CN106371142B - 一种用于瞬变电磁勘探的线圈及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于瞬变勘探技术领域，具体涉及一种用于瞬变电磁勘探的线圈及其应用方法，所述发射回线和接收回线位于同一平面，且发射回线之间、接收回线之间、发射回线与接收回线之间均共中心点；所述发射回线与接收回线各匝之间均保持一定间距，并采用螺旋回绕方式布设，且二者相互嵌套；所述接收回线的匝数大于或等于发射回线的匝数；所述发射回线各匝之间采用串联或并联方式，接收回线各匝之间均采用串联方式。本发明中的线圈可独立收放，便于携带，回线之间保持间隔，匝数一定的条件下，能够有效降低自感和分布电容，进而缩短线圈的暂态过程；而且发射、接收回线相互嵌套间隔布设，可以有效降低二者互感系数，以利于获取早期有效信号，降低浅部探测盲区，提升浅层勘探，尤其是城市工程物探中的适用性。

Description

一种用于瞬变电磁勘探的线圈及其应用方法

技术领域

本发明属于瞬变勘探技术领域，具体涉及一种用于瞬变电磁勘探的线圈及其应用方法。

背景技术

瞬变电磁法是一种应用比较广泛地球物理勘探方法，属于时间域电磁法，简称TEM。它是利用不接地回线向地下发送脉冲式一次磁场，在脉冲间歇期，利用线圈观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场随空间和时间的分布信息，通过提取和分析，以解决相关的地质问题。

随着地球物理勘探事业的发展，复杂地区的勘探日益增多，瞬变电磁法的应用来越受到工作区域条件的限制， 特别是在城市道路、隧道、井下探测中，由于施工环境所限，只能采用多匝小线圈装置，经研究和应用发现，主要凸显如下问题：1）线圈自感、互感及分布电容将随着回线匝数、绕制密集程度的增加而增大，继而导致线圈固有频率降低、暂态现象严重（表现为发射电流呈指数关断、时间变长，感应电压信号过渡时间变长），这会严重影响早期信号的有效测量，导致存在较大的浅部探测盲区，同时线圈灵敏度也会降低，影响对目标体的分辨能力；2）目前常用的多匝小线圈中，发射回线与接收回线往往是独立式的，没有做成一个整体，使用时一般需要将二者分别安装固定，不但使用麻烦、难以精确保证二者空间位置的一致性，且会因为支撑结构、固定方式等原因，导致线圈难以展布到位，出现变形问题，会对应用效果产生不利影响。

现有技术中，为解决发射、接收回线互感的影响采用共轴偶极装置，较适用于坑道超前探测。该装置是将发射、接收回线平行且共中心轴布设，二者间隔至少5m，接收回线靠近探测目标区域，发射回线置于后方，此装置中由于发射、接收相互远离，因此可以大为降低互感影响，但也存在很多不足，影响了实用效果，比如：1）发射回线距离导电介质较远，激励电磁场不能很好的传导进入围岩介质（深部）；2）装置形式复杂，现场安装及实际操作要求精度高且施工繁琐。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题，采用了以下技术方案：一种用于瞬变电磁勘探的线圈，包括底衬和布设在底衬上的发射回线、接收回线，所述发射回线和接收回线位于同一平面，且发射回线之间、接收回线之间、发射回线与接收回线之间均共中心点；所述发射回线与接收回线各匝之间均保持一定间距，并采用螺旋回绕方式布设，且二者相互嵌套；所述接收回线的匝数大于或等于发射回线的匝数；所述发射回线各匝之间采用串联或并联方式，接收回线各匝之间均采用串联方式。

所述线圈为发射回线、接收回线一体式线圈，可独立收、放，线圈尺寸≤3m。

所述发射回线和接收回线的形状为矩形螺旋状或环形螺旋状，从外圈到内圈，回线尺寸逐渐减小，发射回线或接收回线相邻两匝之间保持1~20cm的间距。

所述发射回线的匝数为1~10匝，接收回线匝数为2~50匝。

所述发射回线与接收回线相互嵌套布设，相邻两匝所述发射回线之间布设1~5匝接收回线，且最内圈布设接收回线。

所述发射回线和接收回线由相同制式但尺寸规格不等的线圈系经相应接口串联集成，线圈系之间亦采用同平面、共中心点、相互嵌套的方式。

所述线圈安装固定于相应的支撑结构体或车载结构体形成适用于不同应用场景的框体式装置或车载式装置，如在空间狭窄的坑道内或起伏较大的山区地面上进行探测时框体式装置较为适用，而在平坦的地面道路上进行探测时车载式装置较为适用

所述线圈装置的应用方法，通过线圈装置的引线经由航插接入电磁仪或发射接收机对应端口，调试后按照既定的观测系统方案进行施工，其中观测系统方案根据现场环境及探测任务目标等因素综合确定：a.进行坑道超前探测时采用扇形观测系统，并重点性关注目标性区域；b.进行地面普勘测量时采用二维剖面即单测线测量；c.进行地面详勘测量时采用三维网格即多测线测量；应用形式多样，因地制宜，解决不同工程领域的地质勘查需求。本发明具有以下有益效果：

（1）本发明中回线之间保持一定间隔，在匝数一定的条件下，能够有效降低自感和分布电容，进而降低线圈的暂态过程，即表现发射电流快速关断，时间缩短，接收回线暂态减弱，信号过渡时间缩短；

（2）本发明中发射回线、接收回线相互嵌套间隔布设，可以有效降低二者的互感系数，能够极大减弱早期一次场信号的干扰；

（3）本发明可以获取有效的瞬变电磁早期场信号，能够极大降低浅部探测盲区，并提高瞬变电磁的横向、纵向分辨率；

（4）本发明中的接收回线、发射回线嵌套模式可以单独使用，亦可由制式相同、规格不等的线圈系串联集成，以满足不同测深的需求，拓宽适用范围。

（5）本发明中的线圈与现有低感抗、容抗的瞬变电磁专利线圈相比，降低感抗、容抗的效果更加显著；

（6）本发明中为发射、接收回线一体式线圈，保证了发射、接收回线相对空间位置关系始终一致，不发生改变，使用时也有利于线圈展布到位，不至变形，极大降低了因线圈前后几何差异对测量效果的不利影响；

（7）本发明中线圈可独立收放，便于携带、安装、使用，装置结构可变，形式多样，以满足不同应用环境和探查任务的需要，适用性更加广泛，同时提高了施工效率，比如车载式结构；

（8）本发明中线圈装置在应用时，可以根据应用场景、地质任务等因素，选取更加合理的线圈参数及观测系统，解决诸如矿井、隧道超前地质预报或地面工程物探（探测管线、硐室、空洞、孤石、岩溶、基岩面等），特别是深度30m以内的精细勘查，解决不同工程领域的问题。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

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2的结构示意图；

图3是本发明实施例3的结构示意图；

图4是本发明实施例4的结构示意图；

图5是本发明实施例5的结构示意图；

图6是本发明实施例6的结构示意图；

图7是本发明实施例7的结构示意图；

图8是本发明实施例8的探测示意图；

图9是本发明实施例9的探测示意图；

图10是发射电流正向关断沿波形对比图；

图11是感应电压衰减曲线对比图；

图中：1-底衬；2-发射回线；3-接收回线；4-发射接线端子；5-接收接线端子；6-接线盒；7-嵌绕线圈；8-线圈引线；9-航插头；10-过风孔；11-撑杆；12-瞬变仪；13-发射接收机；14-蓝牙天线；15-手持终端；16-滚动编码器；17-滑车；18-探测方向；19-坑道；20-大地；21-基岩；22-管线；23-硐室；24-空洞/松散区；25-孤石；26-测线；27-测点。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明：

实施例1

如图1所示，一种用于瞬变电磁勘探的线圈，包括底衬1和布设在底衬1上的发射回线2、接收回线3，所述发射回线2和接收回线3位于同一平面且发射回线2之间、接收回线3之间、发射回线2与接收回线3之间均共中心点；所述发射回线2与接收回线3各匝之间保持1-20cm的间距，并采用矩形螺旋回绕方式布设，且二者逐匝相互嵌套；所述接收回线3的匝数与发射回线2的匝数相同，且均不少于2匝；所述发射回线2各匝之间以串联方式经发射接线端子4接入发射机，接收线圈回线3各匝之间以以串联方式经接收接线端子5接入接收机。按照以上技术实施方案可以降低线圈的感抗、容抗，进而降低发射电流关断时间，降低接收线圈的暂态过程及早期一次场感应电压强度。

实施例2：如图2所示，所述发射回线2和接收回线3均按环形螺旋回绕方式布设。

实施例3：如图3所示，所述相邻两匝发射回线2之间嵌绕布设2匝接收回线3。

实施例4：如图4所示，所述发射线圈回线2各匝之间采用并联方式连接。

实施例5：如图5所示，所述发射回线2和接收回线3由相同制式但尺寸规格不等的线圈系通过接线盒6串联集成，线圈系之间亦采用同平面、共中心点、相互嵌套的方式。

实施例6：如图6所示，所述框体式装置支撑结构为由撑杆11组装成而成的矩形方框，线圈可以采用上述实施例1-5中的任一形式，且中间预留过风孔，引线预留长4-6m，并配有接入专用机器的航插头9。

实施例7：如图7所示，为包括装置、机器和控制终端有机组成的系统，所述车载式装置载体结构为滑车17，线圈可以采用上述实施例1-5中的任一形式。与实施例6不同的是考虑到使用的便捷性，在滑车17前轮轮轴处加装滚动编码器16，在滑车17平台前端安装固定用于场源激励和信号测量的发射接收机13，滚动编码器17与发射接收机13连接，用于距离标定，线圈通过航插头9接入发射接收机13的相应端口，发射接收机13通过内置的蓝牙模块及蓝牙天线14与作为控制端的手持终端15进行无线通信，通过手持终端15，像发射接收机13下发指令，接收其回传指令并进行数据的存储、显示表达及处理等。

实施例8：如图8所示，为采用框体式装置在坑道中实施超前探测的示意图，线圈装置按放在迎头处，调整姿态使探测方向18指向待探测区域，线圈装置通过引线8与电磁仪12连接，调试正常后，按照观测系统方案逐步开展测量，坑道超前探测一般适宜采用扇形超前观测系统。电磁仪12为兼具有发射接收功能、主控功能，用于场源激发、信号测量，以及数据的存储、显示表达、处理等。

实施例9：如图9所示，为采用车载式装置在地面实时探测的示意图，线圈装置平方于地面，使探测方向18指向地下，系统调试正常后按照二维剖面测量或三维网格测量逐测点27、逐测线26针对待测区域进行扫描式测量，以实现对地下诸如管线22、硐室23、空洞24、孤石25、基岩面21等目标体或目的层的探查。二维剖面测量适用于初勘，三维网格测量适用于详勘。利用车载式装置进行地面扫描式勘查，将会大大提升施工效率和探测精度。

如图10所示，曲线S1为使用实施例1-6中任一款线圈装置实测得到的发射电流正向关断沿波形，曲线S2是现有降低感抗、容抗的专利线圈实测得到的发射电流正向关断沿波形。通过对比可以明显看出，曲线S1对应的发射电流关断更为迅速，进一步缩短了系统的关断时间。

如图11所示，曲线S3为使用实施例1-6中任一款线圈装置实测得到的感应电压衰减曲线，曲线S4是现有降低感抗、容抗的专利线圈实测得到的感应电压衰减曲线，通过对比可以明显看出，曲线S3早期信号未饱和，且一次场影响时域较短，早期场信号到晚期场信号的过渡更快，即通过本发明申请可以获取有效的早期信号及线圈本身具有更短的暂态过程。

以上实施例并非仅限于本发明的保护范围，所有基于本发明的基本思想而进行的修改或变动都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于瞬变电磁勘探的线圈，包括底衬和布设在底衬上的发射回线、接收回线，其特征在于：所述发射回线和接收回线位于同一平面，且发射回线之间、接收回线之间、发射回线与接收回线之间均共中心点；所述发射回线与接收回线各匝之间均保持一定间距，并采用螺旋回绕方式布设，且二者相互嵌套；所述接收回线的匝数大于或等于发射回线的匝数；所述发射回线各匝之间采用串联或并联方式，接收回线各匝之间均采用串联方式；所述发射回线和接收回线的形状为矩形螺旋状或环形螺旋状，从外圈到内圈，回线尺寸逐渐减小，发射回线或接收回线相邻两匝之间保持1~20cm的间距。

2.根据权利要求1所述的用于瞬变电磁勘探的线圈，其特征在于：所述发射回线、接收回线构成一体式线圈，独立收放，线圈尺寸≤3m。

3.根据权利要求1所述的用于瞬变电磁勘探的线圈，其特征在于：所述发射回线的匝数为1~10匝，接收回线匝数为2~50匝。

4.根据权利要求1所述的用于瞬变电磁勘探的线圈，其特征在于：所述发射回线与接收回线相互嵌套布设，相邻两匝发射回线之间布设1~5匝接收回线，最内圈为接收回线。

5.根据权利要求1所述的用于瞬变电磁勘探的线圈，其特征在于：所述发射回线和接收回线由相同制式但尺寸规格不等的线圈系经相应接口串联集成，线圈系之间亦采用同平面、共中心点、相互嵌套的方式。

6.根据权利要求1所述的用于瞬变电磁勘探的线圈，其特征在于：所述线圈安装固定于相应的支撑结构体或车载结构体上，形成适用于不同应用场景的框体式装置或车载式装置。

7.根据权利要求1-6所述线圈装置的应用方法，其特征在于：通过线圈装置的引线经由航插接入电磁仪或发射接收机对应端口，调试后按照既定的观测系统方案进行施工，其中观测系统方案根据现场环境及探测任务目标因素综合确定：a.进行坑道超前探测时采用扇形观测系统，并重点关注目标性区域；b.进行地面普勘测量时采用二维剖面即单测线测量；c.进行地面详勘测量时采用三维网格即多测线测量。