礦井瞬變電磁法接收端單向屏蔽

王雷生， 程久龍， 徐忠忠

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院， 北京 100083； 2.天津市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站， 天津 300110)

礦井瞬變電磁法是一種非接觸式的時(shí)間域電磁勘探方法，在礦井隱蔽水體探測中得到廣泛的應(yīng)用[1-2]。然而礦井瞬變電磁法由于受到全空間效應(yīng)的影響，使得其有效信號(hào)容易受到來自非探測方向異常信號(hào)的干擾，進(jìn)而影響探測結(jié)果的準(zhǔn)確性[3-4]。

電磁屏蔽技術(shù)主要是通過線圈或者屏蔽罩等裝置，通過特殊的設(shè)計(jì)來抑制異常信號(hào)。席振銖等[5]研究了等值反磁通淺層瞬變電磁法，該方法采用兩個(gè)發(fā)射線圈作為發(fā)射源，通過發(fā)射線圈建立的零磁通平面實(shí)現(xiàn)接收線圈對(duì)一次場的信號(hào)的屏蔽，有效地減小了瞬變電磁探測中的盲區(qū)；魏生寶等[6]對(duì)傳統(tǒng)的點(diǎn)式工程探傷探頭進(jìn)行改進(jìn)，通過增加屏蔽裝置增強(qiáng)探頭的靈敏度以及抗干擾性能；汪凱斌[7]采用法拉第屏蔽方式對(duì)礦井瞬變電磁法感應(yīng)探頭進(jìn)行屏蔽處理，主要是阻斷線圈與放大電路之間電場耦合，以降低噪聲的影響。目前尚無從根本上解決瞬變電磁全空間效應(yīng)實(shí)現(xiàn)指向性探測的方法，因此如何從根本上解決礦井瞬變電磁全空間效應(yīng)問題對(duì)提高探測結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。現(xiàn)以電磁屏蔽理論為基礎(chǔ)，通過理論計(jì)算、數(shù)值仿真、物理模擬實(shí)驗(yàn)等方法，以期望確定屏蔽裝置材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，并且驗(yàn)證屏蔽裝置的單向電磁屏蔽效果，進(jìn)而為礦井瞬變電磁法井下接收端單向屏蔽技術(shù)的應(yīng)用提供重要的參考。

1 單向屏蔽裝置材料的選擇

磁場屏蔽根據(jù)所屏蔽磁場的頻率特點(diǎn)可以分為靜磁屏蔽、中高頻磁場屏蔽以及電磁波場屏蔽。

在靜磁狀態(tài)下屏蔽效能(shielding effect, SE)計(jì)算公式[8]為

(1)

中、高頻磁場屏蔽效能計(jì)算公式[9-10]為

(2)

電磁波場屏蔽效能計(jì)算公式為

(3)

根據(jù)磁場屏蔽效能公式以及常用的電磁屏蔽材料的相關(guān)參數(shù)(表1)可知，磁場的屏蔽效果是屏蔽體的形狀、材料、厚度等參數(shù)綜合作用的結(jié)果。

為了比較不同材料對(duì)于磁場屏蔽的效果，采用等效球體[11]進(jìn)行磁場屏蔽效果研究，根據(jù)屏蔽效能公式繪制屏蔽效能變化曲線如圖1～圖4所示。

如圖1所示，在靜磁條件下，銅沒有任何的屏蔽作用，1J78型坡莫合金有明顯的優(yōu)勢，可以作為靜磁及低頻磁場首選的屏蔽材料。

表1 常見材料的電導(dǎo)率以及磁導(dǎo)率Table 1 Conductivity and permeability of common materials

如圖2所示，在中、高磁場中，1J78型坡莫合金較其他金屬材料具有明顯的中、低頻磁場屏蔽的優(yōu)勢，且在高頻階段依然能有較好的效果。

圖3所示為不同材料對(duì)不同頻率電磁波場的屏蔽效能。從圖3可以看出電磁波場屏蔽起主導(dǎo)性作用的是吸收損耗和反射損耗。

圖1 不同材料靜磁屏蔽效能Fig.1 Magnetostatic shielding effectiveness of different materials

圖2 不同材料中、高頻磁場屏蔽效能Fig.2 The shielding effectiveness of medium and high-frequency magnetic fields of different materials

圖3 不同材料電磁波場屏蔽效能Fig.3 Electromagnetic wave field shielding effectiveness of different materials

圖4 不同材料電磁波場總屏蔽效能Fig.4 The total shielding effectiveness of electromagnetic wave fields of different materials

從圖4可以看出，電磁波場總屏蔽效能SE在電磁場20 kHz以下時(shí)，屏蔽效能關(guān)系為SECu>SEFe> SE1J78>SE1J45，此時(shí)主要由波阻抗差異產(chǎn)生的反射損耗R起決定性作用；總屏蔽效能SE在電磁場大于20 kHz時(shí)，總屏蔽效能關(guān)系為SE1J78>SEFe>SE1J45> SECu，此時(shí)銅的屏蔽效能變化不大，而高磁導(dǎo)性材料的屏蔽效能上升明顯且起決定性作用。

瞬變電磁二次磁場頻帶較寬，且總體上頻率相對(duì)較低，1J78型坡莫合金在低頻磁場屏蔽效能上具有明顯的優(yōu)勢，且在高頻磁場的屏蔽效能也相對(duì)較強(qiáng)，可以作為瞬變電磁二次磁場單向屏蔽材料。

2 單向屏蔽裝置結(jié)構(gòu)的確定

2.1 仿真模型的建立

為了便于定量分析屏蔽裝置的不同結(jié)構(gòu)對(duì)單向屏蔽效果的影響，通過建立井下全空間條件下屏蔽裝置的仿真模型，計(jì)算不同結(jié)構(gòu)屏蔽裝置最佳單向屏蔽效果時(shí)的相關(guān)參數(shù)，為屏蔽裝置的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。通過COMSOL Multiphysics內(nèi)嵌的三維建模工具，建立地電場模型，如圖5所示。地電模型第一層的電阻率設(shè)為100 Ω·m，層厚設(shè)置為170 m，第二層煤系地層，電阻率設(shè)為200 Ω·m，層厚設(shè)置為60 m，第三層電阻率設(shè)為500 Ω·m，層厚設(shè)置為170 m，每層長寬尺寸均為1 000 m×400 m；煤系地層距離底板30 m位置沿Z軸方向，設(shè)置500 m×5 m×5 m(長×高×寬)的巷道，巷道介質(zhì)設(shè)置為空氣。Z軸方向距發(fā)射線圈100 m位置，放置直徑20 m低阻球體異常體，電阻率為1 Ω·m。發(fā)射線圈半徑1 m，匝數(shù)為40，設(shè)置峰值電流5 A和關(guān)斷時(shí)間0.1 ms的階躍電流函數(shù)。通過在發(fā)射線圈中加載階躍電流的方式，模擬發(fā)射線圈中瞬變電磁場的建立過程；采用布設(shè)磁場探針的方式代替接收線圈讀取屏蔽罩內(nèi)外空間不同位置的二次場數(shù)據(jù)，通過定量分析屏蔽罩內(nèi)外不同位置的二次場信號(hào)強(qiáng)度來分析其單向屏蔽效果。

將創(chuàng)建好的屏蔽罩(圖6)放置在仿真模擬的瞬變電磁二次場中，在屏蔽罩中布置測線讀取屏蔽罩內(nèi)外磁場強(qiáng)度，如圖7所示。通過改變屏蔽罩的參數(shù)，分析其對(duì)于屏蔽效能的影響，進(jìn)而得到屏蔽罩實(shí)現(xiàn)單向屏蔽效果的相關(guān)參數(shù)，為之后物理實(shí)驗(yàn)材料的選擇以及屏蔽罩的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖5 全空間三層地電模型Fig.5 Three-layer geoelectric model in the whole space

圖6 錐體屏蔽罩模型Fig.6 Cone shield model

圖7 磁場探針測線布置模型Fig.7 Layout model of the magnetic field probe line

2.2 仿真計(jì)算方法

由于屏蔽罩為薄壁結(jié)構(gòu)，為了同時(shí)保證計(jì)算精度和提高計(jì)算效率，采用不均勻網(wǎng)格對(duì)礦井全空間三層地電模型進(jìn)行剖分；全空間正四面體剖分單元格尺寸為最大25 m、最小0.5 m，異常體及發(fā)射線圈尺寸為最大1 m、最小0.01 m。

場源加載及求解是通過添加COMSOL Multiphysics中AC/DC模塊中的磁場H實(shí)現(xiàn)的。首先將安培定律方程、磁絕緣邊界條件、磁矢勢初始值均設(shè)置為0；其次，設(shè)置瞬態(tài)研究時(shí)間步容和求解器配置，最后設(shè)置磁場Z分量對(duì)數(shù)坐標(biāo)方程lgH(Hz)、顏色范圍以及成圖質(zhì)量等。圖8為瞬變電磁場響應(yīng)數(shù)值仿真的流程圖。

圖8 瞬變電磁仿真流程圖Fig.8 Modeling flow chart of TEM

2.3 屏蔽裝置形狀

根據(jù)等效體積原則，建立不同形狀的屏蔽罩模型，參數(shù)見表2。屏蔽罩的材料為1J78型坡莫合金(電導(dǎo)率為1.47×106S/m，相對(duì)磁導(dǎo)率為8 000)。將建好的屏蔽罩模型放置于三維地電模型中。

根據(jù)模型中設(shè)置的測線，讀取的磁場Z分量強(qiáng)度，繪制出不同形狀屏蔽罩正、反向磁場Z分量沿測線分布曲線圖(其中正向波場為二次場從屏蔽罩開口向射入，反向波場為二次場從屏蔽罩頂端射入)，如圖9所示。

表2 屏蔽罩模型形狀參數(shù)Table 2 Shield model shape parameters

圖9 不同形狀屏蔽罩的磁場Z分量沿測線分布曲線Fig.9 The curve of the magnetic field Z component of different shapes of shields along the survey line

從圖9可以看出，屏蔽罩內(nèi)部磁場強(qiáng)度隨著距離屏蔽罩頂端的距離增大而增大；在測線0.15～0.16 m的范圍區(qū)域存在磁場Z分量曲線不連續(xù)性，是由于屏蔽罩金屬材料內(nèi)部磁場Z分量強(qiáng)度極低；測線在0.16～0.18 m范圍區(qū)域存在異常的磁場Z分量升高的現(xiàn)象，這是由于鐵磁性材料具有低磁阻性，使得磁場發(fā)生聚攏形成高磁場強(qiáng)度的區(qū)域。

要實(shí)現(xiàn)單向屏蔽，首先需要對(duì)正、反向波場的壓制具有較大差異性，其次能夠保證獲得足夠強(qiáng)度的正向信號(hào)。從圖9可知，對(duì)于正、反向波場的壓制差異而言，從大到小分別為帽形屏蔽罩、半球屏蔽罩、圓錐屏蔽罩、圓柱屏蔽罩，其中圓柱屏蔽罩對(duì)正向波場的壓制效果過強(qiáng)，有效信號(hào)強(qiáng)度不能得到保證，不利于實(shí)現(xiàn)單向屏蔽；除圓柱屏蔽罩，其他形狀均有一定的單向屏蔽效果?？紤]對(duì)正、反向波場的壓制差異性、正向波場信號(hào)強(qiáng)度、加工難度、成本等因素，最終確定采用錐體屏蔽罩作為單向屏蔽屏蔽罩的形狀。

2.4 屏蔽罩頂角角度及厚度

根據(jù)選定的錐體屏蔽罩，保持其他參數(shù)不變，通過改變屏蔽罩頂角角度分別為60°、90°、120°、150°，繪制出不同屏蔽罩頂角情況下磁場Z分量沿測線分布曲線圖，如圖10所示。

隨著屏蔽罩頂角的增大，正向波場信號(hào)值明顯增大，說明屏蔽罩頂角越大越能夠獲得足夠的有效正向信號(hào)；在屏蔽罩內(nèi)部區(qū)域(測線0～0.15 m)隨著屏蔽罩頂角的增大，正、反波場的磁場Z分量強(qiáng)度差異明顯增大，說明屏蔽罩對(duì)正反波場的壓制效果的差異增大，更有利于實(shí)現(xiàn)單向屏蔽；屏蔽罩60°頂角時(shí)屏蔽罩中心位置(測線0.075 m處)正向波場信號(hào)降為無屏蔽時(shí)信號(hào)的約1/7，且正、反向波場信號(hào)強(qiáng)度差異較小，較難實(shí)現(xiàn)單向屏蔽；屏蔽罩頂角90°～150°情況時(shí)，屏蔽罩中心位置(測線0.075 m處)正向波場信號(hào)值為在無屏蔽情況下信號(hào)值的一半以上，正向波場信號(hào)值為反向波場信號(hào)值的3倍以上且倍數(shù)關(guān)系相對(duì)穩(wěn)定，有利于實(shí)現(xiàn)單向屏蔽。

圖10 磁場Z分量沿測線分布曲線Fig.10 The curve of magnetic field Z component along the measuring line

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用相似比(300∶1)設(shè)計(jì)物理模型，通過物理模擬實(shí)驗(yàn)，來驗(yàn)證接收端單向屏蔽裝置的屏蔽效果。為了盡可能消除外界的電磁干擾，在戶外遠(yuǎn)離電磁場干擾地方進(jìn)行相似比縮放的等效物理模型實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中發(fā)射電流為0.62 A，發(fā)射線圈為20匝(直徑0.20 m)，接收線圈為300匝(直徑0.050 m)，異常體為金屬體(銅柱)，分別布設(shè)在探測方向和非探測方向，保持異常體距線圈0.20 m，分別獲取有、無屏蔽罩情況下兩個(gè)異常體的數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析單向屏蔽效果，實(shí)驗(yàn)布置方案如圖11示；屏蔽罩的材質(zhì)為1J78型坡莫合，厚度為0.000 2 m，頂角為90°，直徑0.30 m，高0.15 m。

分別采用無屏蔽罩線圈和有屏蔽罩線圈進(jìn)行探測，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制的視電阻率剖面如圖12所示。

從圖12(a)中可以看出，在測線0.15～0.30 m，距離0.20～0.25 m位置和在測線0.62～0.73 m，距離0.20～0.25 m位置，存在一個(gè)明顯的低阻異常體，與實(shí)際測線0.25 m處(非探測方向)和0.65 m處(探測方向)的金屬體位置吻合，表明瞬變電磁法無法進(jìn)行指向性探測；從圖12(b)中可以看出，在測線0.54～0.70 m，距離0.20～0.25 m位置，存在一個(gè)明顯的低阻異常體，與實(shí)際測線0.65 m處放置的金屬體位置吻合，而測線0.25 m處則不存在明顯的低阻異常體，說明屏蔽罩實(shí)現(xiàn)了對(duì)于非探測方向異常體的單向屏蔽；在測線0.18～0.50 m，距離0.20～0.25 m區(qū)域視電阻率值相對(duì)偏低，是因?yàn)閱蜗蚱帘窝b置無法實(shí)現(xiàn)對(duì)于反向異常信號(hào)完全屏蔽，在測線中部同時(shí)受到正、反向信號(hào)共同作用下形成相對(duì)低阻的區(qū)域。

圖11 實(shí)驗(yàn)方案示意圖Fig.11 Schematic diagram of the experimental scheme

圖12 接收端單向屏蔽物理模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.12 One-way shielding physical model experiment

該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真模擬設(shè)計(jì)的屏蔽裝置具有良好的接收端單向屏蔽效果，能夠?qū)崿F(xiàn)指向性探測。屏蔽罩設(shè)計(jì)方案對(duì)于礦井瞬變電磁法克服井下全空間效應(yīng)的影響是可行性的。

4 結(jié)論

通過理論分析、仿真模擬及物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，確定了礦井瞬變電磁法最佳單向屏蔽裝置的相關(guān)參數(shù)，驗(yàn)證了屏蔽裝置設(shè)計(jì)方案的接收端單向屏蔽效果。

通過電磁屏蔽仿真模擬可以得出：1J78型坡莫合金是理想的瞬變電磁法接收端單向屏蔽的材料；頂角角度90°以上的錐形屏蔽罩能較好地保證探測方向有效信號(hào)的同時(shí)，有效壓制非探測方向信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全空間電磁場的接收端單向屏蔽；在錐形屏蔽罩高度不變的情況下，錐形屏蔽罩頂角角度越大，單向屏蔽效果越好；經(jīng)過物理實(shí)驗(yàn)證實(shí)，文中設(shè)計(jì)屏蔽方案具有明顯的單向屏蔽效果。

本文中設(shè)計(jì)的屏蔽裝置初步實(shí)現(xiàn)了全空間條件下瞬變電磁法的指向性探測，證明了屏蔽罩設(shè)計(jì)方案是可行的，這為礦井瞬變電磁法實(shí)現(xiàn)指向性探測奠定了基礎(chǔ)。然而，在礦井中應(yīng)用時(shí)還涉及支護(hù)、掘進(jìn)系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等的干擾問題，因此該屏蔽方案仍可進(jìn)一步研究與完善。