[发明专利]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

说明书

本发明提供了非共面瞬变电磁隧道预报装置，包括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。及等效导电平面解释方法，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。本发明的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。

技术领域

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

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。

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。

发明内容

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。

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

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。

发射线圈和接收线圈的间距为发射线圈边长2倍以内。

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，

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。

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

其中，H_z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；

令

则

对于水平层状介质，引入等效导电平面的深度h_效：

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；

对于变化的研究深度H，将(4)式的H_z作为H的函数，得