礦井瞬變電磁不同接收裝置探測研究

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張軍,王勇,趙兆

中煤科工集團(tuán)西安討論院有限公司，陜西西安710077

圖1接收回路等效電路圖依據(jù)接收回路等效電路圖可以計(jì)算出接收回路阻尼系數(shù)：

(1)p

p為線圈的諧振頻率，依據(jù)計(jì)算出的阻尼系數(shù)，可以推導(dǎo)出接收回路的截止頻率為[23]：

fb(2)在給出了接收線圈性能特性參數(shù)之后，現(xiàn)在來分析阻尼電阻即阻尼系數(shù)對這些性能參數(shù)的影響。阻尼系數(shù)越小，沖激響應(yīng)曲線上升時(shí)間越短，響應(yīng)速度越快，通帶截止頻率越大，幅值越大，接收線圈的高頻特性越明顯，曲線改變越猛烈。阻尼系數(shù)越大，沖激響應(yīng)曲線上升時(shí)間越長，響應(yīng)速度越慢，通帶截止頻率越低，幅值越小，接收線圈的低頻特性越明顯，曲線越趨于平緩。=1(臨界阻尼)時(shí)，沖激響應(yīng)與階躍響應(yīng)曲線不發(fā)生振蕩，幅值中等，信號(hào)衰減不大，儀器靈敏度較高，隨阻尼系數(shù)的增加通帶很快變窄，截止頻率很快減小，隨阻尼系數(shù)減小，通帶變寬，截止頻率很快增大。接收系統(tǒng)首先應(yīng)當(dāng)截止頻率高，這樣可以減小淺部勘探盲區(qū)；其次，抱負(fù)狀態(tài)是臨界阻尼狀態(tài)(=l)。

當(dāng)采納接收線圈觀測二次場時(shí)，由于接收線圈本身將存在一種固有過渡過程，以致接收線圈輸出的并不完全是線圈上的感應(yīng)電壓，包括線圈上的分布電容的電位改變。它的存在將干擾正常觀測，由于線圈的過渡過程存在，實(shí)際觀測到的早期信號(hào)中包含接收線圈的過渡過程，觀測值為二次感應(yīng)電壓的線圈過渡過程和一次感應(yīng)電壓的過渡過程相加。

由于線圈固有過渡過程的存在，電流關(guān)斷后早期的二次感應(yīng)電壓幅值變小，使在感應(yīng)段的異樣曲線達(dá)到極大值的時(shí)間延遲，由原來在關(guān)斷結(jié)束馬上涌現(xiàn)最大值，變?yōu)檠舆t了一段時(shí)間；阻尼系數(shù)越大，在感應(yīng)段上升和衰減速度越快；關(guān)斷時(shí)間越長，一次感應(yīng)電壓的幅值越小，受影響的時(shí)間窗口變寬，早期發(fā)生畸變的數(shù)據(jù)變多。

4接收裝置對比

4.1傳統(tǒng)接收線圈

瞬變電磁接收裝置實(shí)際測得的感應(yīng)電壓曲線。它不是單純的二次場，而是夾雜了接收線圈暫態(tài)過程。在一般狀況下接收線圈暫態(tài)過程比較短，所以不會(huì)涌現(xiàn)在晚期信號(hào)里，但在早期信號(hào)里它很大，不容忽視。下列圖為兩種不同接收回線裝置。

圖2瞬變電磁探測裝置示意圖

(a)重疊回線裝置；(b)中心回線裝置

重疊回線裝置與目的物耦合緊密，橫向辨別率高，異樣幅度大，發(fā)射磁矩和接收磁矩較大，勘探深度可達(dá)數(shù)百米。重疊回線裝置的缺點(diǎn)是接收回線接收磁場垂直份量辨別率較低，設(shè)備粗重，鋪設(shè)線圈時(shí)比較麻煩，難以避開干擾區(qū)。

4.2接收天線裝置

與重疊回線裝置相比，減小了接收回線的大小。其具有同點(diǎn)裝置共有的最正確耦合，異樣幅度大，橫向辨別率高等優(yōu)點(diǎn)。由于中心回線組合裝置接收回線較小，因此可觀測磁場的水平份量，相比于重疊回線裝置提高了辨別率；而且接收回線可避開井下金屬體等人為良導(dǎo)體，在良導(dǎo)體較多的地區(qū)，數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)于重疊回線裝置。缺點(diǎn)是受地質(zhì)體的不勻稱性影響較大。

接收線圈的暫態(tài)過程可以用數(shù)據(jù)處理的方法來清除。對于肯定的接收線圈，其暫態(tài)過程的時(shí)間常數(shù)也是肯定的，那么我們就可以在后期處理數(shù)據(jù)時(shí)，把暫態(tài)過程從實(shí)測曲線中減去。同樣也可以用放大電路來補(bǔ)償，放大電路一般采納差分放大，以抑制共模干擾信號(hào)。放大電路部分應(yīng)放在信號(hào)傳輸之前，這樣可以抑制傳輸過程中產(chǎn)生的干擾。但是，為了從根本上解

接收天線的原理如圖3所示。依據(jù)線圈的L和開關(guān)等分布電容C適當(dāng)選擇R1和R2,使其處于臨界阻尼狀態(tài),暫態(tài)過程就會(huì)很快消逝，這樣就大大減小了探測盲區(qū)，增大了勘探范圍。

4.3對比分析

在實(shí)際應(yīng)用中，我們同時(shí)運(yùn)用了傳統(tǒng)接收線圈和接收天線法。其結(jié)果示意圖如圖4所示。為了便于比較，我們把傳統(tǒng)接收線圈方法、天線接收方法放在同一圖里。

200000

電壓V/mV200002000時(shí)間t/s

圖4接收線圈實(shí)測結(jié)果對比200

在各種條件完全相同的狀況下,分別運(yùn)用接收天線、傳統(tǒng)接收線圈的實(shí)測結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出,在傳統(tǒng)接收線圈曲線的早期,暫態(tài)過程占了很大的比例。如繼續(xù)運(yùn)用這種方法接收,那么將嚴(yán)峻影響二次場信號(hào)的采集和后期數(shù)據(jù)處理。而接收天線的暫態(tài)過程很短。這對進(jìn)一步的反演工作將非常有利。可見這種方法對清除接收線圈的暫態(tài)過程的影響和精確獲得早期信號(hào)是非常有效的。

5應(yīng)用實(shí)例

文中提出了兩種不同接收線圈裝置，為了比較兩種不同探測裝置的運(yùn)用效果，以某煤礦巷道底板實(shí)測數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析，對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)一步對接收天線裝置的探測效果進(jìn)行驗(yàn)證。本次試驗(yàn)儀器運(yùn)用YCS2000礦用瞬變電磁儀，接收天線運(yùn)用YCS2000-T高頻磁探頭(如圖

5所示)，采納中心回線方式進(jìn)行測量，探測點(diǎn)距為20米。

接收天線發(fā)射線圈

圖5YCS2000礦用瞬變電磁儀

通過新型接收天線探測效果與傳統(tǒng)接收線圈對比可以看出兩者的不同效果，因此在其他條件相同的狀況下，分別用兩種不同接收裝置進(jìn)行探測，探測視電阻率剖面(如圖6所示)，探測位置為巷道底板。通過對不同接收裝置進(jìn)行對比，可以看到兩者探測結(jié)果有較大差異。

(a)

(b)

圖6不同發(fā)射線圈探測成果圖

(a)傳統(tǒng)接收線圈探測成果圖；(b)接收天線探測成果圖

由圖6可知傳統(tǒng)接收線圈接收方式與磁探頭天線接收方式探測結(jié)果存在肯定差異。首先從探測深度來看，由于傳統(tǒng)接收線圈暫態(tài)過程較長且無法利用技術(shù)手段予以修復(fù)，因此損失了較長的淺層地質(zhì)信息。磁探頭接收天線相較于傳統(tǒng)接收線圈接收方式在這方面有很大提高，它將礦井瞬變電磁盲區(qū)縮小到了10米左右。其次，通過兩種不同裝置探測效果可以看出，磁探頭接收天線探測結(jié)果受井下金屬體干擾較小，全空間影響較小，數(shù)據(jù)的精確性有了極大的提高。磁探頭接收天線接收效果比傳統(tǒng)線圈接收方式在探測效果上有了極大的提高。6結(jié)論

本文通過對瞬變電磁接收回路等效電路的深入分析，討論了接收線圈不同阻尼系數(shù)、暫態(tài)過程對接收系統(tǒng)的影響，分析了瞬變電磁系統(tǒng)對地下地質(zhì)體瞬變響應(yīng)信號(hào)的影響特征，發(fā)覺理論瞬變響應(yīng)信號(hào)與系統(tǒng)輸出的信號(hào)，兩者存在著相當(dāng)大的差異。由此看出：要想減小淺部勘探盲區(qū)，將瞬變電磁法用于超淺層勘探，需要弄清接收線圈內(nèi)阻、分布電感、分布電容及阻尼電阻對瞬變電磁信號(hào)的影響特征，并解決兩個(gè)問題：一是清除接收與發(fā)送線圈之間的互感；二是建立考慮過渡過程效應(yīng)在內(nèi)的瞬變電磁數(shù)據(jù)處理和反演方法。

通過采納新型接收天