矿井超浅层高分辨率瞬变电磁探测技术

2020-08-19张军

煤田地质与勘探 2020年4期

张军

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710077)

矿井瞬变电磁法勘探技术具有体积效应小、施工效率高等优势，在煤矿水文地质探测中发挥着越来越重要的作用[1-3]。矿井瞬变电磁法勘探会受到地层吸收衰减、环境噪声干扰等因素影响，常规矿井瞬变电磁探测方法盲区较大，给煤矿精细化探测以及矿井瞬变电磁数据的处理与解释带来难题[4-6]。如何实现矿井瞬变电磁超浅层高分辨率探测成为关键技术问题。

在瞬变电磁弱异常的增强与处理方面，李貅等[7]提出采用纵向电导进行微分成像以取代常规视电阻率的解释方法，以“电性同相轴”的方式展现电性界面的分布形态；嵇艳鞠[8]提出一次感应电压及其过渡过程对全程瞬变响应的影响，分析了剔除一次场的过渡过程可以获取全程瞬变二次场，使探测深度变小；程久龙等[9]开展了瞬变电磁数据拟地震成像的研究，对电性界面进行准确划分。

目前采用的矿井瞬变电磁探测系统，由于受到硬件及数据处理软件方面的制约，导致探测盲区深度较大，很难反映煤(岩)层浅层的地质信息；探测分辨率不高，尤其是在纵向分辨率方面无法令人满意[10-13]。基于以上原因，从矿井瞬变电磁硬件、软件及探测方法等方面进行了研究。提出适用于矿井的瞬变电磁超浅层高分辨率探测技术，该技术可以很好地解决目前存在的这些问题，实现矿井瞬变电磁超浅层高分辨率探测的目标。

1 超浅层高分辨率探测原理

影响瞬变电磁最小探测深度的主要因素有：关断时间、线圈过渡过程、线圈匝数及边长、地层表层电阻率等。在这些因素中，地层表层电阻率在不同采样地点有所差异，且无法通过技术手段改变。只有研究其他几个影响最小探测深度的因素，通过优化相关参数，达到矿井瞬变电磁浅层高分辨率探测的目的[14-16]。

矿井瞬变电磁测量的有效信号为二次场信号，进行数据计算时只能使用完全关断后的数据，由于关断时间不为零，导致近地表浅层目标体无法探测。为了实现瞬变电磁超浅层探测，需要对一次场的影响进行校正；由于接收天线过渡过程存在，使探测盲区增大，需要排除线圈过渡过程的影响，提高瞬变电磁浅层探测能力[17-18]。

矿井瞬变电磁接收线圈测量的参数是感应电压，这里记录的全程感应电压，根据电磁感应定律有：

式中：V1(t)为感应电压值，V；S为发射线圈面积，m2；n为线圈匝数；μ0为真空磁导率，μ0=4π×10-7H/m；Hz(t)为磁场场强，A/m；t为观测时间，μs。

对于边长为a的回线，回线中心位置产生磁场，当发射电流关断时，接收线圈接收的感应电压[8]为：

式中：MTR为发射线圈与接收线圈之间的互感；I为发射电流，A；tof为关断时间，μs。

由式(2)可以看出，当发射边长和发射电流幅值不变时，关断时间越小，一次场感应电压幅值越大。

电压在感应段对分布电容进行充电，充电达到最大幅值时为V1g(t)。线圈电阻为r，电压为Vr，电路电阻为R，电压为VR，阻尼系数为δ。当线圈在临界阻尼，电路电阻远大于线圈电阻时[16-17]，关断电流后，接收线圈RX的一次场感应电压为零，当t=tof时的感应电压为V1g(tof)，则此时关断后一次场感应电压和纯二次感应电压分别为：

由于线圈在关断后存在过渡过程，这一过程的表达式为：

通过分析发现，在关断电流后，当阻尼系数越大时，线圈的过渡过程越小。当线圈阻尼系数不变时，一次感应电压幅值随关断时间变短而变大，过渡过程时间变短。根据以上分析，需要对全程二次场进行处理，减小探测系统过渡过程的影响，减小探测盲区，从而实现矿井瞬变电磁超浅层探测。

对一次场影响的校正，需要分别计算一次场感应电压，发射线圈参数以及一次场感应电压的过渡过程。计算完成后，将实测的感应电压减去一次场感应电压，从而消除一次场感应电压的影响，缩短最早取样时间，减小探测盲区。

通过记录发射电流和全程感应电压信息，计算发射线圈参数与一次场感应电压值，计算电压的过渡过程，在总场中减去一次场的感应电压，便可得到瞬变电磁的全程二次场感应电压值。过渡过程的全程瞬变电磁响应和二次感应响应理论值的对比曲线，如图1 所示。

图1 全程瞬变响应与纯二次场响应对比曲线Fig.1 Correlation curves of whole-course transient response and pure secondary field response

2 系统硬件设计

经过理论分析认为，通过优化瞬变电磁发射电路与接收天线可以达到减小探测盲区，提高探测精度的目的。从发射电路以及接收天线2 个方面进行优化设计，研究适用于矿井瞬变电磁超浅层高分辨率探测的发射电路模块和组合式接收天线。主要包括发射电路模块、组合式接收天线模块。

2.1 发射电路模块

矿井瞬变电磁发射电路必须尽可能减少对早期信号的影响，电流关断要快。发射电路包括信号控制电路、关断控制电路、电流控制电路、发射信号产生电路等。发射电路中设计有加速截至电路，以满足快速关断的要求，电流采样使用高精度无感电阻。发射电路采用RC回路使驱动电压下降沿的斜率变大，减小关断时间[8]。

设计了一种新型瞬变电磁发射机快速关断电路，如图2 所示，发射线圈的供电过程可分为正向供电、反向供电等。负载电感通过电阻R2和二极管与电源构成放电回路，放电过程中，由于电阻R2的值比较大，负载电感放电回路中的时间常数比较小，使负载电感中的电流快速下降，减小关断时间。通过快速关断电路的设计，在其他条件不变的情况下，可以使关断时间由0.5 μs 减小到0.2 μs。这种情况下可以减小关断时间，达到浅层探测的目的。

图2 瞬变电磁发射机快速关断电路Fig.2 Fast turn-off circuit of TEM transmitter

根据矿井瞬变电磁法探测的目的和环境不同，当距离探测目标较近并且规模较小时，通过减小天线的发射电流强度，从而减小发射天线的发射功率，达到降低探测深度，实现超浅层探测的目的；适当提高高频谐波成分，提高数据信号信噪比，达到提高勘探精度，实现精细探测的目的。

2.2 组合式接收天线

矿井瞬变电磁采用屏蔽接收天线，该天线可有效提高天线灵敏度。接收天线主要由放大电路、滤波电路、电池组成，滤波电路与信号放大电路相连。电路连接屏蔽天线，屏蔽天线主要由接收线圈、磁芯、屏蔽线圈组成，屏蔽线圈可有效降低外界电磁干扰。信号放大电路和屏蔽线圈都可以有效提高信号信噪比和测量精度，为精细测量提供有利条件[19-20]。

采用磁芯接收探头，可以有效提高天线的灵敏度，能够减轻接收天线质量，降低野外工作强度，提高工作效率。增加屏蔽线圈可降低工频干扰以及其他电磁干扰，提高信号信噪比，提高采集数据质量，为精细测量打好基础。

采用有源与无源2 种测量方式，对于弱信号采用有源方式进行接收，采用信号放大电路将信号放大转换，弱信号经过放大后再传输，提高了采样信号信噪比，提高测量精度；对于强信号采用无源方式测量，即直接将接收线圈接收到的信号发送到接收机存储，减少信号的饱和段，能够获得更多时间序列的有用信号，为精细探测提供条件。

矿井瞬变电磁采用常规屏蔽接收天线进行高精度探测时，该天线的施工效率较低。针对高精度矿井瞬变电磁法超前预报，设计采用组合式天线的方法，即将3 个屏蔽接收天线规则的排列在探测目标区域，组成组合式接收天线，如图3 所示。

图3 组合式天线示意图Fig.3 Schematic diagram of a combined antenna

由图3 可以看出，组合式接收天线装置采用间距为0.5 m 的屏蔽接收天线进行组合，3 个屏蔽接收天线为一组，在探测完一组数据后移动0.5 m 继续进行探测。在发射线圈不移动的情况下，同一发射点位置可以进行9 个测点的数据接收，提高探测效率。该组合方法更加适用于矿井巷道条件下使用。组合式接收天线装置主要包括通信模块、信号同步模块等。组合式接收天线数据采集效率高，单次数据采集效率提高了3 倍。采集数据为高密度三维数据。

3 数据采集与数据处理方法

3.1 采集软件

基于控制模块的矿井瞬变电磁上位机采集装置，能够实时调整数据采集相关参数，有效提高数据信噪比，从而提高探测深度范围和信号分辨率。根据采样信号不同，可在上位机对不同采样参数信号进行叠加、拼接组合等处理。将浅层的高频信号和深层的低频信号进行组合，形成全程瞬变电磁场。采集装置上位机控制模块主要包括发射控制电路模块、接收控制电路模块、数据记录模块、信息反馈控制电路模块等。矿井瞬变电磁数据采集软件界面如图4 所示。

图4 矿井瞬变电磁数据采集软件界面示意图Fig.4 Schematic diagram of transient electromagnetic data acquisition software interface of mine

发射控制电路模块用于控制发射电流和调整发射线圈参数，根据超浅层探测和常规深层探测的不同需求，控制电路电流，调整发射线圈类型。发射电流包括适用于超浅层探测的低功率电流和适用于常规探测的高功率电流。接收控制电路模块用于接收一次场和二次场信号，并将数据传输到数据记录模块。数据记录模块记录采集的一次场和二次场数据。采用信息反馈控制模块可以根据反馈信息实时调整数据采集相关参数，更加有效地提取有用数据信息。

采用发射控制模块可以分别发射低功率与高功率信号，采用接收控制模块可以接收一次场和二次场信号。通过以上数据采集组合模式，获得超浅层探测数据和常规深层探测数据，分别记录浅层与深层探测信息，有效降低了探测盲区，提高了探测深度范围。

3.2 浅层信号电感校正方法

减小关断时间不但需要提高仪器性能，而且需要在数据处理时消除关断时间的影响。通过对数据的分析得到浅部地层的信息，通过与晚期数据拼接，达到超浅层探测的目的。矿井瞬变电磁在巷道内进行探测，电磁场呈全空间分布，在全空间地层介质中，发射线圈中心的感应电动势为[21-22]：

式中：μ近似为真空磁导率μ0，μ0=4π×10-7H/m；I为发射电流强度，A；Sr为接收天线等效面积，m2；a为发射线圈等效边长，m；t为观测时间，μs；ρ为电阻率，Ω·m。

通过式(6)可以看出，矿井瞬变电磁发射回线线圈中心的感应电动势与介质磁导率、发射电流强度、接收线圈等效面积、发射线圈等效边长、表层岩层电阻率等因素有关。

由于线圈的自感信号衰减很快，定义自感信号衰减3 个数量级时的时间为最早可分辨时间，其对应的深度为最小探测深度，最小探测深度[3]为：

式中：hmin为最小探测深度，m；tmin为有效信号最小接收时间，μs；ρ为表层岩层电阻率，Ω·m。

通过式(7)可以看出，最小探测深度主要与有效信号最小接收时间和表层岩层电阻率有关。当介质磁导率、接收天线等效面积、表层岩层电阻率不变的情况下，改变发射电流强度和发射线圈等效边长可有效减小最早可分辨时间，从而减小探测深度。

由于线圈在关断后需要考虑线圈过渡过程的影响，在不同发射电流和发射线圈有效边长条件下，将接收信号早期数据与晚期数据分别进行记录，其表达式为：

式中：t1为早期信号与晚期信号之间的取样时间，即从信号关断到t1作为早期信号采样；采用低电流和低等效边长方式采样，时间大于t1时采用常规矿井瞬变电磁探测方式采样；在数据处理时将早期信号与晚期信号经过归一化处理后进行拼接组合。通过这样的方式，在不改变其他条件下，适当地减小发射电流强度和发射线圈等效边长可有效减小关断时间，使探测盲区减小。

在实际矿井瞬变电磁工作中大多采用边长为a的方形回线，这种n匝方形回线的电感系数[15-16]为：

式中：μ0为真空磁导率，μ0=4π×10-7H/m。由多匝方形回线自感和互感影响产生的感应电动势为：

式中：S为导线截面积，m2；B为磁场强度，A/m。对于固定的线圈，磁场强度B与电流I成正比关系，设比例系数为c，dB=cdI，则可得：

从实测矿井瞬变电磁二次场E中减去一次场电磁感应影响，可得消除多匝方形回线电感影响后的感应电动势为：

此时衰减曲线早期与晚期的斜率达到基本一致，可以取得较好的剔除干扰效果。通过对一次场干扰的校正，可有效提高早期瞬变电磁场信号，从而使有效接收时间更小，达到浅层探测的目的。

只有将一次场的影响减小或者消除，才能得到真实有效的探测结果。一次电磁场干扰校正就是从探测结果中减去一次场产生的自感和互感响应值。进行实测数据一次场校正前后的曲线对比(图5)。

图5 实测曲线一次场干扰校正对比Fig.5 Comparison chart of primary field interference correction of measured curves

通过数据校正的方法使计算结果更加接近地层真实视电阻率值。使曲线形态恢复为，不受巷道多匝小线圈装置和巷道全空间等条件影响的形态。

4 应用实例

山西某煤矿对其巷道顶板进行探测，主要目的是应用地球物理技术探测了解顶板浅层裂隙及富水情况。为此，在掘进巷道布置了矿井瞬变电磁测点进行探测，为避免大型金属设备的影响，离开大型机械一定距离后进行观测，在探测区域范围内开展三维探测。布置测线长度100 m，由于巷道条件限制，顶板探测点使用扇形布置方法，每条测线布置13 个测点，线距5 m，共21 条测线。矿井瞬变电磁巷道实测点布置如图6 所示。

图6 巷道顶板瞬变电磁探测测点布置Fig.6 Layout of measurement points for transient electromagnetic detection in roadway roof

在巷道中进行顶板探测时，测线与测点的布置方法：在巷道顶板方向由左至右，每间隔15°设置一个测点，一条测线共13 个测点。通过对现场采集的数据进行处理，得到巷道三维瞬变电磁探测成果。X方向为巷道走向，Y方向为垂直于巷道走向且与水平面平行方向，Z 方向为垂直于巷道走向且与水平面垂直方向。通过瞬变电磁数据处理结果，分析巷道顶板浅层裂隙发育及充水情况。在进行瞬变电磁探测时，巷道空间无金属体以及其他人文干扰因素的影响，保证探测结果为地质体真实的异常反映。

通过对这一区域数据采集与处理，形成该探测区域的三维探测结果及巷道顶板三维数据处理成果(图7)。通过数据三维成果，可以了解巷道顶板内部异常区域对矿井生产的影响；通过对巷道顶板的探测，可以分析巷道顶板2～100 m 范围内裂隙发育及充水情况；根据裂隙发育和充水情况，可以进行有针对性的预防和治理措施。瞬变电磁是通过低阻异常区推断岩层充水情况，该区域数据岩石充水性推断成果如图8 所示。

由图7 可以看出，在X方向右侧70～100 m 位置，深度距离在15～40 m 处产生低阻异常，在X方向左侧0～70 m 位置表现出明显的高阻特征，异常边界清楚。说明在矿井瞬变电磁探测时，顶板不同位置分别具有充水和未充水特征。

图7 巷道顶板瞬变电磁三维数据处理成果Fig.7 Result of transient electromagnetic 3D data processing of roadway roof

图8 瞬变电磁三维数据岩石充水性推断成果Fig.8 Results of rock water filling property inferred from three-dimensional transient electromagnetic data

由图8 可以看出，在顶板局部区域有低阻异常区，说明该区域岩层裂隙出现充水现象，异常区范围较小，呈上下导通状。在15～40 m 深度范围内，有连通性低阻异常区，说明在巷道顶板产生裂隙后，顶板上方有水源向顶板附近区域补给。顶板裂隙区域形态和规模均有充分展示，从而提供了巷道顶板岩层含水裂隙的信息。通过钻探的验证及结合该区域地质资料可知，该探测区域巷道顶板的含水层为顶板砂岩裂隙含水层。受巷道掘进影响，在X方向90～100 m 易形成积水危险区。通过矿井瞬变电磁超浅层高分辨率探测法对该区域进行探测分析，精细地查明了煤层顶板低阻异常体的分布状态。