2024-04-18
（1）针对钻孔瞬变电磁法识别异常体方位能力弱、径向探测距离小和探测精度不高等问题，提出一种钻孔瞬变电磁方位线圈扫描探测定位方法。通过理论与数值模拟证明了方位线圈扫描探测对孔壁外围低阻异常体具有较高的分辨率及定位精度。（2）构建钻孔全空间三维地质-地球物理模型，推导了方位线圈的互感解析表达式，探讨了方位角对方位线圈互感影响，通过钻孔瞬变电磁法方位线圈扫描探测数值实验，分析了方位线圈的瞬变电磁法扫描探测多分量响应特征，揭示了方位线圈扫描探测瞬变电磁场响应规律。（3）依据钻孔轴向和径向的瞬变电磁场响应特征，提出了钻孔瞬变电磁法方位线圈扫描探测定位方法的参数优化组合，结合钻孔外围不同位置含两个低阻异常体的三维地质-地球物理模型的数值模拟，验证了该组合参数能有效地判别低阻异常体的方位。作者：程久龙1 ， 姜成麟1, 2 ， 李 垚1 ， 白仁喜3单位：1. 中国矿业大学 (北京) 地球科学与测绘工程学院; 2. 中国石油集团测井有限公司地质研究院; 3. 国家能源集团陕西神延煤炭公司
我国煤矿水文地质条件复杂，矿井水害已经成为煤矿的主要灾害类型之一。目前，根据含水地质体与围岩间的物性差异，可用地球物理方法进行含水体定位，用钻探进行验证。地球物理探测方法种类繁多，每种方法都各有优劣，如地震勘探对煤层赋存和地质构造的探测具有很好的效果，但对含水体的探测效果较差；矿井瞬变电磁法具有对含水地质体反应敏感、超前探测距离较大和探测方向指向性较好等优点，但仍存在受关断时间等因素影响存在探测盲区、易受巷道金属体干扰影响以及具有体积效应等不足，探查精度和分辨率不能满足当前煤矿水害防治要求。钻探的优点是探查结果直观且准确，缺点是施工周期长、工作效率低和仅能探查钻孔所在位置地质情况等。如何利用钻孔将发射和接收装置或接收装置置于钻孔中进行孔中瞬变电磁法探测，可以克服常规矿井瞬变电磁法的不足，是当前的研究热点。目前，在孔中观测瞬变电磁响应特征的工作方式可分为地−孔瞬变电磁法、隧(巷)−孔瞬变电磁法、钻孔瞬变电磁法和瞬变电磁测井。地−孔瞬变电磁法是发射线圈在地面、接收线圈置于钻孔中的探测方法，近几年来，利用地−孔瞬变电磁法进行钻孔外围含水体及导水通道探测在多座煤矿中得到应用，取得了较好的地质效果。王鹏等采用正演方法分析了含水地质异常体的响应特征及异常体电导率、规模和相对钻孔距离变化等因素对异常场响应规律的影响，并采用最小二乘约束反演算法，通过反演拟合异常场实现异常体的空间定位。姚伟华等采用时域有限差分法研究了地−孔瞬变电磁三分量的总场和异常场响应特征，利用物理试验验证了异常场三分量组合形态的不同可以判断异常体在钻孔的深度和方位。隧(巷)−孔瞬变电磁法是把地−孔瞬变电磁法的装置用于隧道或巷道中，其发射线圈在隧道或巷道，而接收线圈置于钻孔中，该方法在复杂地质条件下探查钻孔外围灾害地质体方面潜力较大。范涛提出了巷道内动源发射，钻孔中三分量定向接收的方法，通过时域有限差分三维数值模拟证明了该方法对采空区探测具有实用性与有效性。孙怀凤等提出了巷道内不动源发射，钻孔内动接收的探测方法，采用物理模拟的方法证明了该方法探测工作面前方含水构造的实用性和有效性。陈丁等建立煤层底板存在含水低阻地质异常体模型，采用积分方程法进行数值模拟，分析了矿井全空间3D巷−孔瞬变电磁场响应特征。钻孔瞬变电磁法(Borehole Transient Electromagnetic Method，BTEM)是将发射线圈和接收线圈同时置于钻孔内进行孔壁外围岩层的探测方法，该方法可以用于井下超前探水钻孔中，因探测装置距离钻孔外围目标体更近，可以接收到更强的地质异常体响应信号，同时远离巷道，有效地减弱了巷道内金属体等干扰，因而具有很好的发展潜力。钻孔瞬变电磁法研究起步较晚，研究基础较为薄弱。WANG Bo等提出了一种双发射六接收的钻孔瞬变电磁法，通过物理模拟证明了其在异常径向方位具有较好的分辨率，不同测点感应电压的差异可以定性地评价异常的径向深度。范涛提出了一种在井下煤层压裂孔内探测的动源动接收的钻孔瞬变电磁三分量探测方法，采用物理模拟的方法确定了最理想的单孔瞬变电磁探测装置，实现了对煤层气压裂效果的检测和评价。笔者提出了利用瞬变电磁法偶极装置进行钻孔径向扫描探测的方法，在钻孔径向断面图上可以高分辨显示异常体的形态和空间位置。辛成涛等采用物理模拟的方法，利用屏蔽装置压制钻孔径向扫描探测中非探测方向的信号干扰，实现了对钻孔孔壁外围地质异常体的定位。与钻孔瞬变电磁法相近的方法是瞬变电磁测井。瞬变电磁测井中的方位电磁波测井在轴向线圈的基础上增加了径向和倾斜线圈，具有方位分辨能力，但探测范围仅限于井壁周围的小范围地层，孔中径向探测深度一般较浅。钻孔瞬变电磁法受钻孔空间限制，超小线圈装置的瞬变电磁场强度较弱，线圈互感较强，且常规钻孔瞬变电磁法无法准确地确定地质异常体的径向方位。采用屏蔽装置的钻孔瞬变电磁法可以确定地质异常体的径向方位，但缺点是增加了仪器的总体积，且不可避免地削弱了有效信号。因此，需要从减小互感和方位定位入手，探究一种简便高效的钻孔瞬变电磁法探测新方法。借鉴钻孔瞬变电磁法和方位电磁波测井相关理论和方法，笔者提出钻孔瞬变电磁法方位线圈扫描探测定位方法，即利用钻孔瞬变电磁法方位线圈对钻孔孔壁进行360°扫描，形成钻孔径向方向全方位探测，从而提高对地质异常体定位精度。利用掘进巷道超前探水钻孔进行钻孔瞬变电磁法探测钻孔孔壁外围远距离含水体，避免了常规测井方法仅能探测钻孔孔壁岩层的“一孔之见”。目前钻孔瞬变电磁法受全空间效应的影响，接收到的单分量响应不能判别异常体方位；多分量响应可以近似判断异常体的大致方位，但难以通过成像等直观有效的方法对其进行精确定位。基于钻孔瞬变电磁法和方位电磁波测井相关理论，提出了钻孔瞬变电磁法方位线圈扫描探测定位方法，采用方位线圈作为探测装置，减小线圈互感，增强钻孔瞬变电磁法的探测效果。同时，通过改变线圈旋转角，对钻孔孔壁进行360°扫描，形成钻孔径向全方位探测，旨在对钻孔孔壁外围岩体中的低阻体进行精确定位。首先推导方位线圈的互感解析表达式，探讨方位角对方位线圈互感的影响，通过数值计算确定最佳方位角取值。分别建立均匀介质和含低阻异常体的钻孔全空间三维地质−地球物理模型进行瞬变电磁场数值模拟，分析方位线圈的瞬变电磁法扫描探测多分量响应特征，总结方位线圈扫描探测瞬变电磁响应规律，确定了钻孔瞬变电磁法方位线圈扫描探测定位方法，即通过钻孔轴向和径向的瞬变电磁响应特征判别钻孔孔壁外围岩体中低阻异常体的位置。最后建立含2个低阻体的地质−地球物理模型，采用最佳方位角的方位线圈进行数值实验，验证了该方法能有效地判别低阻异常体的方位。研究表明：钻孔瞬变电磁法方位线圈扫描探测结果可以较好地反映钻孔径向外围岩体中低阻异常体引起的瞬变电磁场异常，全空间视电阻率成像结果分辨率较高。依据钻孔轴向和径向的瞬变电磁响应特征，钻孔瞬变电磁法方位线圈扫描探测定位方法对钻孔孔壁外围岩体中的低阻异常体具有较高的分辨率及定位精度。研究结果可以为钻孔瞬变电磁法方位线圈扫描探测定位方法的实际应用提供理论依据。
图 1 钻孔瞬变电磁法方位线圈扫描探测装置示意
图2 单匝圆形线圈互感计算示意
图 3 不同线圈方位角对应的线圈互感
图 4 均匀介质钻孔瞬变电磁法三维地质−地球物理模型
图 5 多分量多测道曲线
图 6 含低阻异常体钻孔瞬变电磁法三维地质−地球物理模型
图 7 不同轴向多测点探测结果
图 8 径向扫描探测结果 (X=40 m)
图 9 径向扫描探测结果 (X=50 m)
图 10 径向扫描探测结果 (X=60 m)
图 11 模型剖面及参数
图 12 轴向多测点探测结果 ( θ = 0 ◦ )
图 13 扫描探测径向视电阻率断面图与异常体位置
图 14 视电阻率断面
程久龙，男，1965年1月生，安徽怀宁人，教授，博士生导师。新世纪百千万人才工程国家级人选，全国优秀百篇博士论文获得者，享受国务院政府特殊津贴。兼任中国地球物理学会矿山地球物理专业委员会副主任、环境地球物理专业委员会副主任。获国家科技进步奖1项和省部级科技奖励20余项，发表学术论文200余篇。
研究方向
地球探测与信息技术（地震勘探、电法勘探）；矿山地球物理、工程环境地球物理、城市地球物理
主要成果
致力于应用地球物理与信息技术、工程环境地球物理、矿井水害防治等方面的教学和科研工作，先后负责和主要承担了国家自然科学基金重点项目等国家级项目（课题）10余项以及企事业委托项目60余项。在矿井地球物理探测、导水通道精细探测、矿山采动裂隙岩体监测的理论与技术方面取得多项创新性成果，初步形成了矿井瞬变电磁法和随掘地震探测以及导水通道精细探测的技术体系，为煤矿安全高效生产提供了有力的地质保障。
来源：
程久龙，姜成麟，李垚，等. 钻孔瞬变电磁法方位线圈扫描探测定位方法[J]. 煤炭学报，2024，49(1):616−627.
责任编辑：宫在芹
