周 金，程久龍，溫來福(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083)

礦井瞬變電磁金屬干擾響應(yīng)特征與校正方法

周 金，程久龍，溫來福
(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083)

為了消除巷道內(nèi)金屬干擾對(duì)礦井瞬變電磁探測的影響，以常見的鐵軌干擾源為例，采用井下實(shí)驗(yàn)方法系統(tǒng)分析了鐵軌影響下不同距離、不同方向和不同探測模式等情況的瞬變電磁響應(yīng)特征和影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)鐵軌的存在導(dǎo)致感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值增大，且不同情況的探測響應(yīng)差異較大。通過計(jì)算有無干擾的歸一化感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)比值得到各時(shí)間窗的校正系數(shù)，在其基礎(chǔ)上提出擬合函數(shù)校正法，并將其應(yīng)用到某煤礦工作面頂板探測中。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明：基于擬合函數(shù)的校正方法能夠較好的剔除干擾異常，準(zhǔn)確反映煤層頂板含水異常區(qū)的范圍和賦水程度，明顯提高金屬干擾下礦井瞬變電磁探測含水異常區(qū)的準(zhǔn)確性。

礦井瞬變電磁；金屬干擾；響應(yīng)特征；擬合函數(shù)；干擾校正

0 引 言

我國國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展離不開能源和礦產(chǎn)資源的支撐，在未來較長一段時(shí)間內(nèi)煤炭依然是我國能源結(jié)構(gòu)中最重要的基礎(chǔ)能源[1]。隨著煤炭資源開采規(guī)模逐步擴(kuò)大，開采深度逐漸加深，深部煤系地層賦存條件更為復(fù)雜，由于對(duì)工作面和煤層頂?shù)装鍍?nèi)存在的斷層、老空區(qū)、陷落柱、富水區(qū)、導(dǎo)水通道等構(gòu)造狀況不明，導(dǎo)致礦井突水事故頻發(fā)，嚴(yán)重影響和制約著煤礦安全生產(chǎn)[2]。礦井瞬變電磁法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工作面頂?shù)装甯凰詷?gòu)造和掘進(jìn)迎頭超前探測富水區(qū)進(jìn)行針對(duì)性探查，成為礦井水害探測優(yōu)先采用的物探方法。但井下巷道內(nèi)存在掘進(jìn)機(jī)、鐵軌、錨網(wǎng)、錨桿等金屬干擾，在不同程度上造成瞬變電磁信號(hào)的失真，因此分析干擾的作用特點(diǎn)，對(duì)存在金屬干擾的瞬變電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，提取異常的有效信號(hào)，是準(zhǔn)確定位含水體空間位置和分布范圍的關(guān)鍵[3]。目前對(duì)于礦井瞬變電磁金屬干擾的校正沒有比較成熟的方法，主要通過信號(hào)的接收以及后期的信號(hào)處理來解決。于景邨等[3]、王明明等[4]、周嗣輝等[5]、張軍[6]采用物理模擬和井下試驗(yàn)方法，通過計(jì)算有無干擾條件下視電阻率比值得到校正系數(shù)，并提出了相應(yīng)的校正方法；范濤等以衰減曲線斜率作為干擾判別機(jī)制，可以快速壓制干擾，恢復(fù)原始信號(hào)[7]；胡雄武等采用數(shù)值模擬和物理模擬對(duì)錨桿的感應(yīng)場響應(yīng)特征進(jìn)行了分析，并獲得了相應(yīng)的校正方法[8]；周璇等將井下巷道支護(hù)的金屬棚架等效為金屬薄層進(jìn)行數(shù)值模擬，并計(jì)算不同厚度薄層的響應(yīng)特征規(guī)律，得到校正參數(shù)對(duì)干擾數(shù)據(jù)進(jìn)行校正[9]；孫懷鳳等討論了隧道瞬變電磁超前探測中強(qiáng)干擾源的響應(yīng)規(guī)律，并根據(jù)疊加原理采用減除的方法進(jìn)行了干擾校正[10]。本文以巷道內(nèi)比較典型的金屬干擾源——鐵軌為例，對(duì)不同距離、方向和模式探測的全空間瞬變電磁響應(yīng)特征進(jìn)行分析，在校正系數(shù)的基礎(chǔ)上提出擬合函數(shù)校正法，并將該方法應(yīng)用于實(shí)際工程探測資料的校正處理，以期提高應(yīng)用實(shí)效。

1 礦井巷道內(nèi)金屬干擾影響下的瞬變電磁響應(yīng)特征

礦井瞬變電磁測量中的干擾因素較多，最為典型的是鐵軌、錨網(wǎng)、錨桿、掘進(jìn)機(jī)等井下人文設(shè)施。其中鐵軌在礦井瞬變電磁法探測中屬于線性低阻體，在巷道中延伸較長，具有連續(xù)性，因此分別測量與鐵軌不同距離、不同方向以及不同探測模式等情況下瞬變電磁響應(yīng)，分析干擾的響應(yīng)特征和影響規(guī)律。

1.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

受巷道空間的限制，采用邊長2 m的線框作為收發(fā)裝置，重疊回線裝置測量，中間時(shí)間序列100個(gè)窗口采樣，32次疊加，設(shè)計(jì)巷道超前探測和工作面頂?shù)装逄綔y兩種方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1)巷道超前探測模式(探測線框不與鐵軌接觸)。如圖1(a)所示，圖中虛線表示探測線框位置，分別在距鐵軌內(nèi)2 m、0 m、鐵軌外2 m、4 m、6 m五個(gè)位置采集，實(shí)線箭頭表示每個(gè)位置的探測方向，分別為左側(cè)幫-45°、正前方0°和右側(cè)幫45°。

2)工作面頂?shù)装逄綔y模式(探測線框不與鐵軌接觸)。如圖1(b)所示，圖中虛線表示探測線框及其所在位置，分別在①、②、③、④、⑤位置進(jìn)行探測，五個(gè)位置分別為探測線框右側(cè)邊距離鐵軌內(nèi)2 m、0 m，鐵軌外2 m、4 m、6 m。

圖1 不同探測模式示意圖

1.2 金屬干擾影響下響應(yīng)特征分析

根據(jù)既定實(shí)驗(yàn)方案，在山東某礦巷道內(nèi)進(jìn)行了礦井瞬變電磁金屬干擾現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，并獲得了有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。針對(duì)不同情況下干擾對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)影響，通過數(shù)據(jù)成圖對(duì)比分析干擾的響應(yīng)特征。

圖3 巷道超前探測模式鐵軌外4 m距離不同角度感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)衰減曲線對(duì)比圖

圖4 工作面頂?shù)装逄綔y模式不同距離感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)測衰減曲線對(duì)比圖

圖2為巷道超前探測時(shí)線框位于鐵軌內(nèi)2 m、0 m，鐵軌外2 m、4 m、6 m處不同方向的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)衰減曲線，圖3為超前探測模式下線框位于鐵軌外4 m處±45°和0°方向的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)衰減曲線，圖4為工作面頂?shù)装逄綔y時(shí)位于不同距離處的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)衰減曲線。從圖2和圖4可以看出，當(dāng)探測線框位于鐵軌內(nèi)時(shí)，測點(diǎn)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值明顯大于線框位于鐵軌外的三個(gè)測點(diǎn)，最大幅值高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)，干擾響應(yīng)強(qiáng)度與鐵軌外距離呈反相關(guān)關(guān)系，距離增大到一定程度后影響減弱，距離6 m時(shí)幾乎無影響；此外，當(dāng)采用工作面頂?shù)装逄綔y模式時(shí)，鐵軌內(nèi)與鐵軌外測點(diǎn)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值差距明顯要大于超前探測模式，說明工作面頂?shù)装逄綔y模式受干擾影響更大。從圖3可以看出±45°方向的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值明顯大于0°方向，表明線框法線與鐵軌呈一定角度探測時(shí)耦合較好，信號(hào)受干擾影響更強(qiáng)。

2 金屬干擾校正方法

2.1 校正系數(shù)

由于金屬干擾信號(hào)與有效信號(hào)相互疊加，不能簡單地使用濾波、平滑等手段來壓制干擾，不僅無法實(shí)現(xiàn)干擾壓制和信噪分離，反而易造成有效信號(hào)失真，因此選擇合適的干擾校正方法是能否有效提高信噪比的關(guān)鍵。

礦井瞬變電磁法視電阻率公式，見式(1)[11]。

(1)

式中：β為比例系數(shù)；ST、SR是發(fā)射和接收線框面積；NT、NR為發(fā)射和接收線框匝數(shù)；A0為校正后的歸一化感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；t為衰減時(shí)間。

在井下巷道工作裝置和測量條件相同的情況下，沒有金屬體干擾和有金屬體干擾的歸一化感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分別為A0和A1，令校正系數(shù)A=A1/A0，可根據(jù)A0=A1/A對(duì)含干擾的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正處理。

2.2 擬合函數(shù)校正法

根據(jù)井下實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)比分析，存在金屬干擾時(shí)瞬變電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值變大，衰減變慢，A與時(shí)間t存在一定規(guī)律。選擇適當(dāng)階數(shù)，經(jīng)多項(xiàng)式擬合計(jì)算可獲得校正系數(shù)A的擬合函數(shù)pn(t)。式(1)引入擬合函數(shù)pn(t)后，得出式(2)。

ρτ=6.32×10-12β(STNT)2/3(SRNR)2/3

(2)

由式(2)，根據(jù)不同金屬干擾體(如掘進(jìn)機(jī)、錨桿、錨網(wǎng)等)的校正擬合函數(shù)pn(t)和有干擾情況下的歸一化感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)V1/I1，便可對(duì)有金屬體影響的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，夠保證在不失真的條件下去除干擾因素，具有較高的可靠性。

以距離鐵軌6 m探測的數(shù)據(jù)作為無干擾數(shù)據(jù)，采用最小二乘法計(jì)算鐵軌內(nèi)2 m、0 m，鐵軌外2 m、4 m探測的多項(xiàng)式擬合函數(shù)pn(t)。

從圖5中可知，多項(xiàng)式擬合函數(shù)曲線同前文所分析的干擾影響規(guī)律相對(duì)應(yīng)，干擾響應(yīng)強(qiáng)度隨著線框與鐵軌距離的增大而減小，到一定距離(4 m)后影響較弱，實(shí)際探測中應(yīng)盡量使線框與鐵軌的距離大于4 m，降低干擾影響。巷道超前探測模式中干擾主要影響衰減的中期30～50 ms段數(shù)據(jù)，對(duì)早期和晚期數(shù)據(jù)影響較??；工作面頂?shù)装逄綔y模式中干擾響應(yīng)強(qiáng)度隨著衰減延時(shí)而增大，使晚期數(shù)據(jù)產(chǎn)生畸變。

3 工程應(yīng)用

采用式(2)擬合函數(shù)校正法對(duì)某礦工作面頂?shù)装鍖?shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行干擾校正，對(duì)比分析校正前后的視電阻率斷面圖，驗(yàn)證校正方法的有效性。該工作面地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，在巷道掘進(jìn)過程中共揭露落差不一的斷層27條，對(duì)回采造成很大影響，且巷道底板鋪設(shè)有鐵軌，使探測的數(shù)據(jù)產(chǎn)生畸變。數(shù)據(jù)采集時(shí)使線框盡量處于巷道中間位置遠(yuǎn)離兩側(cè)幫的錨網(wǎng)支護(hù)，記錄資料采集過程中線框與鐵軌的距離和角度，以及其他干擾情況，保證實(shí)測資料的質(zhì)量。以頂板90°方向探測為例，圖6為校正前的視電阻率斷面圖，工作面有效信號(hào)被干擾響應(yīng)所覆蓋，顯示為整體低阻異常，無法辨別實(shí)際低阻異常。

圖5 鐵軌擬合函數(shù)曲線

圖7為經(jīng)過校正之后的視電阻率斷面圖，圖中頂板位置整體視電阻率較高，僅存在四處相對(duì)低阻區(qū)，頂板在此位置屬于二疊系砂巖層，為相對(duì)弱含水區(qū)。金屬干擾的響應(yīng)得到剔除，校正后的視電阻率斷面圖可以反映巷道頂?shù)装鍘r層的電性特征。經(jīng)鉆探驗(yàn)證，僅在3#和4#異常區(qū)的鉆孔有少量出水，其他鉆孔位置基本無水，取得了良好的探測效果。

4 結(jié) 論

1)金屬體的存在導(dǎo)致瞬變電磁響應(yīng)幅值增大，影響程度隨距離的增大而減弱，在達(dá)到一定距離后影響不明顯，能夠反應(yīng)真實(shí)地層的瞬變電磁響應(yīng)特征。

圖6 工作面頂板礦井瞬變電磁視電阻率斷面圖(校正前)

圖7 工作面頂板礦井瞬變電磁視電阻率斷面圖(校正后)

2)不同探測模式下金屬干擾影響差別較大，巷道超前探測模式中線框法線與巷道走向呈一定角度探測時(shí)受干擾更強(qiáng)，且干擾響應(yīng)主要集中在中期30～50 ms內(nèi)，早期和晚期數(shù)據(jù)受影響相對(duì)較??；工作面頂?shù)装逄綔y模式中干擾響應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間延遲而增大，使晚期數(shù)據(jù)產(chǎn)生嚴(yán)重畸變。

3)采用擬合函數(shù)校正法能夠在不失真的條件下剔除金屬體干擾響應(yīng)，較準(zhǔn)確地還原地層的真實(shí)電性特征，提高了金屬干擾下礦井瞬變電磁探測含水異常體的準(zhǔn)確性。

本文僅僅從受金屬干擾影響后的結(jié)果進(jìn)行去干擾處理，沒有研究金屬干擾本身的瞬變電磁響應(yīng)機(jī)制，且井下實(shí)際環(huán)境更為復(fù)雜，如何對(duì)同時(shí)存在多種干擾的資料進(jìn)行校正處理還有待進(jìn)一步探討。

[1] 薛國強(qiáng)，于景邨.瞬變電磁法在煤炭領(lǐng)域的研究與應(yīng)用新進(jìn)展[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2017，32(1)：319-326.

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[11] 于景邨.礦井瞬變電磁法理論與應(yīng)用技術(shù)研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2001.

Response characteristics of metallic facilities and correction method on mine transient electromagnetic surveying

ZHOU Jin，CHENG Jiulong，WEN Laifu
(College of Geoscience and Surveying Engineering，China University of Mining and Technology (Beijing)，Beijing 100083，China)

In order to eliminate the effect of metal facilities in the roadway on mine transient electromagnetic surveying，take trail interference sources for example，the transient electromagnetic response characteristics were analyzed by method of field experiment，with different distance，direction and modes between the wire-frame and tracks.It showed that the induction electromotive force amplitude increased under the influence of the tracks，and there was great difference of the response characteristics obtained in different condition.By calculating the induction electromotive force ratio of different time windows in interference and non-interference environment，the correction method of fitting function was proposed，and was used to correct the disturbed data of practical engineering.The results show that the fitting function correcting method can remove the abnormal interference in disturbed data，and better reflect the feature of abnormalities in coal seam roof，improving the detection accuracy of water anomaly by method of mine transient electromagnetic survey.

mine transient electromagnetic method；effect of metallic facilities；response characteristics；fitting function；correction method

2017-03-05 責(zé)任編輯：宋菲

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：51574250)

周金(1991-)，男，重慶人，碩士研究生，研究方向?yàn)榈V井瞬變電磁理論與應(yīng)用研究，E-mail：zhoujin628@163.com。

P631

A

1004-4051(2017)08-0146-04