瞬变电磁法的多匝小回线装置轻便、灵活，在地面浅层探测、煤矿巷道和工程隧道超前预报中得到广泛应用^[1-6]。但是，多匝绕制方式使其具有较强的互感、受关断效应影响严重，不利于瞬变电磁数据的处理与解释^[7-15]。在多匝小回线基础上发展出的圆锥型场源的互感系数仅为多匝小回线的1/9，不仅使瞬变响应更早进入晚期，还有利于资料处理中关断效应校正方法的使用^[16]。在装置形式上，只要使圆锥型场源的高度为0、每匝线圈半径相同，该场源就变成了多匝小回线，因此，可以将多匝小回线看作这种场源的一种特殊形式。在一些共同的基础理论问题上，针对圆锥型场源的问题解决方法也适用于多匝小回线装置。针对圆锥型场源，从理论的角度对瞬变电磁场早晚期临界条件，互感引起的关断效应对瞬变电磁响应信号的影响和校正方法，以及视电阻率转换方法等方面开展了研究，验证了该场源的理论研究价值^[17-19]。本研究重点是从试验的角度检验前期理论成果的正确性，同时也对该场源的实际应用效果进行初步探索。

1   实验装置设计

设计的圆锥型场源装置如图 1a所示，该装置由顶部和底部圆形架、支撑管、双通管、三通管以及外围铜导线组成，顶底部圆形架由8根支撑管连接。顶部和底部圆形架由8个120°双通管和8个三通管交错连接而成；支撑管采用空心管，管外部设置等间距卡槽，使导线缠绕形状更加稳定，同时减轻装置重量。结构简单可拆卸，不需要特殊工艺。根据以上设计，制作了顶直径30 cm、底直径65 cm和高50 cm的实验装置(图 1b)。外围绕导线127匝，发射磁矩为188.315 9 A·m²。接收线圈绕制在底部圆形架上，测量过程中可以保持发射–接收系统的稳定性。为了对比圆锥型场源和多匝小回线的测量效果，按与圆锥底直径相同的参数制作了多匝小回线，利用磁矩等效原理绕制了71匝。接收线圈均为48匝。

图  1  圆锥型场源实验装置

Figure  1.  Conical source transmitter device

下载: 全尺寸图片 幻灯片

在实验数据的视电阻率计算方面，沿用前期研究中的做法^[16]，将实测感应电位视作每一匝线圈感应电位的叠加，即：

式中：t_i为第i匝线圈距第1匝线圈的延时；t为采样时间；ε_i为感应电位；i为测道数。那么，转换后的视电阻率便可以看作单匝线圈计算的电阻率平均值，即

式中：n为测点数；$ {\rho _i} $为第i个测道对应的视电阻率。

2   地面试验

2.1   基本情况

地面试验在某大学实习基地内进行，试验测线沿西南向、长300 m，点距5 m，采用仪器为TerraTEM瞬变电磁仪。测线旁边是一个蓄水水库，地势平坦(图 2)。在该处曾开展了高密度电阻率法的测量工作，测线长300 m，电极距2 m，采用仪器为DUK-2^[20]。为了与高密度测量成果对比，本次瞬变电磁试验的测线与高密度电阻率法相同。

图  2  试验测点布置

Figure  2.  The experiment line layout

下载: 全尺寸图片 幻灯片

试验区地层主要为前震旦系板溪群(P_tbn²)、石炭系下统华山岭组(C₂h)，浅部为第四系(Q)。区内褶皱不发育，而断层构造十分发育。区内断层构造主要由区域性深大断裂及与之平行或斜交的小型断层组成。按断层的产状可将其分为走向NE的正断层、走向NW的平移断层以及一些小型断层构造。

试验区区内有2条构造(断层F₁和F₈)穿过(图 3)。F₁为NE向正断层，走向稳定，该断层从测线的43号点附近穿过，在地表出露。前震旦系板溪群地层与石炭系下统华山岭组地层在测线末段交汇。

图  3  试验区地质示意图

Figure  3.  Geological map of the experiment area

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.2   试验结果分析

在图 2所示的测点分布图中，测点号25~49之间为高密度电阻率法的一个排列^[20]。该排列的末段为前震旦系板溪群地层与石炭系下统华山岭组地层的交汇处，F₁断层从该处穿过。为了与高密度电阻率法测量成果对比，选取相同测量段的瞬变电磁数据进行处理分析。

图 4为多匝小回线和圆锥型场源感应电位的多测道曲线，2条曲线呈现出的总体特征相似，但在34和43号测点附近的早延时部分有差别，反映出浅部地层内电阻率分布的差异。将感应电位转换为视电阻率，得到如图 5所示的视电阻率拟断面图，并与高密度电阻率成果进行对比。

图  4  瞬变电磁多测道曲线

Figure  4.  Multi channel curves for transient electromagnetic measurement

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  5  测量成果对比

Figure  5.  Sections for results comparison

下载: 全尺寸图片 幻灯片

根据地面观察到的地质情况，22号点附近出露一个倾斜的地层分界面，左边是石炭系下统华山岭组地层，右边是前震旦系板溪群地层。20号点附近有地质断层出露，20号点以后低洼过渡带。在高密度电阻率成果图中(图 5a)，清楚地显示出F₁断层所在位置以及石炭系下统华山岭组和前震旦系板溪群的交界面。在电性特征方面，石炭系下统华山岭组的电阻率较高，前震旦系板溪群的电阻率相对较低。高密度电阻率成果图中电阻率分布情况与地质情况吻合较好，但是在倒梯形剖面的深部，未显示出的区域呈现出连续低阻趋势。

圆锥型场源视电阻率拟断面图所呈现的电阻率变化情况与高密度成果图相似，在测线方向上浅部地层的电阻率由高逐渐降低，与石炭系下统华山岭组和前震旦系板溪群地层的电性特征吻合，43号点附近F₁断层也体现的较为明显(图 5b)。除此以外，在图 5b的深部显示出一个连续的低阻层，该低阻层从25号测点开始一直连通至F₁断层位置，与高密度电阻率法成果图底部呈现的电阻率变化趋势一致。在多匝小回线成果图中(图 5c)，尽管断层位置仍然可以识别，但深部的电阻率变化情况与高密度电阻率图相差较大。

3   矿井瞬变电磁试验

为了验证圆锥型场源在煤矿巷道内的实际应用效果，结合科研项目在湖南省某煤矿井下开展了圆锥型场源与多匝小回线的对比试验。测量位置覆盖掘进工作面及两侧巷道侧帮，侧帮测量点距2 m；掘进工作面测量按巷道“左侧帮—左拐角—工作面—右拐角—右侧帮”的顺序进行，共观测13个点。试验仪器为TerraTEM瞬变电磁仪，测量时间序列选用仪器自带的MK3 Standard，叠加次数32次，发射电流7.8 A。多匝小回线采用重叠回线装置，边长2 m，发射和接收线圈匝数分别为40、60匝，发射电流7.5 A，采用的时间序列和叠加次数与圆锥型场源相同。

采集的数据整体质量较高，少数测点受金属干扰需要进行测道删除处理。预处理后的数据经关断时间校正后，直接进行视电阻率转换^{[13, 21]}，得到的视电阻率拟断面图如图 6—图 8所示。

图  6  左侧帮瞬变电磁测量成果对比

Figure  6.  Left wall sections for transient electromagnetic measurement comparison

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  7  右侧帮瞬变电磁测量成果对比

Figure  7.  Right wall sections for transient electromagnetic measurement comparison

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  8  工作面瞬变电磁测量成果对比

Figure  8.  Mine drift sections for transient electromagnetic measurement comparison

下载: 全尺寸图片 幻灯片

由图 6和图 7可以看出，视电阻率值差异明显，结合已知地质资料，认为电阻率高于50 Ω·m的区域为煤层的高阻反映，低于25 Ω·m为低阻异常区，主要由岩层破碎、裂隙发育和富含水等因素造成。

对比多匝小回线和圆锥型场源的测量结果可知，前者低阻区范围较大，从横坐标方向上，左侧帮的低阻区深度范围从40~55 m拓展到20~80 m (图 6)，这与实际水文地质信息不符。在圆锥型场源的测量成果中，低阻区范围较小，从水平坐标5 m开始出现条带状低阻区，与右侧深度为20~80 m的低阻区相连通，该低阻条带解释为岩层破碎产生的导水通道，与右侧富水区连通。

图 7为2种场源在巷道右侧帮的测量成果，图中均显示出若干个不连续的低阻区，推断为岩层破碎所致。对比2种场源的测量结果可以发现，在水平坐标0~20 m、深度15~50 m的范围内，多匝小回线成果图中的低阻区深度范围更广，且在横向上有连通的趋势，而圆锥型场源成果图中则显示出2个低阻区，覆盖2个测点，没有连通性。从水平坐标24 m开始，图 7a中浅部高阻的平均深度不到30 m，而图 7b中的浅部高阻的平均深度超过40 m，且在水平坐标32 m和56 m附近与深部高阻连通。

图 8为巷道工作面方向的视电阻率拟断面图，在工作面右前方深度30~60 m范围内均出现偏低阻异常区。图 8a中的异常区为一个连通的低阻区，其中心点位置偏向工作面正前方，而图 8b中显示出异常区则被电阻率高于60 Ω·m的岩层分割，形成2个低阻区。探测结果表明该区域岩层完整性遭到破坏，且富含水。

4   结论

a. 圆锥型场源装置具有较高的稳定性，能提升工作效率和数据质量。

b. 试验结果表明，圆锥型场源对地层交界面和断层位置的刻画优于多匝小回线，获得的低阻区范围更为精细，在工作面方向显示出较好的低阻分辨能力。

c. 需要进一步研究圆锥型场源的资料处理方法，尤其是全空间层状介质中的反演技术，实现全空间视电阻率向真电阻率的转化。