矿井瞬变电磁法多匝小回线装置电感效应的理论研究

由于线圈的自感耦合作用,使瞬变电磁早期时间道信号严重失真。为研究瞬变电磁早期信号的特性,讨论多匝线圈与单匝线圈的自感系数的关系,得出线圈自感信号振幅的理论表达式,并推导出单匝和多匝回线的电感公式。分析瞬变电磁发射回线等效回路的暂态过程及感应电动势的产生和衰减规律。影响早期信号的因素为线圈自感信号,它的衰减不仅与时间有关,而且与等效回路的材料有关。该项研究对进一步研究瞬变电磁早期场的附加效应打下了基础,同时为提取早期数据的研究提供参考。     

瞬变电磁法矩形线圈自感的精确表达式

在瞬变电磁法(TEM)中,矩形线圈的自感参数主要用于局部导体晚期瞬变电磁场的等效计算和接收线圈固有过渡过程计算以及瞬变电磁仪器研制。目前,在瞬变电磁法教科书中,单匝矩形线圈自感计算公式都是近似的。本文通过积分方法,推导出了长方形及正方形单匝线圈自感的精确表达式以及正方形单匝线圈自感的近似计算公式。经计算,目前使用的近似公式与精确公式相比误差很大,当回线边长为5m时,误差最小为-39.2%,最大为238.85%;当回线边长为200m时,误差最小为-58.87%,最大为219.33%。本文推导的单匝正方形线圈自感近似公式与精确公式相比误差很小,当回线边长为5m时,误差为0.4%;当回线边长200m时,误差为0.26%。     

瞬变电磁法圆形线圈自感计算

在瞬变电磁法（TEM）中,圆形回线的自感参数用于局部导体晚期瞬变电磁场的等效计算、接收线圈固有过渡过程计算、关断时间的计算以及瞬变电磁仪器研制等。目前,在瞬变电磁法教科书中,圆形线圈自感计算均使用近似公式。这里根据毕奥-萨伐尔定律推导出单匝圆形线圈磁感应强度及自感的积分表达式,利用MATLAB软件进行数值计算。结果表明,目前使用的自感近似公式,在用于计算半径为0.5 m和1 m的圆形接收回线自感时,误差分别为-18.978%和-26.542%。用于计算发射回线的自感时,当回线半径从2.821 0 m～112.837 9 m时,自感近似公式的误差从-35.84%～-55.65%,且单匝正方形回线与等面积单匝圆形回线的自感值之间存在5.12%～8.11%的偏差。     

多匝回线的自感对瞬变电磁早期信号的影响特征

为了研究瞬变电磁早期信号的特性,这里讨论了多匝线圈与单匝线圈的自感系数的关系,同时也分析了瞬变电磁线圈等效回路的暂态过程,以及多匝线圈感应电动势的响应特征。最后,得出了影响早期信号的因素,为提取早期数据的研究提供参考。     

矩形线圈自感的精确表达式

矩形线圈的自感公式在电气工程、电工电子技术,以及应用地球物理学等领域均有普遍的应用。由于自感计算的复杂性,目前使用的矩形线圈自感公式均为近似计算公式。这里推导了圆截面单匝矩形线圈自感的精确表达式,以及正方形单匝线圈自感的近似公式。目前使用的单匝矩形线圈自感近似公式与这里推导的精确公式相比,均存在很大误差：当正方形线圈边长从1m到5m时,电气工程工具书和电工电子工具书中的自感公式误差为3．06％到2．38％。使用瞬变电磁法勘探中常用的自感公式,当正方形回线边长为5m时,误差最小为-41．17％,最大为228．25％;当回线边长为200m时,误差最小为-59．75％,最大为212．49％。     

煤矿垂向导水通道综合探测关键技术的研究

矿井瞬变电磁法常被用来探测煤矿垂向导水通道对奥灰带压巷道掘进危害,受巷道等条件的限制,均采用多匝小线圈进行发射和接收.由于存在线圈的自感和互感,造成瞬变电磁法早期的数据畸变,为此引入矿井瞬变电磁法的数据校正方法。通过巷道三个方向的瞬变电磁法探测,准确圈定了巷道迎头二个异常的位置。根据探查成果设计钻孔,结合孔中瞬变电磁法精准探明了裂隙带的发育规律,为注浆工程提供了准确的靶区,从而保障了巷道掘进的安全。     

瞬变电磁法多匝小回线装置实验对比

采用实验方法对多匝同一小回线和重叠小回线两种瞬变电磁法工作装置进行了对比研究,探讨了两种装置参数随线圈匝数的变化关系,从而为野外实际勘探提供数据参考。首先在地下一定深度埋置一低阻体,在该低阻体正上方布置一条测线,然后先分析单点数据的发射磁矩、关断时间、感应信号强度随线圈匝数的变化关系,在此基础上对比不同装置随线圈匝数变化的多测道剖面图,分析两种装置的异同点。实验表明两种装置的发射磁矩、关断时间、信号强度及对异常体的分辨能力都随发射线圈匝数的增加而增加;在相同匝数情况下,同一回线的发射磁矩和关断时间稍大,但有效信号部分能量衰减快,信号强度相对较弱,探测深度较浅,然而在有效探测深度下,同一小回线装置对低阻异常体的分辨能力更强。     

浅层不均匀体对大定源瞬变电磁响应的影响

根据瞬变电磁法基本原理,当大定源发射回线下方存在局部不均匀体时,由于不均匀体在接收线圈中产生的二次场方向不同,导致衰减曲线与均匀大地响应曲线偏离。为了分析浅层不均匀体对衰减曲线的影响,采用大定源回线装置发射电流为梯形波,回线面积为150 m×150 m,电流波形为梯形波,幅值为10 A,关断时间为176 μs;对于时间常数分别为1、3、5 ms的浅层不均匀体,利用多匝密绕的闭合线圈（即异常线圈模型）的电磁信号衰减规律,来模拟其响应衰减曲线。研究表明,当异常线圈位于发射回线下方或者是框边下方时,随着发射、异常、接收之间的相对位置的变化,三者之间的互感发生变化,引起异常线圈的响应可能为负值,致使接收到的综合响应衰减曲线出现过0情况。因此,大定源回线结构下存在不均匀体时,产生的负响应值在后续处理时需要引起注意。     

瞬变电磁法超小线圈并联式发射回线设计实验

针对浅层或矿井瞬变电磁法探测中发射系统电源电压有限使发射磁矩受限,而发射回线的寄生电感导致电流关断时间过长的问题,设计了瞬变电磁法超小线圈并联式发射回线,通过线圈的并联来增大发射磁矩,再通过外加电阻等方式减小关断时间。从理论上对常规发射线圈与并联式发射线圈建立了等效电路模型进行分析,并对并联式发射线圈与常规发射线圈进行了实验对比测试。结果表明：并联式发射线圈能有效增大发射磁矩,进而减小关断时间。本设计对减少浅层或矿井瞬变电磁法勘探盲区、加大勘探深度具有指导意义。     

基于烟圈效应的11点超前探观测系统设计

矿井瞬变电磁法因关断时间影响存在一定探测盲区,一定条件下关断时间长短取决于发射回线边长、等效面积。针对掘进巷道迎头有限空间,设计采用多匝、重叠小边长回线以满足探测深度需要。研究计算表明,40匝、2m×2m的发射回线盲区范围为20m左右,并据此首次提出了矿井瞬变电磁法测点间距选择盲区理论法。基于“烟圈效应”设计了适用于不同巷道条件下的“11点法”矿井瞬变电磁超前探观测系统。该系统随煤/岩层倾角变化而变化。通过推理计算得到了与煤/岩层倾角相关的线框布设角度公式,使该系统更具实际应用价值和指导意义。      

圆线圈自感的一种近似计算

本文用幂级数展开式求积分的方法,求出圆电流环绕平面内一点的磁感应强度,从而计算出圆线圈的自感。     

TEM中心回线中—远带响应特征

近20年来,中心回线观测已进入全域时段,然而有关中—远带响应特征的文章极为少见,致使用户困惑,比如晚延时响应值大于早延时响应值(ε-上凸)、在同一测点2种仪器系统观测结果相差太大等。对此笔者做了详细分析。结果表明,中—远带响应特征基本为4种,ε-上凸只是其中之一,导致所测响应出现差别的主要原因是接收线圈延时。因此,若工作于中—远带,必须确切测定线圈延时,合理选择发射回线边长。     

Testing TEM systems using a large horizontal loop conductor

Testing TEM systems has to include field experiments with physical models commensurate to the real transmitter–receiver configurations and to the target subsurface features. A large horizontal loop closed across a known resistance is a convenient model in this respect. It is convenient to lay in the field, it has manageable parameters, and its natural response is easy to calculate.A field-size experiment and numerical modeling were applied to investigate the model wire loop response to eddy current in a uniform conductive ground, both at early and late times. The higher the resistivity of the ground the larger the time range in which the measured response matches the predicted one, other things being equal.The experiments show that (i) closed loops laid near a transmitter–receiver system are applicable to test the quality of the latter as a tool for TEM or other similar resistivity surveys; (ii) current induced in the model loop can be used to infer the resistivity of the ground; (iii) a closed loop slows down the growth and reduces the amplitude of voltage induced at early times in a receiver loop or in a multiturn coil.     

瞬变电磁法在煤矿水文地质灾害调查中的应用

以探测某地小煤窑遗留的采空区为例,探讨了瞬变电磁法在探测采空积水区的应用效果。选用同一回线装置形式,结合矿区地质条件,具体分析了采空积水区的地球物理异常特征。结果表明,该方法在煤矿水文地质灾害调查方面具有分辨率高、经济快速、准确有效等优势,能够满足煤矿安全生产的要求。     

直流电测深法与中心回线瞬变电磁法联合反演

分析了直流电测深法(VES)与中心回线瞬变电磁法(TEM)对地层的响应特征,结果显示:TEM对低阻层反应灵敏,而VES对高阻层具有较高的分辨能力。基于TEM与VES对地层响应特征互补的特点,尝试将TEM与VES数据进行联合反演,模型试算结果表明,联合反演的效果明显比单一方法反演的效果好。     

航空电磁发射线圈自感系数的精确计算

基于Maxwell计算螺线管电感量的方法,这里给出了适于编程计算单匝回线及多匝多层同轴空心线圈自感系数的的算法。根据航空电磁发射线圈的特点构造了几个模型,用以验证该计算方法的正确性,并表明了本文提供的算法和程序,可以为航空电磁线圈的优化设计提供理论和数据支持。     

应用瞬变电磁法小线框大电流探测隐伏断层

瞬变电磁法小线框、大电流技术在金属矿勘探和地下水的探测中已趋成熟。在长期实践的基础上,分析断层上方出现的感应二次场V2 负值现象和成因,提出断层和次新断层以及地质塌陷的探测方法和数据处理的要点,总结出利用小线框、大电流瞬变电磁法探测隐伏断层的技术方法。钻井验证表明,该方法施工快速轻便,断层点定位准确。