关断时间效应及其瞬变电磁场响应特征探析

占文锋，武玉梁，王 强

（1.北京工业职业技术学院建筑与测量工程学院，北京 100042；2.四川省煤炭产业集团公司，成都 610091）

关断时间效应及其瞬变电磁场响应特征探析

占文锋1，武玉梁2，王 强1

（1.北京工业职业技术学院建筑与测量工程学院，北京 100042；2.四川省煤炭产业集团公司，成都 610091）

在非理想关断情况下，关断时间大小将影响反演结果。通过设置不同的关断时间，开展全程信号的瞬变电磁场变化规律研究。结果表明：一次场随着关断时间的增加呈现逐渐减小的趋势，并影响到观测的二次场强度。因此要获得较高质量的反演数据，发送高质量的一次场尤为重要。电流关断前，受一次场减弱和起始采样时间延迟的影响，二次场强度随关断时间的增加而逐渐减小。电流关断后，受信噪比降低、深部电性差异等影响，二次场强度曲线存在跳跃，但差异不大。若关断时间过小，则反演深度较浅，且可能叠加一次场，导致信号失真；若关断时间过大，则易丢失浅部信息，造成较大的勘探盲区。因此现场探测时，需选择最佳的关断时间，既要满足勘探深度的要求，又尽可能不损失浅部信息，才能获得稳定、高质量的数据。

瞬变电磁；关断时间；一次场；二次场

1 问题提出

瞬变电磁法利用不接地回线发送一次脉冲电磁场，在一次脉冲电磁场的间歇期间，通过观测与研究二次涡流场随时间变化规律来探测介质的电性差异。然而，发射电流不可能用零时间关断，导致实际观测数据含有斜阶跃效应[1]。如图1所示T0～T1期间为发射电流关断过程中，包括一次场与二次场混合信号；T1～T2期间为发射电流关断后早期时段；T2之后为实际中晚期采样记录时间。目前国内外针对瞬变电磁法解释研究多从T2之后，舍弃关断过程与关断早期信号[2]。

在非零关断情况下，发射机硬件开关的性能、线圈对瞬变电磁场的响应、线圈之间的耦合互感、位移电流等作用，均会影响关断时间的大小[3-5]。如果忽略了这一关断时间，就会在前几个通道的视电阻率上产生很大误差，直接影响到解释结果[6-10]。如果关断时间没有足够短，则浅层地质信号会包含在关断过程中[11-12]。这就要求分析关断过程中二次场的变化规律，从中找出剔除一次场影响的方法，进而得到纯净的二次场信号进行有效反演，以便解释地下地质结构。国内外研究多是面向关断之后的反演解释，对关断过程中的一、二次场，尤其是纯二次场的变化研究较少[13]。因此，在非理想关断情况下，选择合适的试验场所，开展全程信号（尤其是关断过程中与关断后早期）的瞬变电磁场变化规律研究，对瞬变电磁法精确反演具有重要意义。

图1 不同关断阶段瞬变电磁场响应示意图Figure 1 Schematic diagram of transient electromagnetic field response at different T/O stages

2 试验区概况

2.1 试验区地质特征

风凰洞煤矿位于四川省广安市邻水县，主采二叠系龙潭组K1煤层，平均煤厚1.28 m。煤层直接顶板为0.30～0.50 m厚的炭质泥岩，间接顶板为中厚层粉砂岩、细砂岩，直接底板为灰黑色炭质泥岩。目前，+730 m平硐和轨道下山南翼的+667 m水平以上为采空区，浅部K1煤层已开采，矿区上部零星分布老窑。据四川省安科院对其水害隐患分析资料，矿区范围内大部分采空区已充水，矿井正常涌水量12.5 m3/h，最大涌水量20.0 m3/h，矿井水均从现有+ 730 m平硐自然流出。矿井中部采空积水量约65072 m3，南部积水量约36 260 m3，二采区生产时可能受水患威胁。

2.2 试验方案与参数选择

本次瞬变电磁探测沿运输大巷迎头布设两条测线，各5个测点，每测点按15°偏转，分别探测撑面前方水平方向和垂直方向各一个扇形区（图2）。距迎头约100 m处为邻近采空区边界。设备选用加拿大Geonics公司Protem47HP型瞬变电磁仪，发射框1.5 m×1.5 m，发射电流2.1±0.05A，发射频率为25 Hz，采样门设为30门，观测时窗为6971.2 μs。关断时间设置颇为关键，一般通过查询操作手册并结合现场试验确定，本次操作手册查询值为165 μs。对于相同的工作装置和参数，关断时间一般固定。为研究不同阶段感应磁场的变化规律，本次试验分别设置145 μs、155 μs、165 μs、170 μs、175 μs等5个关断时间开展对比试验，并将其划分为电流关断前（145 μs和155 μs）、电流关断时（165 μs）、电流关断后（170 μs和175 μs）三个阶段（图3）。理想状况下，145 μs和155 μs测得的应为一次场与二次场叠加数据，165 μs测得的为电流关断时的纯二次场数据，170 μs和175 μs测得的为电流关断后的纯二次场。通过观测各阶段一次场、二次场变化规律，从而确定出最佳关断时间，为精确反演提供依据。

图2 井下探测工程布置示意图Figure 2 Schematic diagram of underground prospecting engineering layout

图3 不同关断时间分段示意图Figure 3 Schematic diagram of different T/O time segmentation

3 电流关断过程中电场变化规律

3.1 不同关断时间原始一次场、二次场变化规律

选择不同关断时间下一次场、二次场实测数据，绘制其变化曲线如图4所示。图4a表明一次场随着关断时间的增加，呈现跳跃减小的趋势。

图4 中心点处不同关断时间原始一次场、二次场变化曲线Figure 4 Different T/O time primary and secondary field variation curves at center point

二次场的强弱、方向和分布规律不仅取决于导体的电磁性质、大小、产状等因素，还与一次场的强度、频率及其与异常体间的感应耦合有关。因此，一次场的强弱会间接影响到观测的二次场强度。由于受参数、仪器稳定性及现场环境等影响，155 μs较145 μs时二次场衰减曲线更为理想可靠（图4b），故分析时以155 μs为主，145 μs仅作参考。

图4b表明，在1582.5 μs（图4b虚线处）之前，二次场强度随关断时间增加而逐渐减小。原因可能是随着关断时间增加，受一次场影响逐渐减弱的缘故；另一方面由于发射电流需要一个很短的附加时间才能稳定至零，所以采样时间均在关断之后略晚一点开始（本次为6.8 μs），故关断时间不同，其起始观测时间亦不同，关断时间越小，其起始观测时间越早，信号愈强。1582.5 μs之后，一方面由于晚期信噪比降低引起各二次场强度曲线存在跳跃；另一方面，鉴于整体曲线此时均呈反向增大形态，推测为低阻异常体影响所致（低阻体较高阻体衰减慢）。

3.2 不同关断时间电阻率-深度变化规律

原始数据经BETEM软件反演拟合后，绘制电阻率—深度变化曲线（图5），除145 μs曲线形态不完整外，其它四条曲线形态基本相似。但不同关断时间反演深度各不相同。155 μs时为15～70 m，165 μs时为15～60 m，170 μs时为20～120 m、175 μs时为20～140 m。

当关断时间较小时，观测早、中期信号多，晚期信号少，反映浅部地电信息多；当关断时间较大时，早期信号少，中、晚期信号多，反映深部地电信息多。因此，随着关断时间的增加，反演深度亦增加，最后趋于稳定。同时，随着关断时间的增加，电阻率—深度关系曲线反映的局部信息更加丰富。

图5 中心点处各关断时间条件下电阻率—深度关系曲线Figure 5 Resistivity-depth curves under various T/O time conditions at center point

将上述曲线综合绘制如图6所示，分析表明关断时间的大小最终影响到反演结果。关断时间小，则反演深度较浅；若关断时间过大，则易丢失浅部信息，造成较大的勘探盲区。因此现场探测时，需根据操作手册和现场试验，确定最佳关断时间。

图6 中心点处各关断时间条件下电阻率—深度对比关系曲线Figure 6 Resistivity-depth correlation curves under various T/O time conditions at center point

通过数据对比分析，本次关断时间选择170 μs（＞165 μs），既满足了勘探深度的要求，又尽可能不损失浅部信息。在随后的测试过程中，获得了稳定的、高质量的观测数据。

4 电流关断后纯二次场变化规律

4.1 同一关断时间原始一次场、二次场变化规律

确定最佳关断时间（170 μs）后，对水平方向（E1）和垂直方向（N1）两条测线共进行了10组数据测量，并绘制出原始记录的一次场、二次场实测数据变化曲线。

图7表明，在同一关断条件下，不同测点处的一次场并无明显的变化规律。各测点二次场曲线在1582.5 μs之前基本吻合；1582.5 μs之后虽然有跳跃，但其相互之间差异较小（为0.001～0.01），除与前述信噪比降低有关外，也可能与不同测点深部介质电性差异有关。

图7 不同点处同一关断时间原始记录一次场、二次场变化曲线Figure 7 Original record primary and secondary field variation curves at different points with identical T/O time

4.2 同一关断时间电阻率-深度变化规律

原始数据经BETEM软件反演拟合后，分别绘制水平方向和垂直方向电阻率等值线图（图8），分析表明：掘进迎头20～120 m内（20 m以内为盲区），电阻率随探测深度的增加而逐渐减小，且在80m深度前方及中心点两侧均出现低阻异常反映，推断为邻近采空区边界。

图8所示水平方向和垂直方向电阻率分布特征与低阻异常区的位置均能产生很好的对应关系，最大的不同在于中心点处的电阻率值差异较大。为分析其原因，将中心点处的数据加以对比。

4.2.1 一次场、二次场差异

将水平方向和垂直方向中心点处归一化的磁场变化率∂B/∂T（DB）进行对比，可得到如图9所示曲线，两者形态差异较大，可能受巷道正后方掘进机干扰所致。对比分析表明：水平方向早期信号丰富，晚期信号偏少；而垂直方向早期信号偏少，晚期信号丰富，这会导致不同方向上反演的深度信息存在差异。虽然水平方向的二次场高于垂直方向，但两者在尾枝（图9中红色圆圈处）均呈现前述二次场反转增加。

图8 水平方向（左）和垂直方向（右）电阻率等值线图Figure 8 Horizontal(left)and vertical(right)resistivity isograms

图9 水平方向和垂直方向中心点计算DB对比图Figure 9 Horizontal and vertical center points computed dB correlation

4.2.2 电阻率-深度曲线差异

图10为不同方向电阻率—深度关系曲线，垂直方向中心点处的电阻率值均比水平方向电阻率值高，而其它测点之间的差异不大。对比分析，垂直方向反演深度深（-30～-100 m），但盲区大（＞30 m）；而水平方向反演深度浅（-20～-70 m），但盲区小（＜20 m）。因此对中心测点进行解译分析时，可参考其它测点的反演结果。虽然各条曲线形态存在差异，但并未改变电阻率随深度增加而逐渐减小的趋势，表明不同方向的探测结果基本是一致的。

图10 水平方向和垂直方向中心点电阻率-深度曲线Figure 10 Horizontal and vertical center points resistivity-depth curves

5 结论

（1）一次场随关断时间增加，呈逐渐减小趋势，并间接影响二次场强度。电流关断前，受一次场影响减弱和起始采样时间延迟影响，二次场强度随关断时间增加而逐渐减小。电流关断后，受信噪比降低、深部电性差异等影响，各二次场强度曲线存在跳跃，但差异不大。

（2）关断时间的大小会影响反演结果。若关断时间过小，则反演深度较浅；若关断时间过大，则易丢失浅部信息，造成较大的勘探盲区，因此现场探测时，需选择最佳的关断时间，既要满足勘探深度的要求，又尽可能不损失浅部信息。

（3）在同一关断条件下，不同测点处的一次场并无明显的规律性变化。虽然各测点二次场曲线形态及反演电阻率-深度曲线均存在差异，但并未改变电性介质变化的基本规律，表明不同方向的探测结果基本是一致的。但受仪器性能、现场试验条件、采集数据质量和数量等诸多因素影响，以上工作有待今后更多工程实践进行检验和深化。

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Study on Turn-off Time Effect and Its Transient Electromagnetic Field Response Characteristics

Zhan Wenfeng1,Wu Yuliang2and Wang Qiang1
(1.School of Architecture and Surveying Engineering,Beijing Polytechnic College,Beijing 100042; 2.Sichuan Coal Industry Group Co.Ltd.,Chengdu,Sichuan 610091)

The effect of current turn-off(T/O)time is a knotty problem in TEM,which could affect the inversion results.By setting different T/O time,a study on variation of transient electromagnetic field has been carried out.The study has shown that the primary field decreasing along with the increasing of T/O time,which has directly influenced the secondary field intensity.In order to obtain highquality observation data,the quality of the primary field is also very important.During the current shutdown,affected by the primary field and the delay of initial sampling time,the secondary field intensity has decreased along with the T/O time.After the current shutdown,effected by signal-to-noise ratio decreasing,and deep part electrical property contrast,on the secondary field intensity curves will arise some jumps,but the difference is not significant.If the T/O time is too small,the inversion depth will be shallow,or may be superimposed with the primary field,thus will cause inversion results distortion.If the T/O time is too large,the shallow information will be easily lost and produced greater prospecting blind zones.Therefore,in order to obtain stable and high-quality observed data,it is necessary chosen best T/O time to meet requirements of prospecting depths,and without shallow part information losing.

transient electromagnetic;T/O time;primary field;secondary field

P631.3

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.01.16

1674-1803(2017)01-0073-06

北京市教育委员会科技计划面上项目（PXM2013_ 014225_097947）；校内重点课题资助（bgzykyz201606）

占文锋（1979—），男，湖北武汉人，博士，教授，主要从事物探方面的教学与科研工作。

2016-09-18

责任编辑：孙常长