矿井瞬变电磁法接收端单向屏蔽

王雷生， 程久龙， 徐忠忠

(1.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院， 北京 100083； 2.天津市地质环境监测总站， 天津 300110)

矿井瞬变电磁法是一种非接触式的时间域电磁勘探方法，在矿井隐蔽水体探测中得到广泛的应用[1-2]。然而矿井瞬变电磁法由于受到全空间效应的影响，使得其有效信号容易受到来自非探测方向异常信号的干扰，进而影响探测结果的准确性[3-4]。

电磁屏蔽技术主要是通过线圈或者屏蔽罩等装置，通过特殊的设计来抑制异常信号。席振铢等[5]研究了等值反磁通浅层瞬变电磁法，该方法采用两个发射线圈作为发射源，通过发射线圈建立的零磁通平面实现接收线圈对一次场的信号的屏蔽，有效地减小了瞬变电磁探测中的盲区；魏生宝等[6]对传统的点式工程探伤探头进行改进，通过增加屏蔽装置增强探头的灵敏度以及抗干扰性能；汪凯斌[7]采用法拉第屏蔽方式对矿井瞬变电磁法感应探头进行屏蔽处理，主要是阻断线圈与放大电路之间电场耦合，以降低噪声的影响。目前尚无从根本上解决瞬变电磁全空间效应实现指向性探测的方法，因此如何从根本上解决矿井瞬变电磁全空间效应问题对提高探测结果的准确性至关重要。现以电磁屏蔽理论为基础，通过理论计算、数值仿真、物理模拟实验等方法，以期望确定屏蔽装置材料及结构设计参数，并且验证屏蔽装置的单向电磁屏蔽效果，进而为矿井瞬变电磁法井下接收端单向屏蔽技术的应用提供重要的参考。

1 单向屏蔽装置材料的选择

磁场屏蔽根据所屏蔽磁场的频率特点可以分为静磁屏蔽、中高频磁场屏蔽以及电磁波场屏蔽。

在静磁状态下屏蔽效能(shielding effect, SE)计算公式[8]为

(1)

中、高频磁场屏蔽效能计算公式[9-10]为

(2)

电磁波场屏蔽效能计算公式为

(3)

根据磁场屏蔽效能公式以及常用的电磁屏蔽材料的相关参数(表1)可知，磁场的屏蔽效果是屏蔽体的形状、材料、厚度等参数综合作用的结果。

为了比较不同材料对于磁场屏蔽的效果，采用等效球体[11]进行磁场屏蔽效果研究，根据屏蔽效能公式绘制屏蔽效能变化曲线如图1～图4所示。

如图1所示，在静磁条件下，铜没有任何的屏蔽作用，1J78型坡莫合金有明显的优势，可以作为静磁及低频磁场首选的屏蔽材料。

表1 常见材料的电导率以及磁导率Table 1 Conductivity and permeability of common materials

如图2所示，在中、高磁场中，1J78型坡莫合金较其他金属材料具有明显的中、低频磁场屏蔽的优势，且在高频阶段依然能有较好的效果。

图3所示为不同材料对不同频率电磁波场的屏蔽效能。从图3可以看出电磁波场屏蔽起主导性作用的是吸收损耗和反射损耗。

图1 不同材料静磁屏蔽效能Fig.1 Magnetostatic shielding effectiveness of different materials

图2 不同材料中、高频磁场屏蔽效能Fig.2 The shielding effectiveness of medium and high-frequency magnetic fields of different materials

图3 不同材料电磁波场屏蔽效能Fig.3 Electromagnetic wave field shielding effectiveness of different materials

图4 不同材料电磁波场总屏蔽效能Fig.4 The total shielding effectiveness of electromagnetic wave fields of different materials

从图4可以看出，电磁波场总屏蔽效能SE在电磁场20 kHz以下时，屏蔽效能关系为SECu>SEFe> SE1J78>SE1J45，此时主要由波阻抗差异产生的反射损耗R起决定性作用；总屏蔽效能SE在电磁场大于20 kHz时，总屏蔽效能关系为SE1J78>SEFe>SE1J45> SECu，此时铜的屏蔽效能变化不大，而高磁导性材料的屏蔽效能上升明显且起决定性作用。

瞬变电磁二次磁场频带较宽，且总体上频率相对较低，1J78型坡莫合金在低频磁场屏蔽效能上具有明显的优势，且在高频磁场的屏蔽效能也相对较强，可以作为瞬变电磁二次磁场单向屏蔽材料。

2 单向屏蔽装置结构的确定

2.1 仿真模型的建立

为了便于定量分析屏蔽装置的不同结构对单向屏蔽效果的影响，通过建立井下全空间条件下屏蔽装置的仿真模型，计算不同结构屏蔽装置最佳单向屏蔽效果时的相关参数，为屏蔽装置的设计提供依据。通过COMSOL Multiphysics内嵌的三维建模工具，建立地电场模型，如图5所示。地电模型第一层的电阻率设为100 Ω·m，层厚设置为170 m，第二层煤系地层，电阻率设为200 Ω·m，层厚设置为60 m，第三层电阻率设为500 Ω·m，层厚设置为170 m，每层长宽尺寸均为1 000 m×400 m；煤系地层距离底板30 m位置沿Z轴方向，设置500 m×5 m×5 m(长×高×宽)的巷道，巷道介质设置为空气。Z轴方向距发射线圈100 m位置，放置直径20 m低阻球体异常体，电阻率为1 Ω·m。发射线圈半径1 m，匝数为40，设置峰值电流5 A和关断时间0.1 ms的阶跃电流函数。通过在发射线圈中加载阶跃电流的方式，模拟发射线圈中瞬变电磁场的建立过程；采用布设磁场探针的方式代替接收线圈读取屏蔽罩内外空间不同位置的二次场数据，通过定量分析屏蔽罩内外不同位置的二次场信号强度来分析其单向屏蔽效果。

将创建好的屏蔽罩(图6)放置在仿真模拟的瞬变电磁二次场中，在屏蔽罩中布置测线读取屏蔽罩内外磁场强度，如图7所示。通过改变屏蔽罩的参数，分析其对于屏蔽效能的影响，进而得到屏蔽罩实现单向屏蔽效果的相关参数，为之后物理实验材料的选择以及屏蔽罩的设计提供依据。

图5 全空间三层地电模型Fig.5 Three-layer geoelectric model in the whole space

图6 锥体屏蔽罩模型Fig.6 Cone shield model

图7 磁场探针测线布置模型Fig.7 Layout model of the magnetic field probe line

2.2 仿真计算方法

由于屏蔽罩为薄壁结构，为了同时保证计算精度和提高计算效率，采用不均匀网格对矿井全空间三层地电模型进行剖分；全空间正四面体剖分单元格尺寸为最大25 m、最小0.5 m，异常体及发射线圈尺寸为最大1 m、最小0.01 m。

场源加载及求解是通过添加COMSOL Multiphysics中AC/DC模块中的磁场H实现的。首先将安培定律方程、磁绝缘边界条件、磁矢势初始值均设置为0；其次，设置瞬态研究时间步容和求解器配置，最后设置磁场Z分量对数坐标方程lgH(Hz)、颜色范围以及成图质量等。图8为瞬变电磁场响应数值仿真的流程图。

图8 瞬变电磁仿真流程图Fig.8 Modeling flow chart of TEM

2.3 屏蔽装置形状

根据等效体积原则，建立不同形状的屏蔽罩模型，参数见表2。屏蔽罩的材料为1J78型坡莫合金(电导率为1.47×106S/m，相对磁导率为8 000)。将建好的屏蔽罩模型放置于三维地电模型中。

根据模型中设置的测线，读取的磁场Z分量强度，绘制出不同形状屏蔽罩正、反向磁场Z分量沿测线分布曲线图(其中正向波场为二次场从屏蔽罩开口向射入，反向波场为二次场从屏蔽罩顶端射入)，如图9所示。

表2 屏蔽罩模型形状参数Table 2 Shield model shape parameters

图9 不同形状屏蔽罩的磁场Z分量沿测线分布曲线Fig.9 The curve of the magnetic field Z component of different shapes of shields along the survey line

从图9可以看出，屏蔽罩内部磁场强度随着距离屏蔽罩顶端的距离增大而增大；在测线0.15～0.16 m的范围区域存在磁场Z分量曲线不连续性，是由于屏蔽罩金属材料内部磁场Z分量强度极低；测线在0.16～0.18 m范围区域存在异常的磁场Z分量升高的现象，这是由于铁磁性材料具有低磁阻性，使得磁场发生聚拢形成高磁场强度的区域。

要实现单向屏蔽，首先需要对正、反向波场的压制具有较大差异性，其次能够保证获得足够强度的正向信号。从图9可知，对于正、反向波场的压制差异而言，从大到小分别为帽形屏蔽罩、半球屏蔽罩、圆锥屏蔽罩、圆柱屏蔽罩，其中圆柱屏蔽罩对正向波场的压制效果过强，有效信号强度不能得到保证，不利于实现单向屏蔽；除圆柱屏蔽罩，其他形状均有一定的单向屏蔽效果。考虑对正、反向波场的压制差异性、正向波场信号强度、加工难度、成本等因素，最终确定采用锥体屏蔽罩作为单向屏蔽屏蔽罩的形状。

2.4 屏蔽罩顶角角度及厚度

根据选定的锥体屏蔽罩，保持其他参数不变，通过改变屏蔽罩顶角角度分别为60°、90°、120°、150°，绘制出不同屏蔽罩顶角情况下磁场Z分量沿测线分布曲线图，如图10所示。

随着屏蔽罩顶角的增大，正向波场信号值明显增大，说明屏蔽罩顶角越大越能够获得足够的有效正向信号；在屏蔽罩内部区域(测线0～0.15 m)随着屏蔽罩顶角的增大，正、反波场的磁场Z分量强度差异明显增大，说明屏蔽罩对正反波场的压制效果的差异增大，更有利于实现单向屏蔽；屏蔽罩60°顶角时屏蔽罩中心位置(测线0.075 m处)正向波场信号降为无屏蔽时信号的约1/7，且正、反向波场信号强度差异较小，较难实现单向屏蔽；屏蔽罩顶角90°～150°情况时，屏蔽罩中心位置(测线0.075 m处)正向波场信号值为在无屏蔽情况下信号值的一半以上，正向波场信号值为反向波场信号值的3倍以上且倍数关系相对稳定，有利于实现单向屏蔽。

图10 磁场Z分量沿测线分布曲线Fig.10 The curve of magnetic field Z component along the measuring line

3 实验验证

采用相似比(300∶1)设计物理模型，通过物理模拟实验，来验证接收端单向屏蔽装置的屏蔽效果。为了尽可能消除外界的电磁干扰，在户外远离电磁场干扰地方进行相似比缩放的等效物理模型实验，实验中发射电流为0.62 A，发射线圈为20匝(直径0.20 m)，接收线圈为300匝(直径0.050 m)，异常体为金属体(铜柱)，分别布设在探测方向和非探测方向，保持异常体距线圈0.20 m，分别获取有、无屏蔽罩情况下两个异常体的数据，进而分析单向屏蔽效果，实验布置方案如图11示；屏蔽罩的材质为1J78型坡莫合，厚度为0.000 2 m，顶角为90°，直径0.30 m，高0.15 m。

分别采用无屏蔽罩线圈和有屏蔽罩线圈进行探测，并对采集的数据进行处理，绘制的视电阻率剖面如图12所示。

从图12(a)中可以看出，在测线0.15～0.30 m，距离0.20～0.25 m位置和在测线0.62～0.73 m，距离0.20～0.25 m位置，存在一个明显的低阻异常体，与实际测线0.25 m处(非探测方向)和0.65 m处(探测方向)的金属体位置吻合，表明瞬变电磁法无法进行指向性探测；从图12(b)中可以看出，在测线0.54～0.70 m，距离0.20～0.25 m位置，存在一个明显的低阻异常体，与实际测线0.65 m处放置的金属体位置吻合，而测线0.25 m处则不存在明显的低阻异常体，说明屏蔽罩实现了对于非探测方向异常体的单向屏蔽；在测线0.18～0.50 m，距离0.20～0.25 m区域视电阻率值相对偏低，是因为单向屏蔽装置无法实现对于反向异常信号完全屏蔽，在测线中部同时受到正、反向信号共同作用下形成相对低阻的区域。

图11 实验方案示意图Fig.11 Schematic diagram of the experimental scheme

图12 接收端单向屏蔽物理模型实验结果Fig.12 One-way shielding physical model experiment

该实验验证了仿真模拟设计的屏蔽装置具有良好的接收端单向屏蔽效果，能够实现指向性探测。屏蔽罩设计方案对于矿井瞬变电磁法克服井下全空间效应的影响是可行性的。

4 结论

通过理论分析、仿真模拟及物理实验相结合的方法，确定了矿井瞬变电磁法最佳单向屏蔽装置的相关参数，验证了屏蔽装置设计方案的接收端单向屏蔽效果。

通过电磁屏蔽仿真模拟可以得出：1J78型坡莫合金是理想的瞬变电磁法接收端单向屏蔽的材料；顶角角度90°以上的锥形屏蔽罩能较好地保证探测方向有效信号的同时，有效压制非探测方向信号，进而实现全空间电磁场的接收端单向屏蔽；在锥形屏蔽罩高度不变的情况下，锥形屏蔽罩顶角角度越大，单向屏蔽效果越好；经过物理实验证实，文中设计屏蔽方案具有明显的单向屏蔽效果。

本文中设计的屏蔽装置初步实现了全空间条件下瞬变电磁法的指向性探测，证明了屏蔽罩设计方案是可行的，这为矿井瞬变电磁法实现指向性探测奠定了基础。然而，在矿井中应用时还涉及支护、掘进系统、电力系统等的干扰问题，因此该屏蔽方案仍可进一步研究与完善。