地下全空间瞬变电磁法简介

        地下全空间瞬变电磁法（Whole-SpaceTEM,简称WSTEM）是由中科院地质与地球物理研究所白登海与加拿大GEONICS公司合作，于2003年开发成功的一种新的观测方法,该方法利用地面以下有限空间（如煤矿巷道、隧道等）对目标体进行近距离观测,从而提高了探测的可信度和分辨率。近年来被我国的煤矿、铁路隧道施工等行业广泛采用，取得了非常好的效果。特别是在我国煤矿水害预测方面获得了极大的成功。
     I、地下全空间瞬变电磁法（WSTEM）的探测原理
地下全空间瞬变电磁法的原理与地面半空间相似，仍然是利用发射框中的电流中断以后在空间导电介质中引发的二次涡流场来获得周围地层结构的信息。与地面TEM的区别在于二次场的扩散方式不同。地面TEM的二次场只向地面以下一个方向扩散，而WSTEM的二次场向上下（或前后）两个方向扩散，如下图所示。用接收机观测二次涡流场的变化，进而推测周围地层的电阻率分布。

地下全空间瞬变电磁法探测原理示意图

      II、地下全空间瞬变电磁法（WSTEM）的观测方式
      地下观测一般在巷道或隧道中进行，空间很小，不可能采用大框或大定源方式，只能采用小框，而且只能采用偶极方式。巷道中的偶极方式有两种：
      1. 共面方式：当观测沿巷道底板或侧帮进行时，应该用共面方式，即发射框和接收线圈处于同一个平面内。这种方式与地面的偶极方式类似，不同的是地下巷道观测必须采用特制专用发射电缆。后面将具体介绍。
      2. 共轴方式：当观测在巷道掘进头进行超前探测时，应该采用共轴方式。如右图所示，接收线圈位于掘进头的掌子面上，发射框位于掌子面后一定距离，观测时保持发射框所在平面与接收线圈所在平面平行，且轴线处于同一条直线上。
这种方式的问题是：掌子面一般只有几米宽，无法进行多点观测形成剖面。为解决这一问题，可以利用TEM方法定向性好的特点，采取改变角度的办法进行观测，如下图所示。这样，探测范围将是掌子面前方的一个扇形区。
      III、地下全空间瞬变电磁法（WSTEM）的观测仪器
      与地面不同，地下所用的仪器需要一些特殊的设计，设备的各个部件都必须严格密封，能够防水、防尘、防爆。主要部件以及设计上的考虑有以下几点：
      1. 发射线圈：地下巷道的空间很小，一般煤矿和隧道的巷道只能放置2米左右边长的发射框。显然，这样小的发射框如果采用单匝，要产生足够的一次场（只有产生足够的一次场，才能引发足够的二次场），发射电流就必须达到50安培以上，这显然是不可行的。因此，必须采用多匝线框。然而，多匝线圈存在严重的问题，如果阻容抗不匹配，多匝线圈的一次场会发生严重畸变，无法产生正常的二次场。所以，要取得理想的效果，就需要选择合适的电缆和发射框边长。为此，GEONICS公司专门研制了2m×2m×64匝和1.5m×1.5m×80匝的专用发射线圈。
       2. 接收线圈：接收线圈是地下探测的另一个关键，为了接收到足够强的信号，同样需要使用多匝线圈，而且其参数匹配比发射线圈更为严格和精确。GEONICS公司为满足地面的中心方式和大定源方式，特别研制了高频和低频接收线圈，其中的高频线圈特别适合地下探测，因而我们采用了该线圈。
       3. 发射机：巷道，特别是煤矿巷道中，发射机的发射电流既不能太小，也不能太大。如果发射电流太小，则信号太弱，难以达到期望的深度；如果电流太大，将存在安全隐患。另外，电流越大，关断时间就越长，信号的消耗就越大，分辨率越低，探测能力越差。所以，必须在信号强度、关断时间和安全之间寻找平衡。通过试验，发射电流一般在1-5安培之间比较合适。这样既可以保证信号强度，关断时间也不是太大（一般在80-200µs左右），安全也可得到保证。关断时间是TEM中的一个非常关键的参数，是衡量仪器性能的关键参数。关断时间越短，系统的性能越好。关断时间一般与发射机的性能、发射机与发射线圈的匹配以及探测环境有关。为了适合地下全空间探测，GEONICS公司在地面浅层探测仪器EM-47的基础上专门研制了EM-47HP，该发射机与特制的发射线圈匹配后，关断时间只与发射机和发射线圈的参数有关，而与探测环境无关，因而大大提高了该系统的适应能力。
       目前GEONICS公司的EM-47HP仪器是国际上唯一一款专门为巷道WSTEM探测设计的专业设备。