矿井瞬变电磁不同接收装置探测研究

矿井瞬变电磁不同接收装置探测研究

张 军,王 勇,赵 兆

中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077

摘要 通过对瞬变电磁基础理论的研究，设定了两种不同接收装置，通过接收线圈对电磁场接收信号响应参数分析,对不同接收装置对比分析，以及对不同装置探测效果对比分析，认为接收天线接收方式探测效果明显优于传统线圈接收方式。对比分析结果增加了我们对传统接收装置和接收天线装置的认识，为实际工作提供了有力的技术保障。

关键词 瞬变电磁 接收探头 接收回线 回线装置

The different transmitter coil detection effect of mine transient electromagnetic

ZHANG Jun,WANG Yon,ZHAO Zhaog (Xi an Research Institute China Coal Technology and Engineering Group Corp, Xi’an 710077, China) Abstract: Through the research on the transient electromagnetic theory, the set of two different receiving device, through the analysis of the received signal receiving coil electromagnetic field response parameters, analysis of different receiving device contrast, and the contrast of different device detection effect analysis, that the receiving antenna receiver detection is obviously superior to the traditional manner of receiving coil. The results increase our understanding of the traditional receiving device and receiving antenna device, has provided the powerful technical support for the actual work.

Key words: transient electromagnetic; receiving probe; receiver coil; loop device

1 前言

目前，瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Method，简称TEM)以其勘探效率高、精度较高等诸多优点在地球物理勘探工作中获得了广泛地应用，其装置形式的多样性更进一步拓宽了其应用范围。然而这也给实际应用带来了另一个问题，即针对一个地质问题，采用什么样的装置才能得到最佳的勘探效果。因此有必要了解各类装置的优缺点，以便于发挥各类装

[1-6]置的长处，从而在实际应用中取得最好的勘探效果。随着科技水平的提高以及人们对瞬

变电磁探测效率的要求，传统的装置越来越不适合实际生产的需要。因此，如何提高瞬变电磁探测效率是我们亟待解决的问题，本文从瞬变电磁探测装置入手，介绍一种新型接收天线，期望通过设备的改进大大提高生产效率并提高瞬变电磁探测精度。

2 瞬变电磁法原理

瞬变电磁法是利用不同接地回线或电极向地下发送脉冲式一次电磁场，在一次电磁场发射间歇期间，用线圈或接地电极接收由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场，通过观测二次场空间和时间的分布规律，解决有关地质问题的时间域电磁法[7-18]。

瞬变电磁法常用的回线装置主要有重叠回线装置、同一回线装置、中心回线组合装置等。 瞬变电磁法应用领域由中深部探矿向浅层、超浅层的煤矿巷道超前预报方向发展。然而，随着瞬变电磁的勘探深度的变浅，也出现许多新问题：回线边长越来越短，为增强接收信号，发送与接收回线的匝数也越来越多，且越来越关注瞬变电磁信号的时期信号，发送与接收回线间的互感影响变得越来越明显，不能再忽略，阻尼电阻较难配准，观测曲线看上去很美观，但不能有效的反映地下电导率的变化，严重影响了瞬变电磁法在超浅层勘探中的应用。多匝小回线情况下，如何消除一次场影响，有效提取地下地质体的瞬变电磁响应信号，即纯二次场信号，特别是早期信号提取纯地下地质体的瞬变电磁响应信号的前提是对瞬变电磁观测系统本身有一个更深入的了解和掌握[19-22]。我们首先从瞬变电磁接收回路等效电路着手进行了深入分析，探讨了瞬变电磁不同接收装置对观测信号的影响特征，这有利于瞬变电磁法野外操作员对瞬变电磁系统的深入了解、掌握和使用，最终达到提高瞬变电磁野外观测数据的质量，提高瞬变电磁的勘探效果。

3 接收线圈对瞬变电磁信号的响应

给出瞬变电磁接收回路的等效电路(图1)，图中为接收线圈收到的感应电动势、L为接收线圈的总电感，r为接收线圈内阻、R为并在接收线圈上的阻尼电阻、C为接收线圈的总电感、V为瞬变电磁仪前置放大器所真正观测到的电压。接收线圈因电磁感应而收到的感应电动势。实际上是理论计算得到的瞬变电磁信号，而仪器真正实际测量的信号为前置放大器所测量的信号，两者不是同一信号，但野外工作时往往将两者等同起来，这是不对的，且导致了浅层结果存在大的盲区。

作者简介 张军，男，1981年生，西安市锦业一路82号中煤科工集团西安研究院，2004年毕业于长安大学勘查技术与工程专业，2009年获长安大学地球探测与信息技术专业工学硕士学位, E-mail:zjun0119@，13609201981

图1 接收回路等效电路图 根据接收回路等效电路图可以计算出接收回路阻尼系数：

(1) p

p为线圈的谐振频率，根据计算出的阻尼系数，可以推导出接收回路的截止频率为[23]：

fb (2) 在给出了接收线圈性能特性参数之后，现在来分析阻尼电阻即阻尼系数对这些性能参数的影响。阻尼系数 越小，冲激响应曲线上升时间越短，响应速度越快，通带截止频率越大，幅值越大，接收线圈的高频特性越明显，曲线变化越剧烈。阻尼系数 越大，冲激响应曲线上升时间越长，响应速度越慢，通带截止频率越低，幅值越小，接收线圈的低频特性越明显，曲线越趋于平缓。 =1(临界阻尼)时，冲激响应与阶跃响应曲线不发生振荡，幅值中等，信号衰减不大，仪器灵敏度较高，随阻尼系数的增加通带很快变窄，截止频率很快减小，随阻尼系数减小，通带变宽，截止频率很快增大。接收系统首先应该截止频率高，这样可以减小浅部勘探盲区；其次，理想状态是临界阻尼状态( =l)。

当采用接收线圈观测二次场时，由于接收线圈本身将存在一种固有过渡过程，以致接收线圈输出的并不完全是线圈上的感应电压，包括线圈上的分布电容的电位变化。它的存在将干扰正常观测，由于线圈的过渡过程存在，实际观测到的早期信号中包含接收线圈的过渡过程，观测值为二次感应电压的线圈过渡过程和一次感应电压的过渡过程相加。

由于线圈固有过渡过程的存在，电流关断后早期的二次感应电压幅值变小，使在感应段的异常曲线达到极大值的时间延迟，由原来在关断结束立即出现最大值，变为延迟了一段时间；阻尼系数越大，在感应段上升和衰减速度越快；关断时间越长，一次感应电压的幅值越小，受影响的时间窗口变宽，早期发生畸变的数据变多。

4 接收装置对比

4.1 传统接收线圈

瞬变电磁接收装置实际测得的感应电压曲线。它不是单纯的二次场，而是夹杂了接收线圈暂态过程。在一般情况下接收线圈暂态过程比较短，所以不会出现在晚期信号里，但在早期信号里它很大，不容忽视。下图为两种不同接收回线装置。

图2 瞬变电磁探测装置示意图

(a)重叠回线装置；(b)中心回线装置

重叠回线装置与目的物耦合紧密，横向分辨率高，异常幅度大，发射磁矩和接收磁矩较大，勘探深度可达数百米。重叠回线装置的缺点是接收回线接收磁场垂直分量分辨率较低，设备笨重，铺设线圈时比较麻烦，难以避开干扰区。

4.2 接收天线装置

与重叠回线装置相比，减小了接收回线的大小。其具有同点装置共有的最佳耦合，异常幅度大，横向分辨率高等优点。由于中心回线组合装置接收回线较小，因此可观测磁场的水平分量，相比于重叠回线装置提高了分辨率；而且接收回线可避开井下金属体等人为良导体，在良导体较多的地区，数据质量优于重叠回线装置。缺点是受地质体的不均匀性影响较大。

接收线圈的暂态过程可以用数据处理的方法来消除。对于一定的接收线圈，其暂态过程的时间常数也是一定的，那么我们就可以在后期处理数据时，把暂态过程从实测曲线中减去。同样也可以用放大电路来补偿，放大电路一般采用差分放大，以抑制共模干扰信号。放大电路部分应放在信号传输之前，这样可以抑制传输过程中产生的干扰。但是，为了从根本上解

接收天线的原理如图3所示。根据线圈的L和开关等分布电容C适当选择R1和R2,使其处于临界阻尼状态, 暂态过程就会很快消失，这样就大大减小了探测盲区，增大了勘探范围。

4.3 对比分析

在实际应用中，我们同时使用了传统接收线圈和接收天线法。其结果示意图如图4所示。为了便于比较，我们把传统接收线圈方法、天线接收方法放在同一图里。

200000

电压 V/mV 20000 2000 时间 t/µs

图4 接收线圈实测结果对比 200

在各种条件完全相同的情况下, 分别使用接收天线、传统接收线圈的实测结果如图4所示。从图4中可以看出, 在传统接收线圈曲线的早期, 暂态过程占了很大的比例。如继续使用这种方法接收, 那么将严重影响二次场信号的采集和后期数据处理。而接收天线的暂态过程很短。这对进一步的反演工作将十分有利。可见这种方法对消除接收线圈的暂态过程的影响和准确获得早期信号是十分有效的。

5 应用实例

文中提出了两种不同接收线圈装置，为了比较两种不同探测装置的使用效果，以某煤矿巷道底板实测数据为例进行分析，对实测数据进行处理，进一步对接收天线装置的探测效果进行验证。本次试验仪器使用YCS2000矿用瞬变电磁仪，接收天线使用YCS2000-T高频磁探头(如图

5所示)，采用中心回线方式进行测量，探测点距为20米。

接收天线 发射线圈

图5 YCS2000矿用瞬变电磁仪

通过新型接收天线探测效果与传统接收线圈对比可以看出两者的不同效果，因此在其他条件相同的情况下，分别用两种不同接收装置进行探测，探测视电阻率剖面(如图6所示)，探测位置为巷道底板。通过对不同接收装置进行对比，可以看到两者探测结果有较大差异。

(a)

(b)

图6 不同发射线圈探测成果图

(a)传统接收线圈探测成果图；(b)接收天线探测成果图

由图6可知传统接收线圈接收方式与磁探头天线接收方式探测结果存在一定差异。首先从探测深度来看，由于传统接收线圈暂态过程较长且无法利用技术手段予以修复，因此损失了较长的浅层地质信息。磁探头接收天线相较于传统接收线圈接收方式在这方面有很大提高，它将矿井瞬变电磁盲区缩小到了10米左右。其次，通过两种不同装置探测效果可以看出，磁探头接收天线探测结果受井下金属体干扰较小，全空间影响较小，数据的准确性有了极大的提高。磁探头接收天线接收效果比传统线圈接收方式在探测效果上有了极大的提高。 6 结论

本文通过对瞬变电磁接收回路等效电路的深入分析，研究了接收线圈不同阻尼系数、暂态过程对接收系统的影响，分析了瞬变电磁系统对地下地质体瞬变响应信号的影响特征，发现理论瞬变响应信号与系统输出的信号，两者存在着相当大的差异。由此看出：要想减小浅部勘探盲区，将瞬变电磁法用于超浅层勘探，必须弄清接收线圈内阻、分布电感、分布电容及阻尼电阻对瞬变电磁信号的影响特征，并解决两个问题：一是消除接收与发送线圈之间的互感；二是建立考虑过渡过程效应在内的瞬变电磁数据处理和反演方法。

通过采用新型接收天线装置接收瞬变电磁信号，可以达到较好的探测效果，数据的采样时间与最终探测结果相较于传统接收天线装置将有很大的提高。

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