胡雄武 付茂如 駱彬

摘 要：礦井瞬變電磁已普遍應(yīng)用于我國各大礦區(qū)的水害探查。由于適用于礦井探測空間的視電阻率算法在大量數(shù)據(jù)處理平臺中還未得到及時更新，很多礦方技術(shù)人員仍在沿用傳統(tǒng)的地面視電阻率算法，其結(jié)果的可靠性值得探討。通過將水平電偶極子產(chǎn)生的瞬變電磁場沿發(fā)射回線的路徑進(jìn)行積分，并基于磁矩等效原理，推導(dǎo)了礦井空間條件下的多匝方形回線瞬變電磁場響應(yīng)公式，與數(shù)值計算結(jié)果進(jìn)行對比，確定其最大誤差為1.5%，證明該公式是準(zhǔn)確的。利用相同測試參數(shù)條件下礦井與地面瞬變電磁場的對比，確定前者的響應(yīng)幅值為后者的2.5倍，相應(yīng)的視電阻率比值為1.842，進(jìn)一步表明傳統(tǒng)的地面視電阻率值與礦井視電阻率值之間僅存在固定的比例關(guān)系，對視電阻率的趨勢特征并未改變，可認(rèn)為傳統(tǒng)視電阻率算法相對可靠，對現(xiàn)場勘探解釋的影響較小。

關(guān)鍵詞：礦井瞬變電磁；視電阻率；算法；可靠性

中圖分類號：P631 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-1098（2017）06-0060-05

Abstract：The mine transient electromagnetic method has been widely used to detect water aquifer in Chinas major mining areas. As the apparent resistivity algorithm appropriated for the mine detection space in a large number of data processing platform has not yet been updated in time， most of the mine technical personnel are still using the traditional apparent resistivity algorithm of surface， thus the reliability of its results needs to be discussed. The formula of the transient electromagnetic field induced by the multi-turn square loops under the mine space condition was deducedthrough the integration of the transient electromagnetic field induced by the horizontal electric dipole along the path of the emission loops and the equivalent substitution of magnetic moment. Its accuracy was proven by the maximum error of 1.5% obtained by the contrast between the analytic solutions and numerical solutions. By the comparison of the mine transient electromagnetic field with surface transient electromagnetic field under the same test parameters， it showed that the response amplitude of the former is 2.5 times that of the latter， and the corresponding ratio of apparent resistivity between the twois 1.842， which further indicated a fixed proportional relationship between the apparent resistivity of surface and that of mine， and the unchanged trend characteristic of apparent resistivity. It can be concluded that the traditional apparent resistivity algorithm was relatively reliable and had little effect on interpretation of site exploration.

Key words：mine transient electromagnetic method； apparent resistivity； algorithm； reliability

煤礦生產(chǎn)過程中，常面臨各種突水隱患，直接威脅到煤礦生產(chǎn)安全。近年來，圍繞采煤工作面頂、底板及其生產(chǎn)準(zhǔn)備巷道等周圍巖體的賦水性探查，國內(nèi)外發(fā)展了多種礦井物探技術(shù)[1-3]。在諸多方法當(dāng)中，由于瞬變電磁法在礦井巷道內(nèi)探測設(shè)備輕便、數(shù)據(jù)采集效率高、具有一定的定向探測能力及對含水體響應(yīng)敏感等優(yōu)勢，已逐漸發(fā)展成為礦井水害探查的主要方法之一。為適應(yīng)煤炭高效高產(chǎn)的需求，確保煤礦生產(chǎn)安全，國家煤炭相關(guān)管理部門要求水文地質(zhì)條件相對復(fù)雜的煤礦企業(yè)配備相關(guān)的探水設(shè)備，礦井瞬變電磁作為主要探水方法之一，其儀器設(shè)備在近10年期間，基本遍布于我國各大礦區(qū)。由于早期礦井瞬變電磁技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用理論不足，在視電阻率計算方面主要還是沿用傳統(tǒng)地面視電阻率算法，盡管近3年來，有關(guān)礦井瞬變電磁視電阻率計算方法研究不斷取得新的進(jìn)展[4-7]，但對于礦方應(yīng)用來說，這些新的技術(shù)還未得到有效的更新。那么，傳統(tǒng)地面瞬變電磁視電阻率的計算方法應(yīng)用于礦井探測，其所得視電阻率值是否可靠，對巖體導(dǎo)電性特征的反映是否有效等都是當(dāng)前礦方技術(shù)人員應(yīng)用需要明確的問題。鑒于此，論文首先推導(dǎo)均勻介質(zhì)中礦井瞬變電磁場的表達(dá)式，然后按照瞬變場與巖體視電阻率之間的對應(yīng)關(guān)系，分析傳統(tǒng)視電阻率算法在礦井探測中應(yīng)用的可靠性，為現(xiàn)場探測應(yīng)用奠定有力基礎(chǔ)。

1 傳統(tǒng)地面視電阻率算法

早期礦井瞬變電磁設(shè)備配備的數(shù)據(jù)解析軟件主要還是沿用傳統(tǒng)地面的視電阻率算法，包括全期和晚期算法。在均勻半空間情況下，水平圓形回線中心點的瞬變響應(yīng)（磁場的垂直分量與感應(yīng)電動勢）為[8]

式中：Hbz 為磁場的垂直分量；Ubz 為垂直感應(yīng)電動勢；N為發(fā)射線圈匝數(shù)；I為供電電流；t為觀測時間；S為接收線圈的等效面積；R為發(fā)射線圈半徑，若發(fā)射線圈是邊長為2a的方形回線，則取R=2a/π；μ為均勻半空間磁導(dǎo)率（可取真空磁導(dǎo)率μ0）；ρ為均勻半空間介質(zhì)的電阻率。同時，

4 結(jié)論與討論

1）通過對全空間水平電偶極子產(chǎn)生的瞬變電磁場沿方形回線進(jìn)行路徑積分，并基于磁矩等效代換原理，推導(dǎo)了全空間多匝方形回線的瞬變電磁場表達(dá)式；數(shù)值解與解析解的誤差分析表明，兩者的最大誤差為1.5%，證明了該公式準(zhǔn)確。

2）全空間瞬變電磁場與半空間瞬變電磁場的對比分析表明，不論是瞬變磁場還是垂直感應(yīng)電動勢，全空間條件下的響應(yīng)幅值始終是半空間響應(yīng)幅值的2.5倍；通過對晚期視電阻率公式的對比，確定全空間視電阻率值為半空間視電阻率值的1.842倍，進(jìn)一步給出了礦井瞬變電磁視電阻率的修正公式。

3）考慮到現(xiàn)階段礦井瞬變電磁方法在進(jìn)行電性解釋時，主要分析測試數(shù)據(jù)體內(nèi)的相對電性分布特征，而基于傳統(tǒng)地面的視電阻率算法求解的視電阻率值并未改變視電阻率相對大小關(guān)系，因此，可以認(rèn)為當(dāng)前礦方技術(shù)人員采用的傳統(tǒng)視電阻率計算方法仍然是可靠的。以上研究僅限于視電阻率解釋，對于礦井瞬變電磁的電阻率反演等解釋方法的應(yīng)用是否可靠仍需進(jìn)一步的深入研究。

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（責(zé)任編輯：李 麗）