羊東礦運料道瞬變電磁探測中良導體干擾的處理

呂光朋

（冀中能源峰峰集團有限公司 羊東礦，河北 邯鄲 056200）

1 概 況

峰峰集團有限公司羊東礦06202（Ⅱ塊）工作面為2 號煤工作面，由于2 號煤回采受承壓水威脅，其底板主要的含水層有野青灰巖含水層、伏青灰巖含水層、大青灰巖含水層和奧陶系灰巖含水層。該礦采用瞬變電磁法對工作面底板進行含水性探查。運料道瞬變電磁探測現場條件為巷道金屬錨網支護；外幫3 粗4 細電纜距底板約2 m，里幫有皮帶、3 趟鐵管距底板約1.5 m，巷中鋪設軌道；在運料道布置測線長度220 m，設計角度為里幫底板方向多角度探測。

2 數據采集

此次探測采用PEOTEMCM型礦用巷道瞬變電磁探測儀，該設備具有小線框、大激發電流、關斷時間短、接收靈敏度高、抗工頻50 Hz 等優點。現場探測為了避免工頻干擾，采取停電措施；且工作面外圍100 m 范圍內也相應的采取了停電干擾，以上措施確保了電纜影響的最小化。由于探測方向為底板方向，因此底板軌道對探測影響是不可避免的。

由于軌道對瞬變電磁探測存在干擾，因此從接收的數據可以看出，接收信號的后端存在數據的離散現象，如圖1 所示。

圖1 06202（Ⅱ塊）工作面運料道瞬變電磁探測數據圖Fig.1 Transient electromagnetic detection data map in No.06202(block II)Face transport roadway

3 異常模擬與數據處理

以軌道這種良導體，討論低阻異常瞬變電磁響應特征，分析地阻情況下的電磁響應有何特征。現場發射線框大小為半徑1 m 的方線圈，電流為1.4 A 左右，線性關斷時間為小于1μs，觀測時窗為0.1～ 8 ms。發射與接收線圈耦合方式布置，再依次移動發射線圈和接收框，保證兩者在同一平面且方向統一，采用中心回線對各個測點的響應進行數值模擬。

當不考慮錨網支護、電纜等巷道內邊緣的低電阻物體對瞬變電磁探測的影響時，設計以鐵軌為低阻體的巷道模型，將激發接收點設置在巷道之中。在考慮到鐵軌等低阻的情況時，其對于瞬變電磁響應特征的影響，為實際數據處理時的數據校正提供支持。

考慮支護等低阻的模型（圖2），將模型中的背景電阻率設置為1 000 Ω·m，巷道中的電阻率設置為空氣的電阻率1×108Ω·m；鋼架、鐵軌等低阻干擾的電阻率能低至1×10-6Ω·m，但在模擬測試中無法完全模擬這些干擾的厚度，只能根據設置的干擾層厚度調整其電阻率，使得模擬的干擾與實際探測中的干擾近似，因此在此設置低阻層電阻為0.01 Ω·m 的鐵軌為低阻干擾體；低阻異常為10 Ω·m，低阻體異常的大小為1×20 m2。測點分布在巷道中心，每個測點的間距為10 m，觀測時窗選擇為0.005～10 ms。，每個測點的間距10 m，模型如圖2 所示。

圖2 低阻異常模型斷面Fig.2 Section of lowresistance abnormal model

圖3、圖4 為在高阻背景下低阻異常體的響應曲線，早期的響應幅值較為平緩且數據點較為集中，測點的前段響應幅值差距非常小，在收到良導體的干擾場疊加后，接收數據內包含了異常體的響應信息，響應曲線后端就開始出現比較明顯的分散變化。

圖3 測點低阻異常模型的響應曲線Fig.3 The response curve of lowresistance abnormal model of measuring point

從圖3 可以看出，低阻體響應的幅值比兩側明顯更高，這是由于探測角度避開了低阻體，使感應渦流相和背景趨于探測一致。而良導體所激發產生的二次場響應，圖中也更明顯的顯示出和周圍的高阻背景的差異，而對應的響應特征在隨測點位置變化的曲線圖上呈凸起狀。從圖4 可以看出，響應曲線的變化時間從1 ms 開始，響應曲線的發散特征顯現，特別是在正對異常體（軌道）時，所接收到響應變化最為強烈，即低阻異常中產生的渦流磁場，可在背景介質中傳播到達接收器。

4 異常校正

圖3、圖4 展示了有良導體干擾時的響應曲線，從兩者的對比可知，當存在良導體的干擾時，響應曲線無論是幅值還是相應特征都會產生較大的變化，會對這種干擾對瞬變電磁響應的具體影響，以及當存在干擾時觀測系統的調整會產生什么樣的影響進行模擬和分析，為觀測系統調整的可行性進行驗證，并針對良導體干擾下數據提出校正的方法，為實際數據的處理和解釋提供理論依據。

設置模型，調整干擾體的電阻率，對軌道響應進行模擬。將觀測時窗設定為實際使用的時窗，對應的各個觀測時間見表1。

表1 觀測時窗設置Table 1 Observation time windowsetting

設置模型中軌道電阻率設置為不同電阻率進行測試，以分析不同電阻率的干擾體對探測的影響。

當干擾體的電阻率變化時，各種情況下的響應曲線如圖5 所示，圖中顯示了無干擾時的響應曲線和干擾體電阻率逐漸下降情況下的響應曲線。可以直觀的看到，干擾體會直接屏蔽部分響應曲線中異常體的特征表象，并且使得特征表象出現位置相對后延。在隨著干擾體的電阻率的逐漸降低，其干擾影響逐漸增大。而當干擾體的電阻率繼續降低，達到低于0.01 Ω·m 時，模擬得到的響應曲線已經完全無法觀測。存在干擾時，早期響應曲線變化幅度小，曲線平穩。在干擾電阻率變化時，早期響應曲線幾乎沒什么變化。從模擬模型中可以分析出為什么在實際探測中，低阻或良導的干擾時普遍存在的情況下，早期信號基本沒有影響。

圖5 干擾體電阻率變化下的響應曲線Fig.5 The response curve under the change of the interference body resistivity

通過瞬變電磁場的擴散距離可以進行解釋，根據擴散距離的定義：

式中：μ 為磁導率；σ 為電導率；z 為局部電場在給定時間內所能達到的最大擴散距離。

低阻或良導干擾體的存在不僅會對實際探測中發射的一次場進行吸收衰減，當一次場到達異常體位置時其強度相比無干擾情況已經大幅衰減；在關斷發射電流后，異常體感應生成的二次場強度也因此降低，并且該二次場在返回過程中經過干擾層還會被再次吸收衰減。同時，由于干擾體的電阻率較低，感應電流在其中的衰減速度相對于在高阻介質中要慢得多，這也是早期響應曲線變化緩慢的原因，也導致了在接收二次場響應時，不僅會接收到目標探測區域的響應，還會存在干擾體中二次場的疊加影響，并且干擾體的二次場強度因為其低阻的特征而格外強大，使得異常體的響應疊加了干擾體二次場響應后的變化更加微弱，最終導致了異常體的響應特征被其屏蔽的現象。

采用一維反演迭代算法實現擬合誤差曲線，圖6 顯示了設置的層狀模型的反演結果。圖6（a）為最終反演出的模型產生的預測數據dpred與實際模型正演模擬出的數據dobs對比結果，從圖像上來看，預測數據和觀測數據幾乎完全擬合。圖6（b）是實際模型電導率和反演出來的電導率的對比圖，從結果來看，反演效果比較符合實際情況，較好的反映了電導率參數隨深度變化的情況，其整體變化趨勢與實際模型是符合的。從圖7 的擬合誤差曲線可以看出，擬合誤差曲線收斂地很快，在通過多次迭代時即滿足了數據擬合最小化，再根據正則化約束對反演結果進行加權調整模型結構，最終達到期望的反演結果，已達到修正效果。

圖6 層狀模型反演結果Fig.6 Layered model inversion results

圖7 層狀模型反演的擬合誤差曲線Fig.7 The fitting error curve of layered model inversion

5 探測效果對比

在此次軌道巷底板方向單角度的探測圖中，可以明顯的對比出原始探測圖（圖8）與軌道良導體校正后探測成果圖（圖9）中的差異，當巷道底板存在低電阻率的良導體軌道時，其探測成果中可以明顯的看出存在低電阻率的條帶狀，而進行校正后，其干擾異常明顯的消失。

圖8 未消除良導體干擾底板探測成果圖Fig.8 Detection result of uneliminated good conductor interference floor

圖9 校正后巷道底板探測成果圖Fig.9 Detection result of roadway floor after correction

6 結 語

巷道中分布的鐵軌、皮帶支架等良導體會對探測數據造成較強的干擾，在響應曲線上最直觀的表現就是早期的響應曲線較為平緩、衰減緩慢，且持續較長時間。若將存在干擾的數據直接進行反演，數據擬合的難度非常大，反演收斂的速度也非常緩慢，因此在對實際數據進行處理之前需要對其進行干擾的校正。首先模擬無干擾體存在的響應，再模擬存在干擾的響應，求取校正系數并將其應用到實際數據的校正中。校正后的數據在保存異常響應特征的同時，也基本消除了干擾對響應的影響，雖然異常體的響應特征被一定程度的削弱，但仍與原始數據具有較好的對應性。將校正方法應用到實際數據的反演處理中進行測試，得到的電阻率剖面中低阻異常體的位置與實際數據中的低阻響應特征具有較好的對應性，將其與實際工區中探明的異常區域進行對比進一步確認了反演結果的準確性，以及校正方法的可行性。對采用相同觀測系統的探測數據進行處理時相信能夠獲得更好的結果。