸80m处。相向测量的两条测线电阻率断面图在目标层附近的电性变化特征、异常位置的一致性说明了偏移倾斜测量的有效性。

图5 煤层顶板相向倾斜测量电阻率断面图

4.2 倾斜测量与水平测量对比

图6 水平测量与倾斜测量多测道曲线对比

图7是偏移测量与水平测量的瞬变电磁反演电阻率断面对比图，倾斜测量的电阻率断面图中在目的煤层附近桩号1 280处有一个电阻率低的异常，异常较明显；水平测量的电阻率断面图中低电阻率位于桩号1 280～1 320，异常明显。另外，桩号1600附近都有一个电阻率低的异常，倾斜测量的异常比水平测量的异常幅度更大。

图7 水平测量与倾斜测量电阻率断面图

从电阻率断面图对比分析可以看出，小线框两种方式布设测量得到的电阻率等值线形态基本一致，得到的异常或电阻率等值线特征在空间上具有延续性。

4.3 反演电阻率偏移归位及融合处理解释

正常水平线框测量数据的反演得到的是测点不同深度的电阻率，可以直接用地面高程减去深度得到测点下方不同高度水平的电阻率。而倾斜线框测量数据的反演得到的是离地面测点沿探测方向不同距离的电阻率，需通过一定的计算进行测点位置、高程的改正。

高程改正ΔH=H·cosα

(1)

X改正ΔX= -H·sinα·cosβ

(2)

Y改正ΔY= -H·sinα·sinβ

(3)

式中：H为探测距离，m；α为线框倾角，(°)；β为线框倾向方位角，(°)。

在煤矿区地面瞬变电磁法数据处理中，规则网格测量的瞬变电磁数据按测线反演、网格化后，沿目的层抽取电阻率是数据处理的基本步骤。受高压线的干扰影响，顺层电阻率等值线在高压线附近呈现为顺高压线的条带分布(图8左)。融合处理的第一步是将受高压线干扰影响的数据删除(图8)；第二步是沿目的层偏移倾斜小线框重叠回线装置的反演电阻率并进行数据标准化，数据补充到去除了高压线干扰的平面中；第三步是将融合的电阻率成图并进行解释(图8右)。从偏移倾斜测量数据代替前后顺层电阻率对比分析看，研究区西北部2条高压线交叉部位正常测量数据电阻率低的特征明显(图8标识1)，该电阻率低是一个局部异常，与周边没有连续性；用偏移倾斜测量电阻率代替后这个局部电阻率低基本消失，周边等值线连续性好。研究区中部正常测量数据沿高压线有一个电阻率等值线条带状异常(图8标识2)，偏移倾斜测量数据融合处理后的条带状异常消失，基本压制了高压线的干扰影响。研究区南部电阻率等值线有一个北西向条带异常(图8标识3)，高压线将条带异常分割，融合偏移倾斜测量数据合的条带异常明显，高压线没有错断条带异常。

图8 偏移倾斜测量与水平测量融合处理解释成果对比

分析表明，偏移倾斜测量的反演电阻率数据偏移归位后与不受高压线影响的数据进行融合，电阻率等值线图中受高压线的干扰得到了抑制，解释成果与研究区地质特征相符。

5 结论

通过对瞬变电磁多匝小线框重叠回线装置的改进，以偏移倾斜测量的方式应用于压制高压线对地面瞬变电磁数据的干扰影响，将该方法用于实际生产项目，取得了较好的勘探效果。

1)通过多匝小线框受高压线的干扰影响范围的研究分析，研制了适合野外生产的多匝小线框偏移倾斜测量固定装置。

2)对高压线外倾斜测量的瞬变电磁数据进行了研究分析，多测道曲线较相同位置正常测量的多测道曲线异常多。但不管是多测道曲线，还是电阻率断面图，异常与正常测量得到的异常在空间上具有延续性。

3)通过高压线干扰范围外倾斜小线框进行数据采集，采用测线数据单独处理、平面数据融合处理、最终成果综合解释可以很大程度上压制高压线对瞬变电磁的干扰，完善高压线下煤矿区水害探测的成果解释。