非共面瞬变电磁隧道预报装置及其等效导电平面解释方法与流程

1.本发明属于隧道超前地质预报电磁类勘领域，特别涉及一种非共面瞬变电磁隧道预报装置及其等效导电平面解释方法。


背景技术：

2.隧道建设过程会面临突水、突泥、涌沙、暗河等复杂含水地质构造，极大威胁隧道施工安全。瞬变电磁法作为一种有效的地球物理勘探工具，在低电阻异常探测方面取得了显著的研究成果。经过多年的发展与应用，瞬变电磁在隧道超前地质预报方面也得到了广泛应用，特别是在探测掌子面前方含水构造方面。目前隧道瞬变电磁超前预报主要采用共面装置，在掌子面上进行发射与接收，探测不同形态的含水构造。共面装置探测需要贴近掌子面，对于施工人员存在安全隐患；此外，共面装置存在较高收发线圈存在互感效应，影响探测效果。
3.到目前为止，隧道瞬变电磁主要采用共面装置的视电阻率定义解释方法进行数据解释，经历了由地面半空间视电阻率技术到瞬变电磁全空间视电阻率定义。而对于互感影响的则主要采用矫正系数法，不仅需要确定矫正系数，而且并未避免互感影响。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种非共面瞬变电磁隧道预报装置及其等效导电平面解释方法，预报装置采用分离线圈进行单分量或者三分量的数据采集；解释方法将发射线圈等效为多个电偶极子的叠加，对每个电偶极子采用等效导电平面法计算近似电磁响应，根据叠加原理或者整个发射线圈的近似正演，从而实现瞬变电磁非共面装置等效导电平面解释，可以有效避免发射线圈与接收线圈之间的互感影响，能够使数据采集人员离开掌子面提高施工安全性。
5.本发明采用的技术方案是：一种非共面瞬变电磁隧道预报装置，包括
6.发射线圈和接收线圈，所述发射线圈和接收线圈中的一个放置于掌子面上，另一个放置于掌子面前方。
7.发射线圈和接收线圈的间距为发射线圈边长2倍以内。
8.本发明采用的技术方案还是：上述非共面瞬变电磁隧道预报装置测量数据的等效导电平面解释方法，
9.将发射回线等效为多个电偶极子的叠加，将全空间等效为无限长导电平面，根据镜像原理计算电偶极子产生的电磁场，最后根据叠加原理计算整体回线源响应。
10.具体的，将磁性源剖分成m个电性源，则在空间某点处瞬变电磁场的近似计算公式为
11.12.其中，hz表示垂直磁场分量，t为时间，单位为秒；i为回线内电流强度，h为线圈到等效平面的距离，x、y、z为空间坐标，π＝3.14，μ0为真空中磁导率常数；
13.令
[0014][0015]
则
[0016][0017]
对于水平层状介质，引入等效导电平面的深度h
效
：
[0018][0019]
其中σ(z)是介质电导率，h是研究深度，s是研究深度以上介质的总纵向电导，g是确定上、下地层的相对权参数；
[0020]
对于变化的研究深度h，将(4)式的hz作为h的函数，得
[0021][0022]
其中
[0023][0024]
利用(6)式逐渐增加h，对每一h值计算过渡曲线得一组hz(h)曲线，得到这组曲线的包络线方程为
[0025][0026]
解方程(7)式可得
[0027][0028]
其中
[0029][0030]
即为对应于某研究深度h的等效导电平面深度，故
[0031][0032]
根据最优化原理，当g＝4.25，c＝1.4时等效导电平面算法得到的瞬变响应与滤波
解在双对数坐标下的线性程度最高，这时对应近似磁场强度计算公式为：
[0033][0034]
当采集数据为电压时，根据公式(11)，可得磁感应强度时间导数的计算公式为：
[0035][0036]
由公式(12)可以计算等效导电平面纵向电导s值，从而计算地下介质电阻率。
[0037]
进一步的，根据公式(11)可知，研究深度表达式为：
[0038][0039]
由公式(13)可推出研究深度公式关系式为：
[0040][0041]
其中，n表示n层介质，σi和hi表示第i层介质的电导率和厚度，根据上式可得每一层介质地层的电导率；
[0042]
根据纵向电导以及研究深度公式关系式可以计算地下介质的电导率：
[0043][0044]
求得s
τ
(t)和h
τ
(t)后，对视纵向电导数据关于深度进行一次和二次微分，得到视纵向电导微分成像数据。
[0045]
视纵向电导的二次微分对地电模型的界面有很好的识别能力，曲线起跳的方向反映了相邻界面的电阻率变化趋势；振幅则反映了相邻界面电阻率差异的大小。
[0046]
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：
[0047]
1、本发明关于隧道瞬变电磁装置的改进可以有效避免线圈之间的互感，可以通过增加电流强度来提高发射磁矩进而提升探测深度。
[0048]
2、本发明关于电阻率参数的计算不仅满足隧道全空间形态，而且更为简单。
[0049]
3、本发明基于等效导电平面不仅可以给出介质的电性分布，还能近似给出异常体的几何边界，为隧道瞬变电磁超前预报提供了更直观、准确的解释方法。
附图说明
[0050]
图1为本发明设计的倾斜断层模型的立体示意图；
[0051]
图2为本发明设计的倾斜断层模型的剖面示意图；
[0052]
图3为本发明的磁性源电偶极子等效示意图；
[0053]
图4为本发明的隧道等效导电平面示意图；
[0054]
图5为本发明的倾斜断层模型非共面装置瞬变电磁电阻率深度解释示意图；
[0055]
图6为本发明的倾斜断层模型非共面装置瞬变电磁微分电导解释示意图。
[0056]
图中，1-发射线圈，2-接收线圈，3-掌子面。
具体实施方式
[0057]
为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。
[0058]
模型设计：如图1-2所示，设计一隧道掌子面前方倾斜断层模型，断层倾斜15
°
，界面中心点位于掌子面前方20m处，第一层电阻率为200ω
·
m，第二层电阻率为2000ω
·
m。
[0059]
本发明的实施例提供了一种非共面瞬变电磁隧道预报装置，如图1所示，其包括发射线圈和接收线圈，所述发射线圈放置于掌子面上，发射边长3m；接收线圈放置于掌子面前方，距离掌子面5m处。
[0060]
本发明的实施例还提供了一种上述非共面瞬变电磁隧道预报装置测量数据的等效导电平面解释方法，
[0061]
将发射回线等效为多个电偶极子的叠加，将全空间等效为无限长导电平面，根据镜像原理计算电偶极子产生的电磁场，最后根据叠加原理计算整体回线源响应。
[0062]
如图3(a)中所示，将发射回线等效为多个电偶极子的组合；如图3(a)可知单个偶极子在测点处的场已知，则发射回线在任意点处的场可等效为多个电偶极子的叠加。如图4中所示，将隧道介质用一无限大导电平面代替，采用镜像原理可计算任意偶极子产生的场，图中a1b
1-a
ibi
表示源，a1’
b1’‑ai’b
i’表示镜像场。
[0063]
具体的，将磁性源剖分成m个电性源，则在空间某点处瞬变电磁场的近似计算公式为
[0064][0065]
其中，hz表示垂直磁场分量，t为时间，单位为秒；i为回线内电流强度，h为线圈到等效平面的距离，x、y、z为空间坐标，π＝3.14，μ0为真空中磁导率常数；
[0066]
令
[0067][0068]
则
[0069]
[0070]
对于水平层状介质，引入等效导电平面的深度h
效
：
[0071][0072]
其中σ(z)是介质电导率，h是研究深度，s是研究深度以上介质的总纵向电导，g是确定上、下地层的相对权参数；
[0073]
对于变化的研究深度h，将(4)式的hz作为h的函数，得
[0074][0075]
其中
[0076][0077]
利用(6)式逐渐增加h，对每一h值计算过渡曲线得一组hz(h)曲线，得到这组曲线的包络线方程为
[0078][0079]
解方程(7)式可得
[0080][0081]
其中
[0082][0083]
即为对应于某研究深度h的等效导电平面深度，故
[0084][0085]
根据均匀半空间解析解与等效导电平面解进行拟合优化出系数c与g，当g＝4.25，c＝1.4时等效导电平面算法得到的瞬变响应与滤波解在双对数坐标下的线性程度最高，这时对应近似磁场强度计算公式为：
[0086]
[0087]
当采集数据为电压时，根据公式(11)，可得磁感应强度时间导数的计算公式为：
[0088][0089]
由公式(12)可以计算等效导电平面纵向电导s值，从而计算地下介质电阻率。
[0090]
根据公式(11)可知，研究深度表达式为：
[0091][0092]
由公式(13)可推出研究深度公式关系式为：
[0093][0094]
其中，n表示n层介质，σi和hi表示第i层介质的电导率和厚度，根据上式可得每一层介质地层的电导率；
[0095]
根据纵向电导以及研究深度公式关系式可以计算地下介质的电导率：
[0096][0097]
求得s
τ
(t)和h
τ
(t)后，对视纵向电导数据关于深度进行一次和二次微分，得到视纵向电导微分成像数据。视纵向电导的二次微分对地电模型的界面有很好的识别能力，曲线起跳的方向反映了相邻界面的电阻率变化趋势；振幅则反映了相邻界面电阻率差异的大小。本解释方法的最终结果如图5和6所示，从图5可以看出介质电阻率的变换，从图6可以确定倾斜断层的倾向和深度位置，结果与模型设计相吻合。
[0098]
以上通过实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的示例性实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。本发明的保护范围由权利要求书限定。凡利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，在本发明的实质和保护范围内，设计出类似的技术方案而达到上述技术效果的，或者对申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖保护范围之内。