多匝小回线瞬变电磁场衰减规律及其影响因素研究

摘要

瞬变电磁法近年来得到越来越广泛的应用，其在指导煤矿生产安全方面有着不可估量的作用。但是，多匝小回线瞬变电磁场视电阻率读数比正常值小几个数量级的问题一直没有解决，不仅直接影响矿井瞬变电磁资料定性和定量解释的可靠性，而且关系到从业人员的科学行为规范和安全生产责任。 本文首先系统研究多匝小回线作为发射装置、接收装置的暂态过程特征和介质中感应电磁场的过渡过程特征及其相互耦合关系。推导公式得出一次场、二次场和总场暂态过程解析式，并分别对一次场、二次场和总场规律进行分析。之后基于Simulink仿真软件，建立瞬变电磁法等效电路，将瞬变电磁法分为方波信号等效电路、发射回线等效电路、地质体等效电路以及接收回线等效电路，通过实际的发射、接收、地质体的感应关系建立感应模块等效电路。在建立了等效电路之后，通过改变电路中不同模块的电感、电阻、电容的值，研究了回线边长、发射回线匝数、发射回线串联阻尼以及分布电容等非地质因素对瞬变电磁场的影响规律，以及地质体电阻、电感等地质因素对场的影响规律。并提出场极值平移的概念进行多匝小回线瞬变电磁法有效性分析。 本文得出如下结论：回线边长对瞬变电磁场的影响主要通过时间常数?的变化而影响。回线匝数对瞬变电磁场的影响主要通过磁矩的不同而影响瞬变电磁场的衰减规律。匝数增加，磁矩增加，感应电动势幅值增加，从而使衰减时间变长。本质都是等效电路中R、C、L的值起作用。发射回线串联阻尼对瞬变电磁场影响不大，最主要的是会使发射回线电路处于欠阻尼状态，从而使信号尾支出现振荡，影响信号识别。分布电容的存在会使感应电动势幅值增加，同时电容大的感应电动势衰减到0所用的时间也增加，不同电容衰减速度相同。回线匝数以及边长增加对二次场电流归一化的幅值基本没有影响，只影响其衰减时间。 在多匝小回线情况下，总场对地质体电阻的改变不敏感，而大回线情况下，总场对于低阻体响应较好。地质体电感的改变无论是在小回线还是大回线情况下，均只能在二次场中得到较好的响应。通过Maxwell正演模拟了地质体不同阻值的瞬变电磁场，其感应感应电动势衰减曲线能够很好的反应地质体电阻的变化，并且计算的视电阻率值能够准确反映视电阻率值的相对倍数关系。 提出多匝小回线装置运用晚期视电阻率公式计算视电阻率值偏小的原因：其一是晚期总场值大于二次场值，运用总场信号计算视电阻率值反应不出真实的地层信息，导致视电阻率值偏小，其偏小的程度与总场与二次场比值相关，总场与二次场比值越大，计算的视电阻率值数量级越小。其二是2m边长过小，导致有效面积过小，感应电动势的信号增大不足以弥补有效面积导致的差异，因而计算所得视电阻率值偏低。

目录

声明

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3.1研究内容

1.3.2研究方法

2 多匝小回线瞬变电磁场过渡过程

2.1 发射回线发射波形与关断时间

2.2 接收回线感应电动势衰减规律

2.3 多匝小回线瞬变电磁场解析解

2.3.1一次场暂态过程

2.3.2 二次场暂态过程

2.3.3 总场暂态过程

3 多匝小回线瞬变电磁场等效电路分析

3.1 Simulink仿真与建模

3.1.1 Simulink仿真功能概述

3.1.2 Simulink等效电路分析理论基础

3.2 方波等效电路分析

3.2.1 Sine Wave和Signal builder方波信号

3.2.2 Pulse Generator方波信号

3.2.3 方波信号发射等效电路

3.3 发射回线等效电路分析

3.3.1 发射回线等效电路

3.3.2 发射等效电路波形分析

3.4 地质体等效电路分析

3.5 接收回线等效电路分析

3.5.1 接收回线等效电路

3.5.2 接收回线负阶跃响应

3.5.3 接收回线等效电路波形分析

3.6 电路模块感应关系

3.6.1 感应模块等效电路

3.6.2 感应模块功能分析

3.7 小结

4 非地质因素对多匝小回线瞬变电磁观测结果的影响

4.1 回线电性参数确定

4.1.1 数学计算法

4.1.2 回线电性参数测量

4.1.3 时间常数与回线装置关系分析

4.2 回线边长对瞬变电磁场的影响

4.2.1 回线边长影响的Simulink仿真分析

4.2.2 回线边长影响的试验分析

4.3 回线匝数对瞬变电磁场影响

4.3.1 回线匝数影响的Simulink仿真分析

4.3.2 回线匝数影响的试验分析

4.4 发射回线串联阻尼影响

4.4.1 发射回线串联阻尼影响的Simulink仿真分析

4.4.2 发射回线串联阻尼影响的试验分析

4.5 分布电容对瞬变电磁场影响

4.5.1 分布电容影响的Simulink仿真分析

4.5.2 分布电容影响的试验分析

4.6 小结

5 地质因素对多匝小回线瞬变电磁观测结果的影响

5.1 地质体电阻因素影响的 Simulink 仿真分析

5.2 地质体电感因素影响的 Simulink 仿真分析

5.3 Maxwell 软件功能分析

5.4 地质体电阻率因素影响的 Maxwell 正演模拟

5.5 小结

6 多匝小回线瞬变电磁法有效性分析

6.1 不同装置瞬变电磁场对比分析

6.2 不同装置晚期场值对比分析

6.3 不同装置视电阻率计算对比

6.4 小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

作者简历

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