CN102788998B - 全空间瞬变电磁法物理模型实验用的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全空间瞬变电磁法物理模型实验用的测量装置，它包括巷道及测量支架，其特征在于所述巷道由至少三块巷道形板1和两块堵头端板3组成连接位置密封的棱柱结构，测量支架6由测量薄板4和三个或三个以上尼龙螺丝5组成，尼龙螺丝5之间按同一缠绕方向缠绕测量导线7，测量支架6与巷道的一个面平行滑动连接，测量支架6两端与测拉绳8连接，测拉绳8由两块堵头端板3上的引出孔引出，测量导线7由两块堵头端板3上的某一引出孔引出。本发明测量支架和巷道装置简单，调整方便，可以进行拆卸，装置均由非导电性材料构成，因而不会对测量信号产生干扰。本发明能达到科学研究和专业教学中物理模型实验的目的、要求。

Description

全空间瞬变电磁法物理模型实验用的测量装置

技术领域

本发明属于地球物理勘探技术领域，涉及地下瞬变电磁法物理模型实验中的地下瞬变电磁法物理模型实验用的测量装置。 

背景技术

地下瞬变电磁法主要用于煤矿巷道岩层内部潜在威胁的采空积水区和含导水构造预测预报，及工程隧道和防空工程中地质灾害预测等。施工装置位于地下巷道内部使得瞬变电磁场的分布变化特征既不同于地表板空间，也不同于无巷道的均匀全空间，因此含巷道瞬变电磁理论与技术研究一直成为该领域的焦点，基于相似准则的物理模型实验研究是最为重要的研究手段之一，也是专业课程实验教学的必备环节。 

目前实验中最常采用的实验方案为：用绝缘胶带将四片有机玻璃缠绕在一起，由此构成巷道空间；两片正方形玻璃中间夹一个小正方形玻璃，固定后形成支架装置，并用漆包线围绕玻璃片缠绕，形成多匝小回线装置。试验时在野外空旷地带挖掘坑槽，将已制作的巷道装置和回线装置放入其中，并用土壤掩埋。由此，实验模型便建立起来。在用与该方案类似的装置进行实验时，存在如下四个问题： 

（1）支架装置固定在巷道装置内的特定位置，不能实现连续测量，而在模型实验中单点资料可信性不高，需要在同一地质环境下的资料集合。

（2）测量装置进行移动时需要剖开土层，手动将支架装置移动，这样便破坏了实验环境，获取的多测点资料失去可比性。 

（3）巷道装置两头没有密闭堵头，实验中会有土块涌入，如此便会改变实验环境，使巷道空腔环境发生变化，不利于研究和分析巷道空间对电磁信号的影响。 

（4）测量导线电阻率恒定，导致发射电流不能改变，无法调整磁矩，进而无法开展不同发射电流和发射磁矩条件下瞬变电磁法探测深度及信噪比研究。 

发明内容

本发明提供一种能满足科学研究和专业教学需要的全空间瞬变电磁法物理模型实验用的测量装置，能解决上述实验中的四个主要问题。同时，本发明作为一个独立的整体，可应用于更为复杂的层状全空间介质内的物理模型实验。 

    本发明所采用的技术方案： 

   时间域瞬变电磁法物理模型实验相似准则及附加条件为

和

式中，σ、μ、ε、ω和分别为电导率、导磁率、介电常数、圆频率和采样时间，为所有线型尺度，脚标表示被模拟的野外系统。

   在相似准则下对含巷道全空间瞬变电磁法物理模型实验装置进行设计如下。 

它包括巷道及测量支架，所述巷道由至少三块巷道形板和两块堵头端板组成连接位置密封的棱柱结构，测量支架由测量薄板和三个或三个以上尼龙螺丝组成，尼龙螺丝之间按同一缠绕方向缠绕测量导线，测量支架与巷道的一个面平行滑动连接，测量支架两端与测拉绳连接，测拉绳由两块堵头端板上的引出孔引出，测量导线由两块堵头端板上的某一引出孔引出，测量导线与一个实验用滑动变阻器连接。 

优选：所述巷道由四块巷道形板和两块正方形堵头端板组成连接位置密封的正四棱柱结构。 

巷道底部的巷道形板的两侧分别连接一根长管，长管上设有滑行槽口，两个滑行槽口相对，两个滑行槽口的上槽口侧边或下槽口侧边分别在同一平面上，该平面与巷道底部的巷道形板平行。 

进一步优选：测量薄板的两端插入滑行槽口与滑行槽口滑动连接。 

或测量薄板的两端各与一薄板连接，两端的薄板插入滑行槽口与滑行槽口滑动连接。 

或测量薄板的两端分别通过两个滑轮支杆与两个滑轮连接，滑轮与测量薄板垂直，滑轮支杆通过滑行槽口插入长管内，滑轮与长管的管壁或管壁上设有的滑轮槽滑动连接。 

测量薄板上设有四个连接孔，四个连接孔组成正方形，在测量薄板的同一侧面上，四个尼龙螺丝分别与四个连接孔连接，测量导线缠绕在同一侧面的尼龙螺丝上，缠绕测量导线的这一侧面朝向巷道中间位置。 

测量薄板沿巷道轴向两端设有拉绳孔，两端的拉绳孔分别与两根测拉绳连接。 

本发明符合物理模拟相似准则下的技术要求，并能完成物理模型实验的以下几个任务：（1）建立稳定的巷道模型空间和含发射-接收线圈的支架装置。（2）完成多个测点的连续测量，且不会造成模型环境变化。（3）可根据要求实现不同点距的顶、底板和侧帮测量。（4）通过变阻器调整发射电流以改变发射磁矩，可开展不同发射磁矩下瞬变电磁法探测深度与信噪比研究。（5）所有材料为非导电性材料，避免造成额外的感应电磁信号，进而对实际测量信号产生干扰。本发明测量支架和巷道装置简单，调整方便，可以进行拆卸，装置均由非导电性材料构成，因而不会对测量信号产生干扰。本发明能达到科学研究和专业教学中物理模型实验的目的、要求。 

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。 

图2是本发明实施例1的测量支架局部结构示意图。 

图3是本发明实施例1的侧视结构示意图。 

图4是本发明实施例1的滑轮结构局部示意图。 

图5是本发明实施例1巷道形板的结构示意图。 

图6是本发明实施例1长管的结构示意图。 

图7是本发明实施例1带滑轮槽的长管的横截面结构示意图。 

图8是本发明实施例1堵头端板的结构示意图。 

   图9是本发明实施例1测量薄板的结构示意图。 

图10是本发明实施例1测量薄板侧视连接结构示意图。 

图11是本发明实施例1滑动变阻器结构示意图。 

图中：巷道形板1，长管2，堵头端板3，测量薄板4，尼龙螺丝5，测量装置6，测量导线7，测拉绳8，滑动变阻器9。 

具体实施方式

实施例1：结合附图对实施例做进一步说明： 

它包括巷道及测量支架，所述巷道由四块巷道形板1和两块正方形堵头端板3组成连接位置密封的正四棱柱结构，测量支架6由测量薄板4和三个或三个以上尼龙螺丝5组成，尼龙螺丝5之间按同一缠绕方向缠绕测量导线7，测量支架6与巷道的一个面平行滑动连接，测量支架6两端与测拉绳8连接，测拉绳8由两块堵头端板3上的引出孔引出，测量导线7由两块堵头端板3上的某一引出孔引出，将引出的测量导线7与变阻器9相连接。

巷道底部的巷道形板1的两侧分别连接一根长管2，长管2上设有滑行槽口，两个滑行槽口相对，两个滑行槽口的上槽口侧边或下槽口侧边分别在同一平面上，该平面与巷道底部的巷道形板1平行。 

平行滑动的方式有如下： 

1、测量薄板4的两端插入滑行槽口与滑行槽口滑动连接；

2、测量薄板4的两端各与一薄板连接，两端的薄板插入滑行槽口与滑行槽口滑动连接；

3、测量薄板4的两端分别通过两个滑轮支杆与两个滑轮连接，滑轮与测量薄板4垂直，滑轮支杆通过滑行槽口插入长管2内，滑轮与长管2的管壁滑动连接，或管壁上设有的滑轮槽，滑轮与滑轮槽滑动连接。

测量薄板4上设有四个连接孔，四个连接孔组成正方形，在测量薄板4的同一侧面上，四个尼龙螺丝5分别与四个连接孔连接，测量导线7缠绕在同一侧面的四个尼龙螺丝5上，缠绕方向为顺时针或逆时针，缠绕测量导线7的这一侧面朝向巷道中间位置。 

测量薄板4沿巷道轴向两端设有拉绳孔，两端的拉绳孔分别与两根测拉绳8连接。 

制作时如各图中所示，四根1米长，0.15米宽的硬质聚氯乙烯条巷道形板1组成巷道的顶、底板和两侧帮，巷道两头由两块0.15×0.15平方米的正方形板作为堵头端板3，这样便形成了巷道相对封闭空腔，同时避免实验中泥沙等材料进入巷道。两块正方形堵头端板3的边缘处各开一个孔，该孔内由测拉绳8和测量导线7穿过，穿出的测量导线7与滑动变阻器9连接。两根1米长采用聚氯乙烯材料的长管2两端各开一个孔，在该孔处由尼龙螺丝5将两根长管2固定在巷道形板1相邻边缝处，在开孔处的另一侧将两根长管2各划开一个滑行槽口或在长管2内设置滑轮槽，以便设计的测量支架能在其内自由滑行。 

在0.13×0.13平方米的正方形硬质的测量薄板4的四个角附近钻孔，四个孔的边缘连线构成一个0.1×0.1平方米的正方形。将四根长尼龙螺丝5固定于四个孔，凸出部分作为绕线柱，以四个绕线柱为支点，将测量导线7环绕在绕线柱上，形成边长0.1米的多匝小回线测量支架。在测量薄板4左右两侧边处各钻一个小孔，两孔上可栓上测拉绳8，实验中拉动测拉绳8，便可以使测量支架在巷道内移动，且可通过计算测拉绳8拉出的长度来确定测量支架在巷道内的位置。为了使测量支架沿巷道走向平行滑动而不发生偏转，将测量薄板4的顶部和底部两端插入巷道内的长管2内的滑行槽口；或测量薄板4的顶部和底部边沿处各焊接一个0.13米条形薄板，再将两薄板分别卡入巷道内的长管2内的滑行槽口；或测量薄板4的两端分别通过两个滑轮支杆与两个滑轮连接，滑轮与长管2的管壁滑动连接，或管壁上设有的滑轮槽，滑轮与滑轮槽滑动连接。如此便起到固定测量支架和自由滑行的作用。 

测量导线可绕制多匝，但对于一个24伏的常规供电电源，测量导线的总电阻不应小于4欧姆，这是因为多数实验用仪器的保护电流最大10安培，但输出电流超过8安培时采集的资料会产生扰动。因此，合适的实验用导线可采用直径为0.1mm或0.15mm的漆包线，由计算可知，在上述的条件下其电阻在4欧姆到15欧姆之间，符合实验要求。 

材料优选为：所有管、板等材料均选用聚氯乙烯材料，固定螺丝选用尼龙螺丝，达到避免干扰的目的。 

本发明的连接与操作流程说明如下： 

（1）将测量薄板4的四根尼龙螺丝5插入孔中固定好，按逆时针方向将测量导线7绕在尼龙螺丝5上组成测量支架6，将测拉绳8栓在测量薄板4的左右两个孔处。

（2）将测量支架6置于巷道最左端，拉直测拉绳8，并在与巷道右端齐平处做上标记。 

（3）用短尼龙螺丝将两根长管2分别固定于作为底板的巷道形板1两侧上，将测量支架4两端穿入长管2内的滑行槽口。 

（4）将另外几块巷道形板1固定好，并将测拉绳8和测量导线7分别穿过巷道两堵头端板3的圆孔，将堵头端板3固定于巷道两端。此时巷道装置和测量支架均已完成，可以开始物理模型实验。 

（5）根据需要将巷道及测量支架埋于介质材料（土、沙、木屑等）中，将测量导线7与变阻器9相连接，然后与仪器相连接，其中测量导线7与变阻器9之间预留1.3米，进行第一次测量；轻拉动测拉绳8，拉出0.1米进行第二次测量，此时两次测量的测点距离为0.1米。后续测量按此进行。 

Claims (2)

1.一种全空间瞬变电磁法物理模型实验用的测量装置，它包括巷道及测量支架，其特征在于所述巷道由至少三块巷道形板（1）和两块堵头端板（3）组成连接位置密封的棱柱结构，测量支架（6）由测量薄板（4）和三个以上尼龙螺丝（5）组成，尼龙螺丝（5）之间按同一缠绕方向缠绕测量导线（7），测量支架（6）与巷道的一个面平行滑动连接，测量支架（6）两端与测拉绳（8）连接，测拉绳（8）由两块堵头端板（3）上的引出孔引出，测量导线（7）由两块堵头端板（3）上的某一引出孔引出，引出的测量导线（7）与变阻器（9）相连接。

2.根据权利要求1所述的全空间瞬变电磁法物理模型实验用的测量装置，其特征在于所述巷道由四块巷道形板（1）和两块正方形堵头端板（3）组成连接位置密封的正四棱柱结构。

3.根据权利要求1或2所述的全空间瞬变电磁法物理模型实验用的测量装置，其特征在于巷道底部的巷道形板（1）的两侧分别连接一根长管（2），长管（2）上设有滑行槽口，两个滑行槽口相对，两个滑行槽口的上槽口侧边或下槽口侧边分别在同一平面上，该平面与巷道底部的巷道形板（1）平行。

4.根据权利要求3所述的全空间瞬变电磁法物理模型实验用的测量装置，其特征在于测量薄板（4）的两端插入滑行槽口与滑行槽口滑动连接。

5.根据权利要求3所述的全空间瞬变电磁法物理模型实验用的测量装置，其特征在于测量薄板（4）的两端各与一薄板连接，两端的薄板插入滑行槽口与滑行槽口滑动连接。

6.根据权利要求3所述的全空间瞬变电磁法物理模型实验用的测量装置，其特征在于测量薄板（4）的两端分别通过两个滑轮支杆与两个滑轮连接，滑轮与测量薄板（4）垂直，滑轮支杆通过滑行槽口插入长管（2）内，滑轮与长管（2）的管壁或管壁上设有的滑轮槽滑动连接。

7.根据权利要求1或2所述的全空间瞬变电磁法物理模型实验用的测量装置，其特征在于测量薄板（4）上设有四个连接孔，四个连接孔组成正方形，在测量薄板（4）的同一侧面上，四个尼龙螺丝（5）分别与四个连接孔连接，测量导线（7）缠绕在同一侧面的尼龙螺丝（5）上，缠绕测量导线（7）的这一侧面朝向巷道中间位置。

8.根据权利要求7所述的全空间瞬变电磁法物理模型实验用的测量装置，其特征在于测量薄板（4）沿巷道轴向两端设有拉绳孔，两端的拉绳孔分别与两根测拉绳（8）连接。