礦井瞬變電磁超前探測干擾校正技術研究

張 軍

(中煤科工集團 西安研究院有限公司，西安 710077)

礦井瞬變電磁超前探測干擾校正技術研究

張 軍

(中煤科工集團 西安研究院有限公司，西安 710077)

介紹了礦井瞬變電磁井下探測金屬體干擾因素,分析了干擾校正的技術方法,利用模型模擬計算在不同情況下礦井瞬變電磁的響應信號，運用礦井瞬變電磁干擾校正方法對有干擾的信號進行分析并校正，得到接近于無干擾情況下瞬變電磁響應數據，通過對實測數據的處理以及與現場驗證的的對比，證明了該校正方法的可靠性與有效性。

礦井； 瞬變電磁； 超前探測； 干擾； 校正

0 前言

近年來，頻繁發生的礦井透水、突水事故在很大程度上影響了企業的發展。因此，發展礦井物探新技術、新方法是提高其應用能力和應用效果的需要[1-5]。礦井瞬變電磁法巷道探查賦水體的分布范圍和空間位置得到了廣泛應用，取得了良好的地質效果[6-9]。

礦井瞬變電磁法勘探由于場的分布變化具有其自身的特殊性，要求資料處理與解釋方法符合煤礦巷道影響下空間瞬變電磁場的變化規律，需要提出新的瞬變電磁響應信息方法和技術[6-12]。

1 礦井瞬變電磁超前探巷道影響因素

礦井瞬變電磁場的分布變化規律受巷道影響與多種因素有關(如裝置形式、圍巖導電性以及發射源的位置等)，研究巷道干擾因素對于資料的處理解釋具有重要意義[6-15]。瞬變電磁場的感應電動勢與視電阻率具有不同的響應特征，巷道影響下的視電阻率值小于均勻半空間視電阻率值。巷道影響使實測的礦井瞬變電磁感應電動勢增大，使得探測視電阻率低于真實值[16-19]。中心回線的探測結果隨觀測時間的增加而增大，重疊回線的觀測結果受巷道影響較大[20-22]。

礦井瞬變電磁法探測巷道內的金屬體干擾，主要包括工字鋼支護、金屬錨網等金屬體。由于電磁場的感應，這些金屬體可能會產生一定的干擾感應信號，形成對探測結果影響較大的干擾源。因此，研究礦井巷道金屬干擾體對瞬變電磁場分布規律的影響，具有一定的意義[23-28]。

2 數值校正方法

數字濾波方法在瞬變電磁資料處理中得到應用，如多次三點濾波、卡爾曼濾波、小波濾波、希爾伯特黃濾波等，在數據處理過程中能大大提高處理數據的質量和效率，因此各種濾波方法也應用與礦井瞬變電磁數據處理中，并且取得了較好的效果。對于金屬干擾環境下礦井瞬變電磁數據，必須根據實際探測環境進行分析校正。

2.1 小波變換處理技術

瞬變電磁原始數據的圓滑預處理，使用進行后期校正，這樣由于一些復雜的人為因素，使瞬變電磁原始數據在數據處理中可能出現更大的誤差，產生多解性問題。在這種情況下，數據處理工作者關心的瞬變電磁原始數據的圓滑質量得不到較好的效果，因此，需要研究突出異常的解決辦法。為了解決上述技術中的不足之處，提供一種瞬變電磁數據小波變換進行數據圓滑的方法，能夠消除在瞬變電磁原始數據圓滑中存在人為因素的影響。為實現上述目的，采用小波變換的預處理方法。

該方法首先通過在原始數據某個點的數值，計算出曲線在其他點處的近似值。具體方法是對瞬變電磁原始數據進行線性插值。插值方法為對數據沿X、Y方向按網絡插值法插值，插值后得到X、Y方向上需要進行計算的若干條測線數據。

對插值后的數據進行小波基分解，分解后得到該數據的雙對數坐標下的曲線值。方法為沿某一選擇方向對第i條測線數據采用小波基進行分解，分解方法為：

(1)

其中：ψ(t)為分解后結果；t為時間。

計算經過小波基分解后的數據兩點之間的斜率。在雙對數坐標中，首先通過式(2)計算出統計斜率的方差值。

(2)

其中：k為斜率；U為每個測點衰減電壓值；t為時間，計算衰減曲線在每個測點不同測道的斜率,從而計算出各點斜率的平均值：

(3)

其中：xi為斜率值；n為需要計算的斜率的個數；計算出各點斜率的方差：

(4)

其中：s2為方差值；xi為斜率值；n為需要計算的斜率的個數。

根據斜率方差值，判斷是否進行數據圓滑。判斷各點方差是否超限，要求方差值為≤5的數值，如果方差值為>5的數值則為超限，此時更換測點進行計算，以此作為圓滑的標準。如果不超限則進行數據圓滑。

根據圓滑標準，使用校正系數圓滑數據。數據圓滑方法為：當前時間道時間與前一道時間差值平方的倒數的數值定義校正系數r1；當前時間道時間與后一道時間差值平方的倒數的數值定義校正系數r2，通過這兩個系數與它們和的比值來調節圓滑。

本方法與現有技術相比具有如下優點：①通過用小波變換方法計算瞬變電磁原始數據；②利用小波計算對數據進行圓滑，達到消除人為因素的影響，突出數據原有基本特征的目的。

2.2 探測裝置電感影響校正

根據礦井瞬變電磁理論及數值計算方法，計算的新感應電動勢為[7-10]式(5)

(5)

2.3 礦井瞬變電磁數值校正

地面半空間瞬變電磁視電阻率公式為：

ρs= 6.32×10-12×(S×N×s×n)2/3×

(V/I)2/3×t-5/3

(6)

其中：s為接受回線面積；S為單匝發射回線的面積；n為接收線圈匝數；N為發射回線匝數；t為感應電位衰減時間；V/I為歸一化感應電位。假設巷道內無金屬體影響和有金屬體影響下的感應電位分別為V0和V1，視電阻率分別為ρ0和ρ1，則：

(7)

其中：α為校正系數。

根據井下實際測量結果就可以得到α，地面半空間瞬變電磁響應數值與井下瞬變電磁響應值的差異，主要是感應電壓與電流的比值，利用這個結論可以得到相應時間窗口的校正系數，然后對有金屬體影響的數據進行校正，得到的數據解釋結果更為準確、可靠。

3 數值模擬計算

基于Maxwell方程組和有限差分原理，根據有限差分方程對巷道金屬錨網和工字鋼棚護影響下的瞬變電磁場進行模擬，繪制干擾影響下不同時刻全空間瞬變電磁響應曲線，對金屬錨網和工字鋼棚護的影響進行分析。在金屬錨網影響下測到的感應電動勢值衰減相對較慢，同一時刻感應電動勢相對較高。錨網干擾影響下的試驗設計如圖1所示。設計巷道高為3 m，寬為4 m，側幫和頂板是錨網支護，模型條件適合實驗要求。共設置兩種測量方式，一條為有錨網干擾成果曲線，一條為沒有錨網干擾成果曲線，分別對兩個模型進行數據采集與處理。巷道錨網計算模型如圖1所示，數值模擬曲線成果圖如圖2所示。

圖1 巷道錨網計算模型Fig.1 Calculation model of tunnel anchor net

圖2 數值模擬曲線成果圖Fig.2 Results of numerical simulation curve

由圖2可以看到，在錨網處即1號點所測感應電位值在同一時間窗口處是2號測點的幾倍、十幾倍甚至幾十倍。這種影響主要集中曲線衰減的中后期，所以認為錨網對數據的影響主要集中在中期和后期。模型實驗表明，金屬錨網影響下可以探測到異常反應，但總體結果受錨網影響很大。對所測的兩個點的感應電位，抽取51道至70道的時間窗口的感應電位值進行比較(總道數為100道)，結果如表1所示。

從表1可以看出，在同一個時間窗口，早期數據相差較小，而中期、晚期數據相差較大。給出校正系數對數據進行校正，得到校正以后的視電阻率結果，這樣得出的結果就更加接近實際地下地質信息。

表1 衰減電壓數據Tab. 1 Voltage decay data

通過對不同時間段取校正系數進行擬合，得出錨網影響下校正前、后視電阻率曲線圖4，因此可以得出結論，該校正方法在對于連續性支護情況下進行校正是可行的，同時通過該方法還可以為局部含金屬體干擾情況下數據進行處理。

圖3 校正后衰減電壓曲線Fig.3 Corrected attenuation voltage curve

圖4 視電阻率對比成果圖Fig.4 Apparent resistivity contrast

4 實測數據分析

由圖5、圖6可以看出，通過校正系數對礦井瞬變電磁超前探測進行校正的對比結果，在原始探測數據中，側幫由于有錨網等支護，導致側幫錨網對探測結果影響較大，巷道空間的存在，使瞬變電磁場感應電動勢值增大。巷道圍巖導電性越強，巷道及其邊界對瞬變電磁場的影響越大，得到的成果比真實地層視電阻率值低。通過圖6可以看出，數據校正后極大地減小了側幫干擾對探測成果的影響，校正后探測成果與實際掘進及鉆探驗證結果一致，充分說明了校正方法的有效性與可靠性。但由于該方法剛剛進入研究階段，因此其校正效果還有待于進一步提高，更好地為生產服務。

圖5 原始探測成果圖Fig.5 Original detection results chart

圖6 校正后探測成果圖Fig.6 Corrected after the detection results chart

5 結論

巷道內金屬體影響對于礦井瞬變電磁法的數據處理解釋帶來很大影響。金屬體所造成的干擾，如不進行校正或者分離去除，往往嚴重影響計算結果，使得探測數據失去應用價值。根據數值模擬、井下試驗及實例驗證情況，對井下金屬體干擾情況下施工及探測數據的資料解釋提出可行性措施。對于工作面內探測過程應盡量避開金屬體，做好記錄，對于工字鋼、錨網等選擇合適的背景場進行校正，對于連續金屬支護下瞬變電磁探測，金屬體在很大程度上影響了勘探深度的正確性，應結合已知地層情況對勘探深度進行校正。

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Research on the influence of the mine transient electromagnetic advanced detection tunne

ZHANG Jun

(Xi'an Research Institute of China Coal Technology and Engineering Group Corp，Xi'an 710077，China)

The mine transient electromagnetic detection of underground metal body interference factor analysis method, interference correction, using the model simulation of mine transient electromagnetic response signals in different situations.Electromagnetic interference with mine transient correction method to analyze signal interference and correction, get close to no interference under the condition of transient the electromagnetic response data, by processing the measured data and verify the contrast with the scene, to prove the reliability and validity of this calibration method.

mine; transient electromagnetic; advanced detection; interference; correction

2016-01-26 改回日期：2016-03-26

國家自然科學基金項目(40774066)

張軍(1981-)，男，碩士 助理研究員，主要研究方向為電磁探測，E-mail:zjun0119@126.com。

1001-1749(2017)01-0017-06

P 631.2

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.01.03