矿井瞬变电磁重叠回线装置实验研究.pdf

第 8期 2 0 1 2年 8月 工矿 自 动化 I n dus t r y a nd M i ne Aut o ma t i o n NO ． 8 Au g ．2 0 1 2 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 2 0 8 0 0 4 1 0 4 李云波． 矿井瞬变电磁重叠回线装置实验研究E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 2 8 4 1 4 4 ． 矿井瞬变电磁重叠回线装置实验研究 李 云波 1 ． 中南大学地球科学与信息物理学院，湖南 长沙4 1 0 0 8 3 ；2 ． 中煤科工集团重庆研究院，重庆4 0 0 0 3 9 摘要 针 对井 下特殊 的 工作 环境 ， 对 不 同边长 、 不 同形状 和不 同匝数 的 重叠 回线装 置与 关断 时间 、 接 收信 号 质量之 间的关 系进 行 了定性研 究 ， 通过 实验 得 出了如 下结论 关断 时间 受重 叠回线装 置 的形状和 接 收线 圈 的 匝数 影响较 小， 而对 重叠 回线装 置的 面积和 发射 线 圈 匝数 的 变化较 为敏 感 ， 基 本 上 呈现 线性 增 加 关 系； 在 井下有 限 的施 工 空 间 中， 适 当增 大重 叠回线 装置 的 面积 和 加 大接 收 线 圈的 匝数 可 以明 显提 高和保 证 接 收信 号的质 量 ； 而 圆形 的重 叠 回线装 置在相 同周 长 的情况 下 ， 能够 获得 最大 的接 收 面积 ； 发 射 线 圈 匝数 的增 加 无 助 于接 收信 号质 量的 改善 。 关键词 矿 井 ；瞬 变电磁 ； 重 叠 回线 ；关断 时 间 ； 超 前探 测 ； 接 收信号 中图分 类号 T D2 6 3 文献标 识码 A 网络 出版 时间 2 0 1 2 0 8 0 3 1 3 2 9 网络 出版地址 h t t p ／ ／ w ww． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 O 1 2 0 8 0 3 ． 1 3 2 9 ． 0 1 0 ． h t ml Exp e r i me n t a l St u dy o f M i n e Tr a ns i e nt El e c t r o ma gn e t i c Ov e r l a p p i n g Lo o p De v i c e LI Yun b o 1． Sc ho ol o f Ge o s c i e nc e s a nd I n f o Phy s i c s o f Ce nt r a l Sou t h U n i v e r s i t y，Ch a ng s h a 41 0 0 83，Chi n a． 2． Ch on gq i n g Re s e a r c h I n s t i t ut e o f CCTEG ． ，Cho ng qi ng 4 0 0 03 9，Ch i na Abs t r a c t Ac c o r di n g t o s p e c i a l u nd e r g r ou nd wor ki ng e n v i r on m e nt ，t he p a p e r r e s e a r c he d r e l a t i o ns hi p be t we e n o v e r l a p pi n g l oo p d e v i c e wi t h di f f e r e nt l e n gt h，d i f f e r e n t s ha p e s a n d di f f e r e nt nu m be r o f t ur n s a nd t u r n o f f t i m e a n d q ua l i t y of r e c e i v e d s i gn a1 ． An d g ot c o nc l us i o ns a s f ol l o ws t he t u r n of f t i m e i s l e s s i n f l ue nc e d by s ha p e of t h e ov e r l a pp i ng l o op a nd nu m b e r o f t ur n s of r e c e i v i n g c o i l ， i s mo r e s e n s i t i v e t o c h a n ge o f a r e a o f t he ov e r l a p pi ng l oo p a nd nu m b e r of t ur n s o f t r a ns m i t t i n g c oi l wh i c h s h o ws a l i n e a r i n c r e a s e r e l a t i o n．I n l i mi t e d un de r g r o un d c on s t r u c t i o n s p a c e，i nc r e a s i ng a r e a of t he ov e r l a p pi ng l oo p a nd nu m b e r of t u r ns o f t he r e c e i vi n g c o i l s c a n ob v i o us l y i m p r o ve a nd g ua r a n t e e q ua l i t y o f t h e r e c e i ve d s i g na 1 ． Ci r c ul a r o v e r l a p pi n g l o o p d e v i c e c a n ob t a i n t he ma xi m um r e c e i v i n g a r e a i n t he s a me c i r c u m f e r e n c e． I nc r e a s i n g nu m b e r o f t ur ns o f t he t r a ns mi t t i n g c oi l d o e s n o t c o nt r i but e t o i mpr o ve m e nt o f q ua l i t y of t he r e c e i v e d s i gn a 1 ． Ke y wo r ds mi n e， t r a ns i e n t e l e c t r o m a g ne t i c ， o v e r l a pp i ng l o o p， t ur n o f f t i me， a d v a n c e d de t e c t i o n， r e c e i v e d s i g na l 0 引言 矿 井瞬 变 电磁 法勘 探是 为 了解 决煤 矿工 作 面 内 部 和掘 进面 前方导 含 水性构 造超前 探测 问题 而从 地 面瞬 变 电磁 勘探 引入 的一种 物理 探测 方法 。瞬 变 电 磁 场源信 号 的质量 是获 得高 质量 响应信 号和 高精 度 数 据反演 的保 障 ， 而信号 源 的质量 、 接 收地质 体 响应 信 号质量 都 与重叠 回线装 置 直接相 关 。 由于 煤矿 巷 道 施工 空 间有 限 ， 为 了达 到 相应 的探 测 深度 ， 只能靠 增 加重 叠 回线装置 的匝数 、 边长等 方式 实现 ， 但是 这 收 稿 日期 2 0 1 2 0 4 2 0 作者简介 李云波 1 9 8 2 一 ， 男 ， 四J I 』 广安人 ， 助理研究员 ， 博士研究生， 现主要从事矿井物探技术及仪器研 究工作 。E ma i l l y b o l l z 1 6 3 ． c o rn 4 2 工矿 自动化 2 0 1 2年 8月 样会引起重叠回线装置 的电性参数 的改变， 使得关 断时间和接收信号都会发生变化。参考文献[- 1 ～2 ] 在地 面重叠 回线装 置 的 电感效 应 、 过渡 过 程 和关 断 时间等 方 面做 了较 多研 究 ， 鲜 见 有 针对 煤 矿 井 下特 点进行 重叠 回线装 置 的发射 接收 匝数 、 形 状 、 面积与 接收信号及关断时间的关 系进行研究 。因此 ， 笔者 在前人研 究 的基础 上 ， 利 用 YC S 4 0矿 用本安 型 瞬变 电磁仪 ， 结 合 煤 矿 巷 道 实 地 实 验 ， 研 究 发 射 接 收 匝 数 、 形状 、 面积与接 收数 据 及关 断时 间 的关 系 ， 以期 为重叠 回线装置优化设计提供有用的参考。 1 矿 井瞬 变 电磁 重叠 回线装 置 实验 1 ． 1 采 用仪 器的原理 及现 场探 测工 艺 瞬变 电磁仪 由发射 回线 和接 收 回线 2 个 部分组 成 ， 工 作过 程分 为发 射 、 电磁感 应 和接 收 3个 部分 。 瞬变 电磁 场如 图 1 所 示 。 t O 图 1瞬 变 电磁 场 如式 1 所 示 ， 在 t 一 0时 刻 ， 将 电流 突 然 断 开 ， 发射 电流 突然 由 I 下 降到零 ， 根据 电磁感 应理 论 ， 发 射 回线 中电流 突然 变 化必 将 在 其 周 围产 生 磁 场 ， 该 磁场称为一次磁场 ， 一次磁场在周围传播过程中， 如 遇 到地下 良导 电 的地 质体 ， 将 在 其 内部 激发 产 生 感 应 电流 ， 又称 涡流或 二次 电流 ， 由于二 次 电流随 时间 变化 ， 因而在 其 周 围 又产 生 新 的磁 场 ， 称 为 二 次 磁 场 。由于 良导 电地 质 体 内感 应 电流 的热 损 耗 ， 二 次 磁 场大致 按 指 数 规 律 随 时 间 衰 减 ， 形 成 瞬 变 磁 场 ， 二 次磁场 主要 来源 于 良导 电地 质 体 的感 应 电流 ， 因 此 它包含 着 与地质 体 有 关 的地 质 信 息 ， 二 次 磁场 通 过 接收 回线 观测 ， 并 对观 测 的数据进 行分 析和 处理 ， 对 地下地 质体 的相 关物 理参数 进行解 释 。 一 ㈩ 实验 中采用 YC S 4 0矿用 本 安 全 型 瞬变 电磁 仪 和 重叠 回线 实 验装 置对 某 矿 的 掘 进 面 进 行 探 测 研 究 ， 图 2为掘 进面 超前探 测方 式 。 1 ． 2 实验 方 法 实验 场 地描 述 实 验 选择 在 霍 州煤 电集 团文 明 ’ 三 、 图 2掘 进 面超 前 探 测 方 式 煤 矿 的某掘 进面 进行 。 由于井下 的特 殊环 境及 针对 鲜见 于井下 重叠 回线装 置 的面 积 、 形状 和 匝数 与 接 收数据 和关 断时 间关 系进 行 研 究 的实 际情 况 ， 本 文 设 定 了 3种 实验 方案 。 1 不 同 面 积 0 ． 5 r n 0 ． 5 m， 1 m 1 m， 1 ． 5 m 1 ． 5 m ， 2 m 2 m 2 不 同形状 圆形 、 正方 形 、 矩 形 ； 3 不 同 匝数 发 射线 圈 匝数分别 为 1 O ， 2 O ， 3 O ， 4 0 ； 接 收线 圈 匝数分 别为 1 0 ， 2 0 ， 4 0 ， 6 0 。 2实验数 据分 析讨 论 2 ． 1 重 叠 回线装 置对 关断 时间的 影响 由于关断 时 间越 长 ， 存 在一 次场 的干 扰 ， 早 期数 据发 生严 重畸变 ， 以致无 法分辨 浅层 地质 信息 ， 导致 丧失 对 于浅层 的分 辨 能 力 ， 最 终使 反 演 解 释 存 在盲 区 ， 因此 ， 关断 时 间是衡量 瞬变 电磁 仪 的一个 重要指 标 。除 了发射 电路 本 身 的关 断延 时 外 ， 重 叠 回线装 置 的面 积 、 形状 、 匝数对关 断 时间也 有重 大影 响 。文 中通过 实验得 到 了不 同面积 、 形 状 、 匝数 的重 叠 回线 装 置与关 断 时间 的关系 ， 如表 1 ～4所示 。 表 1不 同 面 积 的 重 叠 回线 装 置 与 关 断 时 间 的 关 系 面 积 ／ m 发射线圈匝数 2 0 ； 接收线 圈匝数 4 O 0 ． 2 5 1 2 ． 2 5 4 关 断 时 间 ／ t , s 2 1 3 2 4 3 5 2 表 2 不 同形状 的重叠 回线装置与关断时间 的关系 形 状 发 射 线 圈 匝数 2 O ， 接 收 线 圈 匝 数 4 0 等周长圆形 2 ． 2 5 m 正方形 等周 长矩形 关断时 间／ “ s 4 6 4 4 4 1 表 3 固定发射线圈 匝数 、 不 同接收线 圈匝数 与 关 断 时 间 的 关 系 2 0 1 2年 第 8期 李云 波 矿 井瞬 变 电磁 重 叠回 线装置 实验研 究 4 3 表 4 固定 接 收线 圈 匝数 、 不 同发 射 线 圈 匝 数 与 关断时间的关系 从表 1 可 知 ， 随着重 叠 回线 装 置 的面积增 加 ， 关 断 时 间从 2 1 s 变 化到 5 2 s ， 其值增 大 了 3 1 s ， 但 随面积增 大 ， 关断 时间增 加趋 势放缓 。从 表 2可知 ， 对 于 圆形 、 正 方形 、 矩 形 的 重 叠 回线 装 置 关 断 时 间 圆形 最 大为 4 6 S ， 矩形 最小 为 4 2 s ， 但 它之 间相差 几个 微 秒 ， 变 化不 大 。从 表 3可知 ， 随着 接 收线 圈匝 数 的改 变 ， 关 断 时间变 化很小 。从 表 4可知 ， 随着 发 射 线 圈匝数 的变化 ， 关 断时 间迅速 增加 ， 当发 射线 圈 匝数 为 4 0时 ， 关 断时 间达 到 7 5 s 。 由此可 以判 断关断 时 间受 重 叠 回线 装置 的形 状 和接 收线 圈的 匝数 影 响 较 小 ， 而 对重 叠 回线 装 置 的 面积 和发射线 圈匝数 的变 化 较 为敏 感 ， 基 本 上 呈 现 线 性增 加关 系 。而 匝数 的增 加导 致重 叠 回线 装置 质 量 增加 ， 不利 于 现 场施 工 。所 以对 于 短距 离 超 前 探 测 有较 高要 求 时 ， 建 议 选 择 匝 数 较 少 的发 射 线 圈 ， 一 般 1 O匝为宜 ； 当关心 长 距 离 超 前 探 测 质 量 时 ， 建 议 选择 匝数 较多 的发射 线 圈 ， 一般 4 0匝为 宜 。 2 ． 2 重 叠回线 装置对 接收信 号 的影 响 接收 信 号 的质 量 与反 演 解 释相 关 ， 由于关 断 时 间 的影响 ， 接 收信 号存 在一 次场 的干扰 ， 在尽 量缩 短 关 断 时间 的同 时 ， 如 何保 证 井 下 有 限 空 间接 收 信 号 质 量 ， 也是本 文 研究 的重 点 内容 。在 井 下有 限空 间 中 ， 只 能依靠 改变 重 叠 回线装 置 的面 积 、 形 状 、 匝 数 来 保证 接收信 号 的质 量 ， 下 面将 从 这 几个 方 面 进 行 研 究 。 在表 5中 ， 当重 叠 回线装 置边 长为 0 ． 5 m 时 ， 接 收到 的数据 呈现 围 绕零 点 上 下 振荡 变 化 ， 信 号 早 中 晚期无 衰减 特征 ， 有 效 观 测 时窗 很 短 ， 测 得 的 4 0道 数据中基本没有有效数据 ， 不能进行后期 的反演解 释工作 ； 而 当重 叠 回线装 置 的 边 长 为 1 m 时 ， 采 集 到的 信号在 2 8道 以后 出现 围绕 零点 的振荡 变化 ， 采 集 的衰减 曲线正 常 ， 有 效观 测数 据据增 多 ， 能满足 反 演 解 释要求 ； 当 重 叠 回线 装 置 边 长 为 1 ． 5 m 时 ， 接 收到 的信号 衰减 曲线正 常 ， 有 效数 进一 步增 加 ， 晚期 数据更为平滑， 探测深度进一步增加 ， 能满足解释工 作 的要 求 。 由于不 同形 状 的重 叠 回线装 置 的面积也 各不 相 同 ， 因此 ， 接 收数 据 也各 有 差 异 ， 研 究 其 差异 性 对 于 重叠回线装置的研制具有重要作用。等周长的圆形 重 叠 回线装 置 检测 到 的初 始 电压 超 过 2 0 0 mV， 整 体 有效 数据 明显 比其 它 2 种 形状 的重 叠 回线 装置 要 多 ， 数 据衰 减速度 较慢 ； 正方 形 的重叠 回线装 置较 等 周 长 的 圆形 重叠 回线 装置 明显 检 测 的初 始 值 要小 ， 有效 数据减 少 ， 衰减 速度也 加快 ； 而等 周长 的矩 形重 叠回线装置初始值最小 ， 有效数据最少 ， 衰减速度 最快 。 而 随着 接 收线 圈匝 数 的改 变 ， 接 收到 的有 效 数 据也 有较 大 的变化 。 当接 收线 圈 匝数 为 1 O匝时 ， 接 收数 据基本 不 能使用 ， 接 收数据 呈现振 荡 变化 ， 有效 数 据很少 ； 当接收 线 圈 匝数 为 2 0匝时 ， 接 收数 据迅 速 衰减 ， 有效 数据增 多 ； 当接 收线 圈匝数 为 4 0匝时 ， 接 收数据 衰减 速度 减慢 ， 有效 数据进 一 步增多 ； 当接 收 线圈 匝数 为 6 0匝时 ， 接收数 据衰 减速 度进一 步放 缓 ， 有效数据最多 。接 收线圈的接 收电压与匝数呈 现 线性增 加关 系 。 发 射线 圈 匝数 增加 时 ， 抬 高 了早期 的接 收数据 。 到 发射 线圈 匝数 为 4 0匝 时 ， 接 收数 据 出现平 顶 ， 而 对 于后期 的接收数 据并 没有 多大 的影 响 。 由上 面 的分 析 可 以判 断 ， 在井 下 有 限 的施 工 空 间中 ， 适 当增 大重 叠 回线 装 置 的 面 积 和加 大 接 收线 圈的匝数可以明显提高和保证接收信号的质量 ； 而 圆形 的重 叠 回线装 置 在 相 同 周 长 的情 况 下 ， 能 够 获 得 最大 的接 收面 积 ； 发 射线 圈 匝数 的增 加 无 助 于 接 收 信号 质量 的改善 。 3 结论 结 合矿 井 工 作 面 的实 际情 况 ， 研 究 了重 叠 回线 装 置形 状 、 面 积与 发 射 线 圈 、 接 收线 圈 匝数 、 接 收 数 据 及关 断时 间 的关 系 ， 可 为重 叠 回线装 置 的优 化 设 计 提供 有用 的参 考 。通 过 实 验 和数 据 分 析 ， 得 到 了 以下结论 1 关 断时 间受 重叠 回线装 置 的 面积及 发 射 线 圈匝数影 响较 大 ， 装置 形 状 和 接 收 线 圈 匝数 对 其基 本 无影 响 。 2 接收信号质量受接收线圈匝数、 重叠回线 装 置 面积影 响较 大 ， 有 效接 收 数 据 受发 射 线 圈 匝 数 影 响不 明显 。 3 在 井下 有 限 的施 工 空 间 内 ， 圆形 重 叠 回 线 装 置能够 获得 最大 的有 效 接 收 面积 ； 发 射 线 圈 的 匝 数依据不同的探测要求来确定； 在总质量允许 的情 况 下 ， 接 收线 圈 的匝数应 尽量 多 。 4 4 。 工矿 自动 化 2 0 1 2年 8月 参考文献 I- 1 ] 姜 志海 ， 岳建华 ， 刘树 才． 多 匝重叠小 回线装 置的矿 井 瞬变电磁观测系统[ J ] ． 煤炭学 报 ， 2 0 0 7 ， 3 2 1 1 1 1 5 2 1 15 6 ． [ 2 ] 杨 海燕 ， 岳建华 ， 胡文武， 等． 多 匝回线 的 自感对 瞬变电 [ 3 ] [ 4 ] 磁早期信号的影响特征[ J ] ． 物探 化探计算技 术 ， 2 0 0 7 ， 2 9 2 9 6 - 9 8 ． 牛之琏． 瞬变 电磁测 深理论 与应用 [ M] ． 长沙 中南 大 学 出版 社 ， 1 9 9 2 ． 谭代 明． 隧道超 前探水全 空 间瞬变 电磁理论 及其应 用 研究[ D] ． 成都 西南交通大学 ， 2 0 0 9 ．