全空间瞬变电磁场低阻层屏蔽效应数值模拟研究*

  王圣龙1  李长江2

  （1．中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆市九龙坡区，400039：

  2．兖矿东华建设有限公司，山东省邹城市．273500）

  摘  要  为了准确探测掘进工作面顶底板富水情况，对含低阻层地层瞬变电磁响应进行

  数值模拟，结果表明：全空间瞬变电磁场在传播过程中接触到低阻层时，感应涡流场覆盖在低阻层中，削弱了深部地层中含水异常体的响应，延缓了瞬变电磁场往其余地层中的传播，低阻层的屏蔽作用导致探测深度变小，信噪比下降。

  关键词  瞬变电磁场  低阻屏蔽效应  全空间  边界条件

  中图分类号  P631  

  随着全空间理论的发展，矿井瞬变电磁法已经成为在煤矿中探测突水异常体十分普及的物探方法，矿井瞬变电磁法具有装置空间小、探测方向性强、对异常体反映敏感等特点，在巷道空间有限情况下，矿井瞬变电磁法对突水异常体方位探测精确度更高并表现出明显的优势。然而在探测含水异常体的时候，如果浅部地层含有低阻层，则受制于低阻层的屏蔽效应，矿井瞬变电磁对含水构造探测效果不明显，探测深度较小，因此瞬变电磁场在全空间条件下传播的理论问题急待解决。

  针对上述情况，从麦克斯韦方程出发，使用时间域有限差分方法，建立2.5维有限差分方程，为探测含低阻层的地层奠定理论基础。

1  矿井瞬变电磁的基本原理

  瞬变电磁法是一种建立在电磁感应原理基础上的时间域人工源电磁勘探方法。它利用接地线源或不接地回线向地下发送一次脉冲磁场，从而在地下岩矿体中产生感应电流，在电流断开之前，发射电流在回线周围空间建立起一个稳定的磁场。在t=0时刻，电流突然断开，发射电流突然由I下降到零．由供电电流产生的磁场也立即消失，一次磁场的这一剧烈变化通过空气和导电介质传至周围岩层中，并能在周围岩体中激发出感应电流，由于感应电流随时间变化，因而在其周围空间又产生新的磁场，称为二次磁场。该二次场的大小及衰减速度与周围地质体的电性特征有关。如果围岩地层为富水性岩层则二次场衰减较慢，反之则二次场衰减较快。通过对接收到的信号的处理、分析及解释，了解巷道周围地层中的水文地质信息。

  由于矿井瞬变电磁法的发射和接受均在巷道中进行，受制于巷道空间，线圈采用多匝小回线装置。瞬变电磁场响应来自全空间地层的综合信息，记录的是不同瞬变延时的感应电动势。瞬变电磁场在围岩介质中的传播是一个能量不断衰减的过程，瞬变电磁场的早期信号主要由距离发射线圈较近的巷道及围岩介质的感应电流产生，反映的是近距离周围介质的电性特征；而晚期信号是由深部地层的感应电流产生，反映的是深部地层介质的电性特征。

2全空间瞬变电磁场时域有限差分

2.1  电磁场时域有限差分方程

  根据Maxwell微分方程组可推导出无源扩散方程：

  在电磁场时域有限差分中，将网格离散化处理，采用均匀网格将空间进行划分，将求无限大区域转化为求解长方体单元，如图1所示．网格步长在各个方向上均相同，为了保证有限差分方程计算的稳定性，时间离散步长与空间离散步长应满足时间步长为电磁波空间传播步长所需时间的一半。

  网格中心节点处的电磁场强度h i. j，对扩散方程进行面积分得到：

2.2初始源及边界条件

  电磁场的有限差分方程是利用扩散方程来模拟空间中电磁场随时间变化的规律，初始位置空间各点的磁场值由磁偶源在初始时刻的瞬变电磁场作为初始源值。采用阶跃后激发波形，瞬变电磁场沿着Z方向场强强度为：

 在全空间瞬变电磁场数值模拟中，需要对有限空间添加边界条件使其在传播过程中不会使内部的场产生畸变，采用二阶Mur吸收边界作为时域有限差分的边界条件。

3  低阻屏蔽效应数值模拟

  对于含低阻层的地电模型，全空间瞬变电磁场随时间扩散方式如图3所示。在瞬变电磁探测初始时刻25 us，瞬变电磁场主要集中在巷道附近，并且以等值线环的方式扩散，感应电磁场在通过巷道时，由于传播介质发生了变化，等值线环发生轻微畸变，对模拟成果不会产生影响。随着时间的推移，在瞬变电磁场传播到225us 时刻，感应电磁场传播到低阻层，感应电磁场扩散速度减慢，此时感应涡流场大部分集中在覆盖层中，低阻层屏蔽了场的传播，削弱了其余异常体的反映。随着瞬变电磁场传播到625us 时刻，瞬变电磁场始终停滞在低阻层区域，传播速度减慢。因此低阻层的存在减缓瞬变电磁场的传播速度，低阻层对瞬变电磁的能量起衰减作用。电磁场无法到达目标低阻体，低阻层的屏蔽作用导致探测深度变小。对于不含低阻层的模型，全空间瞬变电磁场扩散方式见图4，当瞬变电磁场在不含低阻层模型中传播时，在初始时刻25us ，瞬变电磁场主要集中在巷道边界附近，瞬变电磁场的探测深度在同一时刻几乎没有差距，当传播到225 us时，瞬变电磁场传播到60 m附近区域，并且等值线环并没有发生太大变化，瞬变电磁场能量衰减较小。当瞬变电磁场传播到625 us时刻，瞬变电磁场传播深度随着传播时间的增加而增大．瞬变电磁场穿透高阻区域能力强。

  如果沿着探测方向存在低阻层，感应电磁场受浅层低阻层的影响电场等值线发生畸变。在低阻层附近等值线较密集，电场的扩散速度明显降低，衰减变慢，则深部的低阻体响应会被浅部的低阻层响应所掩盖，探测距离变短，只表现出浅部低阻层异常响应。

  4  工程实例

  4.1  概况

  安徽淮南集团口孜东煤矿111303工作面在区域构造上位于准南复向斜谢桥向斜南翼北段，构造 线方向整体近东西向。总体构造形态为一推覆构造。地层系统由石炭二叠系煤系地层及其下伏地层组成。走向N450E，倾向向北，倾角为40～130，总体为一单斜构造。111303工作面将要穿过F10大断层，受F10断层的影响，煤层断裂极为发育，同时在F10断层北部附近发育有一宽缓的小背斜；在F10断层南部附近发育有一向斜构造，次一级的褶曲比较发育。

  4.2  地球物理特征

  根据该矿的水文地质情况，该工作面顶板老顶为粉砂岩、细砂岩，直接顶为泥岩、砂质泥岩，底板多为泥岩，老底以粉砂岩为主。煤层顶板砂岩水是工作面掘进期间的直接充水水源。工作面掘进到断层时，周围地层裂隙较发育，出现淋水现象。结构致密完整且不含水的砂岩在电性上表现为高电阻率特征，如果砂岩裂隙发育且含水，那么在岩层裂隙发育、断层或裂隙带附近的电阻率会比正常砂岩地层的电阻率大大降低，裂隙越发育、含水性越强则电阻率越低。因此，通过探测顶底板岩层的电阻率及其变化规律，并结合具体地质情况综合分析便可确定岩层的水文地质特征，这是矿井瞬变电磁法探测工作面顶板岩层含水性的物理基础。

4.3  资料解释

  采用中煤科工集团重庆研究院有限公司生产的YCS1024矿井瞬变电磁仪进行数据采集，采用重叠回线装置，在111303工作面布置100个测点，每个测点距离为10 m，在构造富集区域可相对加密测点。

  111303工作面运输巷竖直方向探测成果见图5，横坐标X为巷道方向，纵坐标y为顶板方向。矿井瞬变电磁法主要针对矿井瞬变电磁成果图中的低阻区域进行解释。

  多匝小回线装置形式发射电流关断时间过长，造成早期数据严重畸变，致使约20 m距离的盲区信息无法分辨。沿竖直方向50 m位置有一低阻异常区。结合异常区空间位置及地质资料可知该低阻异常区并非富水区域。111303工作面顶板50 m附近的泥岩层导致瞬变电磁场在此迅速衰减，泥岩层延缓了瞬变电磁场往深部岩层中传播，该工作面的探测深度只能达到55 m，  

无法准确涵盖深层地层富水性信息。结合矿方打钻结果进行验证，证实了该区域矿井瞬变电磁探测结果的准确性。

5  结论

  矿井瞬变电磁法研究的是一次脉冲间歇的二次场，对低阻体具有更高的探测和分辨能力，低阻层的存在会导致瞬变电磁探测深度减小，瞬变电磁场无法穿透低阻层到达更深地层中的富水异常区。在最终探测成果图中对含低阻层地层的探测成果解释，需以其每个测点的实际探测深度为准，再结合该区域的水文地质资料。