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刘向红1,2 ；张平松3 ；刘盛东4 ；桂和荣1,2 ；马杰1,2；
(1.宿州学院地球科学与工程学院，安徽宿州 234000；
2.安徽省煤矿勘探工程技术研究中心，安徽宿州 234000；
3.安徽理工大学地环学院，安徽淮南 232001；
4.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州 221116)
摘 要：为评价国产本安型矿井瞬变电磁仪YCS40(A)的稳定性及对异常体的分辨能力，特将其同井下使用较频繁的进口仪器TERRATEM做了试验对比。试验中，进行了二款仪器使用各自的常规装置展开单点背景值实验对比、对异常体的分辨能力实验对比和抗干扰能力等模拟实验对比。并在同一感应电动势-衰减时间(V-T)的坐标下考察二者的关断时间、感应电动势的幅值、光滑程度及衰减速率和尾期信号的抗干扰度等衡量仪器性能的硬性指标。最后通过井下实际工程实例剖面测量对比，表明国产YCS40(A)矿井瞬变电磁仪具有稳定性较好、抗干扰能力强、对异常体具有较强的分辨能力等优点，同时也感到该仪器探测窗口较少、感应时间短，当井下异常体埋深超过120m时其分辨力的不足。(1.宿州学院地球科学与工程学院，安徽宿州 234000；
2.安徽省煤矿勘探工程技术研究中心，安徽宿州 234000；
3.安徽理工大学地环学院，安徽淮南 232001；
4.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州 221116)
关 键 词：瞬变电磁仪YCS40(A)；瞬变电磁法；响应曲线；数据处理；对比实验
1998年于景邨在博士论文中首次将地面瞬变电磁法应用于国内煤矿井下勘查，探测巷道不同位置含水构造；导出了全空间瞬变电磁场和井下视电阻率表达式，简要分析了全空间瞬变电磁场特征；建立了瞬变电磁法时间—深度换算数学模型，对换算技术进行了理论模型和实际应用研究；通过物理模拟和现场试验，系统研究了井下巷道内各种人文设施产生噪声的瞬变电磁响应特征，并对矿井瞬变电磁法应用技术进行了系统研究，为矿井瞬变电磁法工作方法和装置选择以及资料处理与解释工作奠定理论基础[1]。之后，岳建华、姜志海、杨海燕、宋维琪等对矿井瞬变电磁的探测关键技术的理论做了深化与推广，并对全空间的电磁传播理论进行了三维模拟，对影响井下探测效果的关断时间、金属及人文等干扰因素做了更详细的分析，在理论上取得了更进一步的进展[2-7]。
在具体的施工方法上，中科院白登海研究员在大量的矿井探测试验的基础上提出了共中心工作装置全程视电阻率的计算方法及该种装置在掘进巷道连续跟踪探测的施工方法，刘志新等改变了传统的U型的观测系统，率先采用了扇形的观测系统，并取得了试验成功[8-10]。在理论上取得进展与成功后，矿井瞬变电磁法因其高效快捷、方向性好、体积效应小等优点被广泛应用在矿井掘进巷道跟踪超前探测、工作面顶底板富水异常体探查、封堵不良钻孔位置的探测、陷落柱的发育范围等工程方面，并较好地完成了探测目的[11-15]。
随着矿井探测系统理论的日臻成熟及矿井工程的需求，矿井瞬变电磁仪器有了进展。早期普遍被科研院所使用的是加拿大Geonics公司生产的Protem47系列及澳大利亚Alpha Geoscience公司生产的Terratem仪器，这两款仪器虽能解决矿井工程的大多问题，但是并不能适应井下巷道特殊的爆炸环境。在这种情况下，国内在引进国外技术的基础上，生产了符合煤矿安标需求的本安型矿井瞬变电磁仪器YCS40(A)。笔者为研究该款仪器的使用性能，特设计了几组与Terratem的对比实验。
1 地面场地对比实验
1.1 场地条件分析与测线布置
瞬变电磁探测矿井空间的含水地质异常体的机理是二次涡流场在含水异常体较高阻围岩停留的时间较长，感应电动势衰减曲线为高响应状态，计算的视电阻率为低阻。而瞬变电磁的最低探测能力是指其在高阻围岩中发现低阻体(含水异常体)的规模。因此，最低探测能力(分辨能力)是衡量瞬变电磁仪器的一个硬性指标。为考察两款仪器的性能，选择了噪声较强的操场做了单点响应实验、抗干扰实验、分辨能力实验。
1.2 具体实验
由于两者的系统具有很大的差别，所以在选取对比实验参数的同时也进行了全方面的考虑，先是YCS40(A)与Terratem各自选用常用的工作装置在同点进行响应测试，主要测试场地包括背景点及异常点(10cm×10cm×10cm铁质立方体)；另用同一工作装置同点进行测试，响应点亦包括背景点与异常点，考察对异常响应的能力：基于此设计了下列三组实验：
①实验一主要是试验两款仪器对外界干扰的抑制性能；
②实验二主要是研究仪器对异常体的分辨能力；
③实验三采用同种装置(Terratem)做对比，研究二者的硬件性能差异。
1.3 数据处理
图1～6的响应曲线，是由Grapher 7在双对数的坐标下成图的。横轴表示一次场与二次场时间和(μs)，纵轴是感应电动势(μv)，该曲线表达了感应电动势随观测时间衰减的过程。
表1 一致性实验参数
备住：1.型号中Y指YCS40(A)，T指Terratem ：2.V是供电电压(V)，I是指供电电流(A)：3.TX是发射线框，RX是接收线框，L是边长(m)，N是匝数，R是电阻(Ω)4三组参数都采用重叠回线装置。
表2 对异常体的分辨实验参数
表3 同种装置的对比实验参数
表3 同种装置的对比实验参数
图1是YCS40(A)用表1的实验参数，在同一背景点做单点测试的三组数据的结果，选取的点为操场中的任一点的背景场。图中感应电动势在饱和通道的部分为一次电场的电动势，退出饱和通道直至信号消失的部分为二次涡流场的响应。黑、蓝、红曲线为同一点测试的结果，结果显示，三次在同点的响应在9μs前一致性相对较好，晚期的信号一致性相对较差。其原因是瞬变的信号跨度较大，在晚期信号相对较弱数据在晚期由于信号较弱，抗干扰能力较差，响应曲线上跳点较多，随机干扰不同，一致性相对较差。
图1 YCS40(A)单点相应曲线(双对数显示)
图2 YCS40(A)在异常位置的相应
图3 YCS40(A)对异常的分辨能力
图4 Terratem单点相应曲线
图5 等时间序列单点响应曲线不同仪器对比
图6 等时间序列同点装置不同仪器
图2是YCS40(A)使用同种参数(实验一)，在实验一的背景点中放置异常体(10cm×10cm×10cm铁质立方体)后，在该点测试三次得出的结果。从中可以看出3条曲线近乎重合，说明仪器对异常体的响应三次结果完全一致。并在晚期的响应上没有出现跳点，这是由于测试点为异常点(低阻高响应点)，该点的信噪比较高，虽在同样的外界干扰情况下，噪声不能压制有效信号。
图3是将上述二组实验的结果对比显示，目的是考察仪器的分辨能力，或是对异常的响应。图中蓝色曲线表示背景点的响应曲线，黑色表示异常点的响应曲线。可以看出在同一时间轴上异常点比正常点的响应值高4个数量级，且背景场与有异常体存在时的感应电动势退出饱和通道的时间是一致的。
图4是Terratem使用实验2(表2)的具体参数进行的实验，结果与YCS40(A)的结果类似，三组实验的一致性较好，晚期的数据波动稍大。符合瞬变电磁仪器的特征。由于Terratem与YCS40(A)仪器系统的差别，即不能选用相同的发射频率，这就导致了仪器没有进一步对比的平台。为了使二者的发射频率接近，即使仪器的观测时间尽量相同，我们在测道上下功夫，选用Terratem的中间序列并关掉22门以后的测道，这样可以对应于YCS40(A)的8.3Hz的时间序列，使二者发射频率尽可能处于同一水平。
图3是将上述二组实验的结果对比显示，目的是考察仪器的分辨能力，或是对异常的响应。图中蓝色曲线表示背景点的响应曲线，黑色表示异常点的响应曲线。可以看出在同一时间轴上异常点比正常点的响应值高4个数量级，且背景场与有异常体存在时的感应电动势退出饱和通道的时间是一致的。
图4是Terratem使用实验2(表2)的具体参数进行的实验，结果与YCS40(A)的结果类似，三组实验的一致性较好，晚期的数据波动稍大。符合瞬变电磁仪器的特征。由于Terratem与YCS40(A)仪器系统的差别，即不能选用相同的发射频率，这就导致了仪器没有进一步对比的平台。为了使二者的发射频率接近，即使仪器的观测时间尽量相同，我们在测道上下功夫，选用Terratem的中间序列并关掉22门以后的测道，这样可以对应于YCS40(A)的8.3Hz的时间序列，使二者发射频率尽可能处于同一水平。
图5是选用同一时间序列实验的结果，结果红色线表示Terratem的响应曲线，黑色线是YCS40(A)(线上用Mtem代为标注)的响应曲线，从这个方而进行对比可以看出二者具有很强的一致性，且在同点YCS40(A)在一定程度上较Terratem响应值大，浅层的分辨能力YCS40(A)较Terratem高。
图6是采用实验三的参数进行的实验，红色线表示Terratem，黑色线表示YCS40(A)(线上用Mtem代为标注)可以看出，在此点的响应YCS40(A)抗干扰能力稍强于Terratem，但YCS40(A)的地关断时间较长，并有一定时间的延迟，推测为YCS40(A)仪器对Terratem的工作装置匹配不良。
2 井下工程实例对比
2.1 工程概况
济宁市七五生建煤矿的北三采区西临北一采区，北为田陈煤矿，东部及南部均未开采。北一采区是许楼井田的首采区，南部与南二采区人为分界：西部为欢城断层与七五老井分界：北部与欢城煤矿比邻。采区面积为2.25k㎡。地质储量2063.2万t，工业储量为1311.4万t，可采储量为1014.03万t。
图6是采用实验三的参数进行的实验，红色线表示Terratem，黑色线表示YCS40(A)(线上用Mtem代为标注)可以看出，在此点的响应YCS40(A)抗干扰能力稍强于Terratem，但YCS40(A)的地关断时间较长，并有一定时间的延迟，推测为YCS40(A)仪器对Terratem的工作装置匹配不良。
2 井下工程实例对比
2.1 工程概况
济宁市七五生建煤矿的北三采区西临北一采区，北为田陈煤矿，东部及南部均未开采。北一采区是许楼井田的首采区，南部与南二采区人为分界：西部为欢城断层与七五老井分界：北部与欢城煤矿比邻。采区面积为2.25k㎡。地质储量2063.2万t，工业储量为1311.4万t，可采储量为1014.03万t。
3上煤层厚度。0～4.64m，一般3.45m，煤层结构简单，局部有一层夹研，属气煤。煤层直接顶0～4m的泥岩，老顶一般为中粗砂岩、粉砂岩。3下煤层厚度为0～4.09m，一般为2.3m，局部见冲刷变薄区，煤层顶板为厚层中砂岩，煤层结构简单，属气煤。
采区内构造较复杂，除纸房断层、张庄断层以及F3、F4落差较大的边界断层外，还存在7条落差大于10m的高角度正断层。采区主要充水水源为3煤顶板砂岩裂隙水为(3煤顶板砂岩水与上下含水层不发生水力联系)。充水方式以顶板淋水为主、断层带及裂隙涌水为辅。
采区内构造较复杂，除纸房断层、张庄断层以及F3、F4落差较大的边界断层外，还存在7条落差大于10m的高角度正断层。采区主要充水水源为3煤顶板砂岩裂隙水为(3煤顶板砂岩水与上下含水层不发生水力联系)。充水方式以顶板淋水为主、断层带及裂隙涌水为辅。
图7 313工作面下顺槽掘进情况
313工作面下顺槽掘进情况如图7所示。根据地面三维地震资料，探测313工作面下顺槽外段靠近一边界走向断层(落差H=15m)一盘，为此需要进一步查明此断层的精确位置和其相对富水性的大小。具体的探查内容为：按实际探测整体技术要求，本次测试主要任务为：
(1)查明该断层的相对赋水性情况：
(2)查明该走向断层(落差H=15m)靠近巷道一盘的位置。
2.2 探测结果对比
(1)查明该断层的相对赋水性情况：
(2)查明该走向断层(落差H=15m)靠近巷道一盘的位置。
2.2 探测结果对比
图8 井下Terratem探测结果
图9 井下YCS40(A)探测结果
图8和图9是两种仪器分别采用表1中的实验参数在井下探测的视电阻率拟断面，结果显示，二者在高低阻形态的分布上是一致的，其区别在于，YCS40(A)视电阻率的盲区只有10～15m，而Terratem的盲区则为30m左右，因此该实验中YCS40(A)对浅层地质信息的分辨力较强：此外，在横坐标125～245m段，YCS40(A)的分辨力优于Terratem。
图10 探测结果的分析
综合分析两种仪器的探测结果可初步推断，横坐标分别在80～110m，160～180m，250～300m段，垂直距离外帮在60～90m，视电阻率等值线数值小于1.5Ωm，为相对低阻反映，结合地质资料解释为3个相对赋水区。图10中绿色的线段为对F7断层的重新定位。
3 结论
从实验及具体工程实例的对比结果可得出：
(1)YCS40(A)与Terratem相比，同样具有较好的稳定性，并具有较强的分辨力：
(2)工程实例测量结果表明，YCS40(A)较Terratem浅层分辨能力强，但使用Terratem的装置时，退出饱和通道的时间较长：
(3)YCS40(A)观测窗口较少，且可操作性不强，感应时间较短，导致探测距离有限(120m)，为适应生产需要，亟待提高。
参考文献：
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[3]岳建华，杨海燕.巷道边界条件下矿井瞬变电磁响应研究[J].中国矿业大学学报，2008,37(2):152-156.
[4]杨海燕，岳建华，刘志新，等.矿井瞬变电磁法多匝小回线装置电感效应的理论研究[J].吉林大学学报，2006,36(增):168-171.
[5]杨海燕，岳建华，刘志新，等.矿井瞬变电磁多匝回线电感对目标探测的影响[J].物探与化探，2007,31(1):34-37.
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[9]郭纯，刘白宙，白登海.掘进头的连续跟踪超前探测[J].地震地质，2006,28(3):456-462.
[10]刘志新，岳建华，刘仰光.扇形探测技术在超前探测中的应用研究[J].中国矿业大学学报，2007.11,36(6):822-825.
[11]刘志新，于景邨，郭栋.矿井瞬变电磁法在水文钻孔探测中的应用[J].物探与化探，2006,30(1):60-70.
[12]王春耀，尹尚先，凌标灿，等.时间域瞬变电磁法井下全方位赋水性探查研究[J].华北科技学院学报，2007,4(4):6-8.
[13]刘向红，刘盛东.井下瞬变电磁法在煤矿陷落柱探测中的应用[J].中国煤炭地质，2010,2(9):72-75.
[14]刘向红，赵晶.矿用电磁仪在溶洞地质灾害超前探测中的应用[J].煤炭科技，2010(3):92-93.
[15]于景邨，刘志新，汤金云，等.用瞬变电磁法探查综放工作面顶板水体的研究[J].中国矿业大学学报，2007,36(4):542-546.
文章摘自：
《中国地质》2013年6月，第40卷第3期
3 结论
从实验及具体工程实例的对比结果可得出：
(1)YCS40(A)与Terratem相比，同样具有较好的稳定性，并具有较强的分辨力：
(2)工程实例测量结果表明，YCS40(A)较Terratem浅层分辨能力强，但使用Terratem的装置时，退出饱和通道的时间较长：
(3)YCS40(A)观测窗口较少，且可操作性不强，感应时间较短，导致探测距离有限(120m)，为适应生产需要，亟待提高。
参考文献：
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文章摘自：
《中国地质》2013年6月，第40卷第3期
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