隧(巷)道掘进工作面-钻孔瞬变电磁超前探测方法物理模拟试验研究

孙怀凤，程 铭，宿传玺，李术才，王世睿，张乐文，范秋雁，李海燕，李 凯

(1.山东大学 岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061; 2.广西大学 资源与冶金学院，广西 南宁 530004)

隧(巷)道掘进工作面-钻孔瞬变电磁超前探测方法物理模拟试验研究

孙怀凤1，程 铭1，宿传玺1，李术才1，王世睿1，张乐文1，范秋雁2，李海燕1，李 凯1

(1.山东大学 岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061; 2.广西大学 资源与冶金学院，广西 南宁 530004)

隧(巷)道掘进工作面-钻孔瞬变电磁超前探测方法是在隧(巷)道超前钻孔的基础上，将接收传感器置于钻孔之中，沿钻孔不同深度进行测量，形成瞬变电磁响应的深度-时间剖面曲线，进而判定掘进工作面前方是否存在含水构造。物理模拟试验显示：在使用较小发送磁矩情况下，深部很难观测到有效信号;使用较大发送磁矩激发时，晚期时间和深部会出现感应电压方向反号的现象，利于判断异常体的存在，且掘进工作面前方存在高阻或低阻目标时观测曲线在幅值和方向反号时间上均存在明显差异，可以判断掘进工作面前方是否存在异常构造。该方法利用已有钻孔开展探测，不需要增加额外成本，可提高判定灾害源是否存在的精度。

隧(巷)道;超前地质预报;掘进工作面-钻孔瞬变电磁;物理模拟

近年来，随着我国在基础设施领域投资规模的加大和对矿产资源依赖性的增强，以铁路、公路为代表的交通基础设施建设取得了较快的发展，煤炭、金属矿山开采深度日益增大，带动了我国隧(巷)道建设的大发展。我国矿山开采和建设中的防治水是保障安全生产的重要环节。由于地质条件复杂，隧(巷)道修建过程中面临的突水、突泥等地质灾害问题越来越多，使用地球物理方法进行超前探测是有效避免突水突泥等地质灾害的有效手段之一。目前地震和电法勘探都在隧(巷)道超前探测中广泛应用[1-7]，取得了良好的效果。针对隧(巷)道突涌水灾害问题，瞬变电磁法[8-9]因其对低电阻率特征的含水体反应灵敏，得到广泛应用[10-17]，由此发展出多点阵列式探测方法[18-19]、平行磁场响应探测方法[20]、地面-井下瞬变电磁法[21]以及不同收发装置等多种瞬变电磁观测方法、装置型式和解释方法[22-23]。然而，由于物探方法的多解性以及隧(巷)道内金属构架等电磁干扰的影响，探测结果有时并不理想。基于上述原因，结合隧(巷)道超前预报一般会设置超前钻孔的做法，研究了隧(巷)道掘进工作面-钻孔瞬变电磁超前探测方法，该方法将发射线圈布置在掘进工作面上，接收磁探头置于钻孔之中，在不同的接收位置进行瞬变电磁二次场衰减信号的采集，通过分析获取的不同深度、不同时间的瞬变电磁响应曲线，可以获得掘进工作面前方含水构造的位置和规模，提高钻孔的利用率和隧(巷)道超前预报的准确性。

笔者采用物理模拟试验的方法验证隧(巷)道掘进工作面-钻孔瞬变电磁超前探测方法的有效性，试验发现：隧(巷)道深部观测的信号与发送的磁矩有关。选择的发送磁矩越小，隧(巷)道深部观测的信号越微弱;选择较大的发送磁矩，隧(巷)道深部和晚期时间会出现感应电压方向的反号，并且如果掘进工作面前方存在高阻或低阻异常体，观测曲线在幅值和方向反号时间上存在明显差异，由此可判断前方是否有异常体。该方法利用现有钻孔进行探测，不仅能节约成本，更能准确的判断是否存在灾害源。

1 方法原理

地-井瞬变电磁一般在地面敷设大回线框作为发射源，在井中布置磁探头接收不同深度的瞬变电磁响应信号。与地-井瞬变电磁法类似，在隧(巷)道中进行探测时将发射回线框布设在掘进工作面上，通过推送装置将接收磁探头送入超前钻孔中，在不同的深度接收瞬变电磁响应，对低阻含水体进行判识。隧(巷)道掘进工作面-钻孔瞬变电磁与地-井瞬变电磁的基本原理类似，但装置型式受探测空间限制，发射线圈不能太大。隧(巷)道掘进工作面-钻孔瞬变电磁的布置方式如图1所示。

图1 隧(巷)道掘进工作面-钻孔瞬变电磁装置布设示意Fig.1 Schematic diagram of tunnel face-borehole transient electromagnetic

对于隧(巷)道超前探测而言，将接收探头置于钻孔之中，能够有效降低掘进工作面后方施工机械、初支钢筋网片、锚杆等对瞬变电磁探测的影响，有利于含水构造的判断。对于高风险岩溶隧(巷)道，在掘进工作面施工超前钻孔是经常采用的超前探测方式。如图2所示，当掘进工作面前方存在含水构造时，仅在掘进工作面布设1个钻孔有时无法探测到灾害源，一旦开挖则可能发生突涌水灾害，如果在已经施工的钻孔基础上增加掘进工作面-钻孔瞬变电磁探测，接收探头放在钻孔中，距离含水构造非常近，通过对采集的信号进行成图和分析，能够确定灾害源的存在。该方法相比传统瞬变电磁观测能够获得更好的异常响应幅值，并能够有效避免隧(巷)道内金属构件对二次场信号的干扰。

图2 隧(巷)道掘进工作面-钻孔瞬变电磁探测方法示意Fig.2 Scheme of electromagnetic distribution of tunnel face borehole TEM

2 物理模拟

2.1 相似原理与方案设计

为使地球物理探测模型试验能够反映真实条件下地质异常体的响应特征与规律，在进行试验时必须考虑相似性，包括模型试验的电性参数、收发参数、时间参数等都必须遵守相似准则。

宏观电磁场在介质中的传播服从Maxwell方程组，基于Maxwell方程组，可以推导得到电磁场瞬变电磁场的物理模拟基本准则[24-25]:

式中，σ为电导率;μ为磁导率;ε为介电常数;t为采样时间;L为所有线性尺度;下标m表示模拟系统;下标r表示野外实测系统。

可以获得本次试验电性参数相似比为

进行物理模拟试验时的围岩采用黏土、水泥、碎石、水等配制相似材料，具体配制比例请参考文献[26]。

基于电磁场的相似性原理(表1)，设计3组不同参数的模型试验(表2)，分别考察不同匝数、发射基频的情况下，掘进工作面前方含水构造的异常响应特征。

表1物理模拟与原型参数电阻率相似对照
Table1Resistivityofphysicalsimulationandprototypeparameterssimilaritytable

Ω·m

表2设计的3组模型试验参数
Table2Designed3groupsofmodelparameters

组号线圈边长/(m×m)线圈匝数发射基频/Hz11×1125/22521×1325/22531×1725/225

模型试验在山东大学隧(巷)道超前地质预报物理试验系统上进行(图3)，掘进工作面上预留的钻孔作为接收探头移动的钻孔，预留钻孔长11 m，接收传感器采用有效面积为212 m2的高频铁氧体磁探头，采用PVC管作为递送杆，并在递送杆上标记刻度(图4)。

图3 山东大学隧(巷)道超前地质预报物理试验系统示意Fig.3 Physical model test system build in Shandong University

图4 试验时在掘进工作面布设的1 m×1 m×7匝发射线圈Fig.4 An example of 1 m×1 m×7 turns transmitter loop in the tunnel face during experiment

2.2 瞬变电磁响应对比

通过在掘进工作面前方设置充水构造模型和无水构造模型，用来模拟掘进工作面前方含水体的异常响应。其中无水构造模型用来模拟高阻目标，例如非充填型构造、充填断层中充填物为干燥土体等;充水构造模型用来模拟充水断层、溶洞等,设计位于掘进工作面前方2.5 m，尺寸为2 m×2 m×1 m的含水构造来模拟实际工程中掘进工作面前方12.5 m处，尺寸为10 m×10 m×5 m的真实异常体(图5)。

图5 含水构造尺寸示意Fig.5 Scheme of the water bearing structures

2.2.125 Hz和225 Hz发射频率对比

根据设计的发射基频，分别使用25 Hz和225 Hz频率的双极性矩形脉冲作为激发源，将接收探头放置在钻孔中进行数据采集，并通过移动接收探头的深度形成剖面。从所有记录的40个时间道中按照对数均匀选取3个典型时间道的数据，并参考测井曲线的形式绘制瞬变电磁响应-深度曲线图(图6，7)。通过对比发现：尽管225 Hz具有较早的观测时间、较大的初始观测响应幅值，但其激发的电磁场信号主要集中在高频部分，在小线圈、小模型尺度的情况下，电磁波很难穿透，所以获得的数据曲线质量不如25 Hz的试验结果;在25 Hz的发射基频下，能够观测较长的时间，晚期数据质量较好，25 Hz发射时信噪比较高，曲线明显光滑。

图6 1 m×1 m发射线圈、1匝/3匝和25 Hz/225 Hz情况下不同时刻的深度-响应曲线Fig.6 Depth-TEM responses curves with 1 m×1 m loop,1 and 3 turns,25 Hz and 225 Hz

图7 1 m×1 m×7匝线圈发射时不同时刻的深度-响应曲线Fig.7 Depth-TEM responses curves with 1 m×1 m loop and 7 turns

2.2.2线圈匝数对比

在给定发射线圈尺寸为1 m×1 m情况下，采用1匝和3匝、25 Hz和225 Hz两种频率下获得的响应曲线如图6所示，图中蓝色曲线代表含水构造之中充满盐水，模拟低阻异常，红色曲线代表含水构造之中充满空气，模拟高阻异常。可以看出：在采用1匝发射线圈时，25 Hz发送基频获得的曲线明显比225 Hz时的曲线质量高，干扰较小;除1匝线圈、225 Hz发送基频的情况，其余3种发射参数据能够看到红色曲线和蓝色曲线发生明显分离，说明存在含水体和无含水体时的瞬变电磁响应赋值存在差异，并且蓝色曲线的幅值高于红色曲线，这与瞬变电磁在低电阻率异常目标中感应产生涡旋电流的物理实质吻合。但总体来讲，图6所列曲线在前方异常体充水和空气两种情况下的差异非常小，很难通过电阻率反演或曲线分析发现含水目标。

当发射线圈匝数增加到7匝后，试验发现了非常明显的“尖点”现象，“尖点”两侧的数据出现反号现象，这一现象笔者在讨论瞬变电磁平行磁场响应分量探测方法时曾经出现过[27]，认为这一现象应该是由于含水构造与周边围岩界面上电磁感应的作用出现了累积的界面电荷，伴随电磁场的向外扩散传播过程，界面电荷的耗散速度小于电磁场扩散速度造成的。从图7可以看出，尽管采用225 Hz发送基频的情况下也出现了尖点现象，但图中左侧曲线在早期并不能够很好的区分充水和空气，仅在晚期时间道出现了分离。相对而言，采用25 Hz的发送基频时充水模型和空气模型存在明显差异，并且“尖点”的出现时刻所对应的深度也存在明显的差异：在幅值上，充水模型的响应明显高于空气模型，这符合电磁场在水体中感应二次场较强的理论;在“尖点”位置上，空气模型的“尖点”位置明显早于充水模型，两个“尖点”均符合这一规律。这一现象表明当掘进工作面前方存在低阻或高阻异常时，均会出现观测数据的反号现象，并且高阻异常与低阻异常在观测数据幅值和反号时间上均有明显差异，对于识别掘进工作面前方的异常构造有帮助。

然而，数据反号的深度与掘进工作面前方含水构造的几何位置并不对应，设计的含水构造前后两个界面分别位于掘进工作面前方2.5 m和3.5 m，但“尖点”位置却出现在了5 m和8 m附近，这一现象推测应该是由于电磁场的滞后效应造成的，但其具体机理需要进行继续研究。

从图6，7所示的数据以及采用的参数来看，在采用7线圈时获得了明显的异常反应，且采用25 Hz获得的异常曲线比225 Hz时获得的异常曲线响应明显。分析其原因，主要是由于匝数增加导致发射磁矩增大(表3发送磁矩对比)，根据电磁场坡印亭矢量分析，7匝线圈时的发送能量是单匝线圈时的7倍，在较高的电磁场激励能量下，含水体中形成的涡电流能够达到较高水平，使用磁探头可以观测获得，而在较低的能量辐射下则无法观测到有效信号。因而，在实际探测时，要根据工况采用较大的发送磁矩，以在掘进工作面前方顺利激发二次场。笔者在进行试验时也设计了线圈边长为0.5 m的系列实验，由于面积减小导致发射磁矩按照指数大幅降低，获得的数据同样不能很好的反映上述规律，因而在分析时没有列出。

表3不同发射参数下的电磁场磁矩对比
Table3Electromagneticmagneticmomentcomparisonindifferentparameters

序号匝数电流/A发射磁矩/(A·m2)11m×1m×1匝0521m×1m×3匝051531m×1m×7匝35

为了对比不同发送磁矩参数下的瞬变电磁响应曲线，将试验中采集的25 Hz发送基频曲线、512.5 μs时刻瞬变电磁响应进行提取与深度曲线绘制(图8)，可以明显的看到：发送磁矩对瞬变电磁响应幅值的影响，即当采用较小的发送磁矩情况下，深部的采集数据已经在噪声水平以下，无法获得很好的响应曲线。

图8 25 Hz发送基频下不同匝数激励下的512.5 μs时刻 瞬变电磁响应曲线对比Fig.8 TEM responses comparisons with 25 Hz and different loop turns at 512.5 μs

3 结语与讨论

基于物理模拟平台，研究了隧(巷)道掘进工作面-钻孔瞬变电磁超前探测方法，发现该方法在较小发射磁矩下获得的响应信号较差，必须采用较大的发送磁矩以获得更好的响应;激发获得的晚期时间道响应明显，并且在探测范围内会出现2次响应幅值反号现象，可以作为判识异常的一个特征。

然而，该方法还存在一些解释不清的现象，例如反号位置与异常体前后边界的对应关系等，如果后期能够通过建立相关函数，通过反演获得异常体前后边界位置，则该方法会更有意义。另外，该方法的水体定位、水体规模估算等问题还没有解决，但作为一种新的方法，其发展对隧(巷)道超前预报是非常有必要的。

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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

山东省优秀中青年科学家奖励基金资助项目(BS2014HZ006);国家自然科学基金资助项目(41404104);国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2013CB036002)

孙怀凤(1982—)，男，山东邹平人，讲师，博士，博士后。E-mail:sunhuaifeng@gmail.com

孙怀凤，程铭，宿传玺,等.隧(巷)道掘进工作面-钻孔瞬变电磁超前探测方法物理模拟试验研究[J].煤炭学报,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