矿井瞬变电磁法中多匝回线电感对目标体探测的影响

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,讨论了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,推导了单匝和多匝回线的电感公式,分析了回线匝数和回线边长的变化对目标体响应曲线的影响.研究成果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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

瞬变电磁B场参数测试效果

传统的瞬变电磁信息获取方式大多采用空芯线圈和磁芯线圈形式,用以测量磁场随时间变化率,但是晚期信号往往较弱,不利于分辨异常。笔者开展了直接测量瞬变电磁法磁场参数的模拟和实测效果分析研究。首先通过对B场和d B/dt参数的响应特性分析,认为B场参数在晚期探测方面具有一定的优越性;分别采用澳大利亚产SM24瞬变电磁系统(磁通门磁探头,直接测量B场)和GDP-32仪器(感应线圈,测量感应电压)进行了实测数据的对比,在同样瞬变电磁观测装置情况下,发现采用磁通门传感器所测量B场数据比采用感应线圈测量的二次感应电压数据效果较好,即:磁通门传感器的特征频率相对较低(往往小于1 k Hz),衰减速度慢,磁场B数据与磁场变化率d B/dt场数据的幅值范围较大,受低阻覆盖层影响程度小,有利于晚期测量。研究结果表明开发和使用磁通门传感器是解决瞬变电磁精细探测的突破方向之一。     

瞬变电磁法中的斜阶跃波效应及常规的几种校正方法分析

关断时间校正是瞬变电磁资料处理中的一个重要方面,针对常用的中心回线法,详细分析了瞬变场的斜阶跃波效应。斜阶跃波相对阶跃波高频迅速振荡衰减,斜阶跃波效应主要影响瞬变场的早期,表现为幅值较低,关断时间越长,影响越大。同时对常规的几种关断时间校正方法进行对比分析,结果表明:对于“全期”段数据校正宜选Eaton法,对“晚期”段数据可选Eaton法,也可选坐标移动法。在选用Fitterman法时要注意是否满足使用条件,坐标移动法的“晚期”条件,可根据实际地电参数,通过模拟实验来确定。     

对瞬变电磁测深几个问题的思考(二)——小回线瞬变场法探测分析与实践

阐述了小回线瞬变场法探测的几个问题：在地电断面一定的情况下,瞬变电磁（TEM）场的理论扩散深度仅取决于时间;模拟不同大小回线发射电流相同时,其激励的地下电场峰值到达某一深度的时间相同,只是强度不同;经过推导与计算,显示小回线中心的感生电动势比预想的大,按大回线公式计算小回线观测结果的转换视电阻率会大大缩小;列举了几个小回线TEM法实际探测结果。从理论与实际结合上展示小中心回线TEM法的探测能力。     

TEM中心回线法瞬变磁场求取和全区视电阻率计算

依据TEM法中心回线装置瞬变电磁场的衰减规律,给出了由实测的dB/dt求取瞬变磁场B的简单方法.详细推导了发射电流为斜阶跃波条件下由B迭代反演全区视电阻率的方法.为提高计算精度和速度,对计算过程中的积分、求导推导了解析表达式和采用标准数据库的方法计算含有概率积分的函数.对实测资料进行了计算,通过算例进行了验证和分析.     

对瞬变电磁测深几个问题的思考(三)——瞬变电磁场关断效应及全期视电阻率的普适算法

首先给出瞬变电磁（TEM）场卷积计算式,并将关断电流变化率函数看成冲击函数,垂直阶跃脉冲激发的场分量看成输入信号,卷积结果就是任意形状关断电流的TEM响应。把电流激发脉冲看成是许多垂直阶跃函数的叠加,通过叠加这些阶跃函数的响应求得任意电流脉冲激发的瞬变电磁响应。当已知TEM场的实测值和关断电流形状,就可按编程的方法计算全期视电阻率。文中给出了2个斜坡关断电流激发的电偶极源TEM垂直磁场算例,一个为均匀半空间的响应及其全期视电阻率,另一个为三层K型地电断面的响应及其全期视电阻率。     

多激励源瞬变电磁探测方法在煤矿采空区的应用

大定源回线是瞬变电磁方法的常用装置,移动发射框需要耗费巨大的人力和时间,极大降低了工作效率;电性源瞬变电磁法具有探测深度大、受地形限制小、工作效率高等优点,但偏移距较大时,采集信号强度衰减强烈,信噪比降低,在一定程度上限制了探测精度。为了解决精细地质探测的实际问题,采用多激励源瞬变电磁方法,通过构建正演模型,以甘肃魏家地煤矿含水采空区探测为例,比较了传统大定源回线、单激励源及多激励源电性源瞬变电磁的勘查效果;经钻孔验证,多激励源瞬变电磁法在研究区勘查效果更好。研究结果为邻区及类似地区煤矿采空区探测提供了技术支撑和可供参考的范例。     

地面-井下双源瞬变电磁立体探测模拟研究

在探测地下、井下或巷道下方的局部异常体时,地面瞬变电磁信噪较低而井下瞬变电磁发射磁距受限,因此探测深度较小。为解决这个问题,本文提出了一种地面大回线仅发射+井下重叠回线发射接收的地面-井下双源瞬变电磁立体探测方法。通过COMSOL软件数值模拟与室内水槽试验,模拟了四种不同的瞬变电磁装置(井下重叠回线,井上大回线发射+井下小回线接收,地面中心回线,地面-井下立体探测)探测。数值模拟结果发现地面-井下双源装置的感应电位曲线幅值最大且灵敏度最高;室内模型试验结果绘制成感应电动势多测道剖面图,分析比较其曲线特征,表明地面-井下瞬变电磁立体探测明显优于其他三种瞬变电磁装置,其效果非常明显、稳定且磁感应强度更高,与数值模拟结果一致。因此,地面-井下双源瞬变电磁立体探测方法可行且值得推广。