摘要：根据矿井瞬变电磁理论和电磁感应原理，遵循物理模拟相似性准则，通过物理模拟实验研究有多个低阻体沿探测深度方向分布时或浅层存在低阻屏蔽效应时，矿井瞬变电磁法所探测的异常相应特征。实验结论：在沿探测深度方向上存在多个物性参数相似的低阻体或表层存在低阻薄层时，表层低阻屏蔽效应掩盖或压制了深部低阻体的瞬变电磁响应，使之在感应电位多测道剖面图中所呈现的响应形态和变化规律表现出单一低阻体的特征，这会使得隐伏在低阻干扰体背后的目标体分辨，此时应结合区内其他资料进行综合解释或借助其他辅助手段，从而得到可靠的地质结果。
关键词：矿井瞬变电磁 物理模拟实验 纵向响应特征
1 概述
近年来，凭借自身在探测方向性强、体积效应小、横向分辨率高等方面的优势，矿井瞬变电磁法得到快速的发展，并且广泛应用到矿井工作面、巷道超前探测、回采面顶底板等方面[1]。在探查矿井内隐伏的含水断层、导水通道，以及岩溶陷落柱效果方面，矿井瞬变电磁法勘探技术特别明显，在一定程度上能够为煤矿巷道开挖和工作面回采快速准确地提供相应的地质水文资料。
2 矿井瞬变电磁原理
瞬变电磁法是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间利用线圈或接地电极观测地下介质中引起的二次感应涡流场，从而探测介质电阻率的一种方法。借助所接收的瞬变电磁信号对其变化情况展开分析，以便掌握沿地层介质探测方向的变化规律[2，3]。矿井瞬变电磁法适用于采深几百米的煤层或岩层巷道。除此之外，它与地面瞬变电磁的工作原理无明显差异。在煤、岩巷道内使用矿井瞬变电磁法时，必须使用边长小于3m的多匝小回线装置，要在狭窄的巷道内使用大回线探测装置总归不现实。[2，6]此外，矿井瞬变电磁法采用来自于回线平面上下（或两侧） 地层的全空间瞬变响应，我们通常称之为烟圈效应。[4，5]这也是该模式不同于半空间地层响应的地面瞬变电磁法的一大特点。地面瞬变电磁法从地表以下的半空间地层接收响应，详见图1。另外，鉴于矿井顺便电磁法是从巷道周围空间有效探测范围内所有介质岩层接收电性特征的综合响应来形成感应电动势，矿井瞬变电磁法全空间岩层电性特征的综合响应——视电阻率，须按以下公式计算：
ρτ=B×C■（■）■=B×C×6.32×10-12×（S×N）■×（s×n）■×（V/I）■×t■（1）
其中：
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3 矿井瞬变电磁法物理模拟实验设计
在野外环境进行电磁法勘探，可通过物理模拟实验了解电磁响应特征。处于野外环境中的岩（矿）石的质地和性质会有很大的变化，研究者无法通过数字解析式来表示目的物的响应。研究者借助性能卓越的电子计算机使用了有限元、有限差分等近似数值解法，的确扩大了解析范围，但是不可否认还有一部分问题无法解决。此外，所得近似解因缺少一套严格的解析解进行对比，研究者不得不对所得近似解进行物力模拟[4，5]来检验其近似程度和准确性。
物理模型及线圈参数设计。水平层状矿井是比较典型的研究案例。处于顶板与底板之间的煤层就相当于高电阻率介质。掘进巷道设在煤层之中（详见图2）。采煤工作面掘进巷道断面通常高2～4m，宽约3～5m。探测者此次针对综掘面顶（底）板处高发型水害的瞬变电磁响应特征进行物理模拟。因此，假设顶底板和煤层的电阻率相同，即巷道处于均匀全空间介质中。
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图2 矿井地质模型示意图
进行模拟实验时，用铜棒对柱状低阻异常情况（如含水陷落柱、直立导水通道等）进行模拟；用紫铜板对片状低阻异常情况（如富水裂隙、断层等）进行模拟；用以模拟围岩介质的黄沙必须是含不同盐水成分的黄沙。在实验中，应基于线圈发射功率及相似性原则选择适合物理模拟实验的线圈组合。绕制接收线圈的漆包线直径0.1mm；绕制发射线圈的漆包线直径0.15mm，用等边矩形塑料框架作回线支架，并且采用重叠回线式线圈组合装置进行物理模拟。表1给出了具体参数。
4 纵向多个异常响应模拟实验
纵向多个异常响应模拟实验是针对井下瞬变电磁法沿探测深度方向存在的多个低阻体影响或浅层存在的低阻屏蔽影响情形下的异常响应特征开展模拟试验。两铜棒沿探测深度方向呈不同距离分布时的响应特征模拟实验规划详见图3。在图中，铜棒1与测线相距10cm（即d=10cm）。铜棒2到铜棒1之间的距离r设定为四种情形，即r=0、r=5、r=10、r=20，使两铜棒在同一条垂直于测线的直线上同侧移动，并且两铜棒也和回线同处于一平面上。探测方向存在浅层低阻屏蔽的异常响应特征模拟实验见图4。图中，铜棒1紧邻铜板靠在其后，铜板到测线的水平距离d为5cm，铜板与铜棒之间的连线垂直于测线。图5所示感应电位多测道剖面图与图3的实验对应，图6所示感应电位多测道剖面图与图4实验对应。通过算术坐标显示横轴来表示测点，测点之间相距5cm；通过对数坐标显示纵轴来表示感应电位（即感应电动势与感应电流的比值），单位uV。
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图3 双铜棒在探测深度方向上的响应特征模拟实验设计示意图
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图 4 探测方向存在低阻屏蔽的异常响应特征模拟实验设计示意图
由图5得知，所有感应电位剖面曲线均为“拱形”，各曲线的变化情况以及感应电位幅值极为相似，由此可推断，其瞬变电磁响应基本一致。其中，图（a）为铜棒1所对应的感应电位曲线，感应电位极大值大值为3.0×103uV；相较于图（a）来说，图（b）所示铜棒1与铜棒2共同呈现的曲线变化情况，除了电位最大值有增大的趋势以外，其他部分变化不明显。而且图（c）、（d）、（e）、（f）的曲线变化趋势也基本类似于图（b）。也就是说，最终的响应结果与铜棒2之间不存在必然的联系。由此初步判定，探测装置在铜棒1所产生的低阻屏蔽效应的影响下无法对铜棒2的感应场作出明显的响应。
基于上述结论对图6进行分析。其中，（a）不放铜棒时感应点位曲线所呈现的形态及变化情况基本类似于图（b）放铜棒时的情况，并且二者的感应电位极大值近似。这表明，浅层有铜板存在时，深层的铜棒基本不影响瞬变电磁响应。
基于瞬变电磁理论和电磁感应原理作进一步探索[7-10]：假设矿井瞬变电磁法探测进程中存在浅层存在低阻薄层或其他良导体影响探测方向及探测深度，探测天线所产生的一次电磁场从浅层低阻体穿过时，仅有少量一次电磁波能量透射或反射出去，余下的则以热损耗的形式衰减。一次透射电磁波从浅层低阻穿过时能量明显弱化，当其达到浅层低阻背后深层低阻体时所呈现的二次感应场也是相当弱的。由浅层低阻体产生的二次场源固然能激发深层低阻的二次感应，但在良导体之间反复振荡消失的这部分电磁波能量就无法穿越浅层低阻体返回接受天线，这是深层低阻体的响应特征无法通过感应电位剖面图得出观测结果的主要原因。
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5 结论
本文基于沿探测深度方向上的矿井瞬变电磁法在受多个低阻体影响或浅层存在低阻屏蔽影响时所呈现的异常响应特征实施了物理模拟实验，结论如下：
①实施矿井瞬变电磁探测的过程中，假设若干个物性参数基本一致的低阻体分布于深度的方向上，浅层低阻体屏蔽深部低阻体的瞬变电磁响应而使之被掩盖或被压制，则在感应电位多测道剖面图中会呈现单一低阻体的响应形态及规律。②实施矿井瞬变电磁探测的过程中，假设低阻薄层分布于围岩表层产生屏蔽效应，会弱化隐伏于低阻干扰体背后的目标异常响应，并可能使之不易分辨。
在这种情况下，要求探测人员对测深频率、天线组合类型进行调整，细致分析该区域的地质水文、钻探、物探等情况，或借助其他办法进行进一步验证，由此获得比较客观的地质结果，从而确保探测结果科学实用。
参考文献：
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作者简介：胡兵（1985-），男，江苏宿迁人，硕士研究生，江苏建筑职业技术学院，主要研究方向：矿产资源勘查研究工作和物探教学工作。
