PROTEM47CM井下瞬变电磁仪进行掘进头超前探测时线框角度旋转范围的研究_裴建国.pdf

2020年第10期西部探矿工程 * 收稿日期 2019-12-10修回日期 2019-12-31 作者简介 裴建国 （1987-） ， 男 （汉族） ， 山西太原人， 工程师， 现从事地球物理勘探的研究与应用工作。 PROTEM47CM井下瞬变电磁仪进行掘进头 超前探测时线框角度旋转范围的研究 裴建国* （山西省煤炭地质水文勘查研究院， 山西 太原 030006） 摘要 简述了应用PROTEM47CM型井下瞬变电磁仪进行掘进头超前探测时观测装置的基本特 性， 推导了本装置在有限的巷道空间内一次场随观测角度变化的函数， 并绘制了相关曲线， 同时也绘 制了不同电流下一次场随角度变化的函数曲线； 然后， 对一次场进行校正， 得出校正后二次场多测道 电压信号断面， 对比于校正前。最终得出了该装置下进行掘进头超前探测， 观测角度应限制在在 60形成的120夹角范围内。 关键词 瞬变电磁； 中心回线； 响应； 模型； 视电阻率 中图分类号 P631 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202010-0090-03 近年来， 物探事业蓬勃发展， 其中瞬变电磁法更是 在诸多行业发挥了无可替代的作用。该方法在煤矿安 全领域也举足轻重， 其技术提升则尤为重要。应用瞬 变电磁法进行井下掘进头超前探测成为煤矿安全生产 必不可少的环节。现对PROTEM47CM型井下瞬变 电磁仪[1]在掘进头超前探测中旋转角度范围进行研究， 以期在应用中取得更好的效果。 1掘进头中心回线探测角度的研究 1.1问题的由来 我们采用的 PROTEM47CM 型井下瞬变电磁仪 进行掘进头超前探测时其基本观测装置为分离式中 心回线， 即观测时发射框与接收框平行共轴， 接收 框在前， 发射框在后， 收发距为 10m， 由于受井下空 间及分离回线观测装置所限， 我们无法使发射框和 接收框始终共轴旋转来进行大角度探测范围数据采 集 （如图 1a） ， 只能随着角度的增大， 采取错位平行 的观测方式 （如图1b） ， 因而产生了该研究内容。 1.2不同深度一次场随角度的变化 图1分离式中心回线探测掘进头角度变化示意图 90 2020年第10期西部探矿工程 由毕奥萨伐尔定律[2-3]推导可得掘进头探测时一次场强度随观测角度的变化公式 B0 μ0Ih10cosθ 2π ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ 10sinθ-0.5 10sinθ-0.52h10cosθ 2 3 2 - 10sinθ0.5 10sinθ0.5 2 h10cosθ 2 3 2 （1） 由如上公式可绘制掘进头探测时不同深度处一次 场强度随探测角度的变化曲线[4-6]（由于探测正前方左 右两侧对称， 故选一侧研究） 。 由图2可以看出在60形成的120夹角范围内一 次场基本稳定， 随着探测角度的增大， 一次场强度明显 增大， 据此， 我们建议该观测装置进行掘进头探测时， 在60形成的120夹角范围内进行观测。 1.3不同电流一次场随角度的变化 同样由公式可绘制掘进头探测通以不同电流时一 次场强度随探测角度的变化曲线， 掘进头不同电流随 角度的变化。 由图3同样可以看出在60形成的120夹角范围 内一次场基本稳定， 随着探测角度的增大， 一次场强度 明显增大， 据此， 我们建议该观测装置进行掘进头探测 时， 在60形成的120夹角范围内进行观测。明显看 出， 与上节变化规律基本相同。 2二次场信号特征研究 2.1一次场校正 由瞬变电磁法基本原理可知， 一次场作为瞬变信 号的激发场， 在获取高质量可靠信号方面起着至关重 要的作用。其基本原理是稳定的一次场作为激发场才 能很好地突出异常， 而波动较大的一次场本身就极易 造成假异常， 这与地面大定源观测方式必须是在发射 框中心1/3区域内采集数据[7]的基本原理是类似的。 如前所述， 本装置分离中心回线特性， 掘进头进行超 前探测时， 大夹角范围探测 （下以10等间隔形成的160 夹角探测范围为例） ， 激发场校正前后发生如下变化 由 图4 （a） 实测数据可以明显看出， 在单侧60夹角形成的 120探测范围内， 一次场基本稳定， 与前面章节理论计算 相符； 随着角度进一步增大， 一次场强度明显减小， 同样 与前面章节理论计算相符。图4 （b） 为对大探测角度的一 次场进行了适量校正， 可以明显将因角度变化引起的一 次场信号差距进一步调整到一个较小的变化范围。 2.2二次场的归一化 仪器系统的一次场波形、 时窗范围、 测道数和相对应 图2特定电流 （I1） 不同深度 （h50， 100， 130） 掘进头探测一次场强度随探测角度的变化曲线 图4掘进头探测一次场 （a.校正前； b.校正后） 图3特定深度 （h50） 不同电流 （I1， 2， 3） 掘进头探测一次场强度随探测角度的变化曲线 91 2020年第10期西部探矿工程 的时间、 仪器的原始观测参数和计量单位等， 不同仪器之 间有所差别。传感器 （接收线圈） 输入仪器前置放大器的 都是感应电压V （t） 值， 经过仪器处理后所输出的参数 （观 测参数） 及计量单位而言， 常用的是用发送脉冲电流幅值 归一化的参数[8-9] 仪器输出的读数为V （t） /I， 以μV/A作 为计量单位。目前较多数的仪器使用此参数。 而本仪器输出参数为未归一的m参数 仪器输出 值为mVtG2n， 式中G为前置放大器加上固定了 倍数的后置级的放大倍数之和， 该参数为仪器公用通 道程控放大器的放大倍数， n1， 2， 3， ， 7； m值以mV 计量， 取G52.1。 以大角度探测一次场校正后， 并归一化后数据为 例 由图5a和图5b可以明显看出， 归一化对二次场校 正效果明显， 可以过滤来自仪器方面的系统误差及随 机误差， 但同时可以看出， 该方法对大角度探测晚期道 数据的校正能力有限[10]。尤其是60之后的， 已无法通 过校正一次场来实现对二次场信号畸变的校正。 3结论 （1） Protem47CM型井下瞬变电磁仪进行井下掘进 头超前探测时， 收发距10m时， 受限于巷道空间， 观测 装置由正前方共轴， 转向两侧逐渐变为平行相错， 一次 场及二次场在两侧60以后开始明显畸变； （2） 当通以不同的电流时， 以上规律相同， 仅表现 为大电流形成的一次场及二次场信号较强， 小电流相 对较弱； （ 3 ） 校正两侧60之后的一次场畸变信号， 二次场信号 略微变化， 但已无法恢复。即两侧60之外的一次场信号 畸变造成的二次场信号畸变是无法通过校正恢复正常。 （4） 基于以成果， 应用Protem47CM型井下瞬变电 磁仪进行井下掘进头超前探测时， 建议单剖面观测限 制在60形成的120夹角范围内。 参考文献 [1]彭祥超，王玉和，等. PROTEM47瞬变电磁仪在迎头超前探测 中的应用[J].煤炭技术，2017，3610188-189. [2]王纪龙.大学物理[M].科学出版社，2003. [3]蒋邦远.实用近区磁源瞬变电磁法勘探[M].北京地质出版 社，19989-12. [4]陈明生，闫述，石显新.再论小回线瞬变电磁场法的探测深度 [C]∕∕第八届中国国际地球电磁学术讨论会论文集，2007. [5]王庆乙.对瞬变电磁法回线边长决定探测深度的质疑[J].物 探与化探，2007，314327-332. [6]中华人民共和国地质矿产部.DZT 0187-1997地面瞬变电磁 法技术规程[S].1997. [7]牛之琏.时间域电磁法原理[M].长沙中南大学出版社，2007 13-15. [8]傅良魁.电法勘探教程[M].北京地质出版社，1983. [9]嵇艳鞠，林君，王忠.瞬变电磁接收装置对浅层探测的畸变分 析与数值剔除[J].地球物理学进展，2007，221262-266. Research on the Angle Rotation Range of Wireframe in Ad- vanced Detection of Advancing Head with Protem47CM TEM Instrument PEI Jian-guo Shanxi Coal Geological Prospecting Institute of Hydrology, Taiyu- an Shanxi 030006, China Abstract This paper briefly describes the basic characteristics of the observation device when using protem47cm underground TEM instrument for advanced detection of heading head, deduces the function of the primary field changing with the observation angle in the limited roadway space, draws the correlation curve, and draws the function curve of the primary field with the angle under different current. Then, the primary field is corrected and the multi- channel voltage signal section of the secondary field after correc- tion is obtained. Compared with that before correction, it is con- cluded that the observation angle should be limited within the range of 120 ed by 60 when advanced detection is car- ried out under this device. Key words TEM； central loop； response； model； apparent resis- tivity 图5一次场校正前后多测道电压断面图 92