礦井瞬變電磁金屬干擾響應特征與校正方法

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

礦井瞬變電磁金屬干擾響應特征與校正方法

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

為了消除巷道內金屬干擾對礦井瞬變電磁探測的影響，以常見的鐵軌干擾源為例，采用井下實驗方法系統(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特征和影響規(guī)律，發(fā)現鐵軌的存在導致感應電動勢幅值增大，且不同情況的探測響應差異較大。通過計算有無干擾的歸一化感應電動勢比值得到各時間窗的校正系數，在其基礎上提出擬合函數校正法，并將其應用到某煤礦工作面頂板探測中。實際應用結果表明：基于擬合函數的校正方法能夠較好的剔除干擾異常，準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)的準確性。

礦井瞬變電磁；金屬干擾；響應特征；擬合函數；干擾校正

0 引 言

我國國民經濟的持續(xù)高速發(fā)展離不開能源和礦產資源的支撐，在未來較長一段時間內煤炭依然是我國能源結構中最重要的基礎能源[1]。隨著煤炭資源開采規(guī)模逐步擴大，開采深度逐漸加深，深部煤系地層賦存條件更為復雜，由于對工作面和煤層頂底板內存在的斷層、老空區(qū)、陷落柱、富水區(qū)、導水通道等構造狀況不明，導致礦井突水事故頻發(fā)，嚴重影響和制約著煤礦安全生產[2]。礦井瞬變電磁法能夠實現對工作面頂底板富水性構造和掘進迎頭超前探測富水區(qū)進行針對性探查，成為礦井水害探測優(yōu)先采用的物探方法。但井下巷道內存在掘進機、鐵軌、錨網、錨桿等金屬干擾，在不同程度上造成瞬變電磁信號的失真，因此分析干擾的作用特點，對存在金屬干擾的瞬變電磁數據進行校正，提取異常的有效信號，是準確定位含水體空間位置和分布范圍的關鍵[3]。目前對于礦井瞬變電磁金屬干擾的校正沒有比較成熟的方法，主要通過信號的接收以及后期的信號處理來解決。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方法，通過計算有無干擾條件下視電阻率比值得到校正系數，并提出了相應的校正方法；范濤等以衰減曲線斜率作為干擾判別機制，可以快速壓制干擾，恢復原始信號[7]；胡雄武等采用數值模擬和物理模擬對錨桿的感應場響應特征進行了分析，并獲得了相應的校正方法[8]；周璇等將井下巷道支護的金屬棚架等效為金屬薄層進行數值模擬，并計算不同厚度薄層的響應特征規(guī)律，得到校正參數對干擾數據進行校正[9]；孫懷鳳等討論了隧道瞬變電磁超前探測中強干擾源的響應規(guī)律，并根據疊加原理采用減除的方法進行了干擾校正[10]。本文以巷道內比較典型的金屬干擾源——鐵軌為例，對不同距離、方向和模式探測的全空間瞬變電磁響應特征進行分析，在校正系數的基礎上提出擬合函數校正法，并將該方法應用于實際工程探測資料的校正處理，以期提高應用實效。

1 礦井巷道內金屬干擾影響下的瞬變電磁響應特征

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、錨桿、掘進機等井下人文設施。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，分析干擾的響應特征和影響規(guī)律。

1.1 實驗方案設計

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，中間時間序列100個窗口采樣，32次疊加，設計巷道超前探測和工作面頂底板探測兩種方案進行實驗。

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2 m、0 m、鐵軌外2 m、4 m、6 m五個位置采集，實線箭頭表示每個位置的探測方向，分別為左側幫-45°、正前方0°和右側幫45°。

2)工作面頂底板探測模式(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位置進行探測，五個位置分別為探測線框右側邊距離鐵軌內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特征分析

根據既定實驗方案，在山東某礦巷道內進行了礦井瞬變電磁金屬干擾現場實驗，并獲得了有效的實驗數據。針對不同情況下干擾對感應電動勢影響，通過數據成圖對比分析干擾的響應特征。

圖3 巷道超前探測模式鐵軌外4 m距離不同角度感應電動勢衰減曲線對比圖

圖4 工作面頂底板探測模式不同距離感應電動勢測衰減曲線對比圖

圖2為巷道超前探測時線框位于鐵軌內2 m、0 m，鐵軌外2 m、4 m、6 m處不同方向的感應電動勢衰減曲線，圖3為超前探測模式下線框位于鐵軌外4 m處±45°和0°方向的感應電動勢衰減曲線，圖4為工作面頂底板探測時位于不同距離處的感應電動勢衰減曲線。從圖2和圖4可以看出，當探測線框位于鐵軌內時，測點的感應電動勢幅值明顯大于線框位于鐵軌外的三個測點，最大幅值高出兩個數量級，干擾響應強度與鐵軌外距離呈反相關關系，距離增大到一定程度后影響減弱，距離6 m時幾乎無影響；此外，當采用工作面頂底板探測模式時，鐵軌內與鐵軌外測點的感應電動勢幅值差距明顯要大于超前探測模式，說明工作面頂底板探測模式受干擾影響更大。從圖3可以看出±45°方向的感應電動勢幅值明顯大于0°方向，表明線框法線與鐵軌呈一定角度探測時耦合較好，信號受干擾影響更強。

2 金屬干擾校正方法

2.1 校正系數

由于金屬干擾信號與有效信號相互疊加，不能簡單地使用濾波、平滑等手段來壓制干擾，不僅無法實現干擾壓制和信噪分離，反而易造成有效信號失真，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；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；A0為校正后的歸一化感應電動勢；t為衰減時間。

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電動勢分別為A0和A1，令校正系數A=A1/A0，可根據A0=A1/A對含干擾的數據進行校正處理。

2.2 擬合函數校正法

根據井下實測數據對比分析，存在金屬干擾時瞬變電磁感應電動勢幅值變大，衰減變慢，A與時間t存在一定規(guī)律。選擇適當階數，經多項式擬合計算可獲得校正系數A的擬合函數pn(t)。式(1)引入擬合函數pn(t)后，得出式(2)。

ρτ=6.32×10-12β(STNT)2/3(SRNR)2/3

(2)

由式(2)，根據不同金屬干擾體(如掘進機、錨桿、錨網等)的校正擬合函數pn(t)和有干擾情況下的歸一化感應電動勢V1/I1，便可對有金屬體影響的測量數據進行校正，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探測的數據作為無干擾數據，采用最小二乘法計算鐵軌內2 m、0 m，鐵軌外2 m、4 m探測的多項式擬合函數pn(t)。

從圖5中可知，多項式擬合函數曲線同前文所分析的干擾影響規(guī)律相對應，干擾響應強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，實際探測中應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段數據，對早期和晚期數據影響較??；工作面頂底板探測模式中干擾響應強度隨著衰減延時而增大，使晚期數據產生畸變。

3 工程應用

采用式(2)擬合函數校正法對某礦工作面頂底板實測數據進行干擾校正，對比分析校正前后的視電阻率斷面圖，驗證校正方法的有效性。該工作面地質構造較為復雜，在巷道掘進過程中共揭露落差不一的斷層27條，對回采造成很大影響，且巷道底板鋪設有鐵軌，使探測的數據產生畸變。數據采集時使線框盡量處于巷道中間位置遠離兩側幫的錨網支護，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，保證實測資料的質量。以頂板90°方向探測為例，圖6為校正前的視電阻率斷面圖，工作面有效信號被干擾響應所覆蓋，顯示為整體低阻異常，無法辨別實際低阻異常。

圖5 鐵軌擬合函數曲線

圖7為經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，僅存在四處相對低阻區(qū)，頂板在此位置屬于二疊系砂巖層，為相對弱含水區(qū)。金屬干擾的響應得到剔除，校正后的視電阻率斷面圖可以反映巷道頂底板巖層的電性特征。經鉆探驗證，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 論

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

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受干擾更強，且干擾響應主要集中在中期30～50 ms內，早期和晚期數據受影響相對較??；工作面頂底板探測模式中干擾響應強度隨時間延遲而增大，使晚期數據產生嚴重畸變。

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

本文僅僅從受金屬干擾影響后的結果進行去干擾處理，沒有研究金屬干擾本身的瞬變電磁響應機制，且井下實際環(huán)境更為復雜，如何對同時存在多種干擾的資料進行校正處理還有待進一步探討。

[1] 薛國強，于景邨.瞬變電磁法在煤炭領域的研究與應用新進展[J].地球物理學進展，2017，32(1)：319-326.

[2] 張歡，彭劉亞.礦井瞬變電磁場井下人文噪聲干擾物理模擬[J].工程地球物理學報，2010，7(6)：679-683.

[3] 于景邨，劉樹才，王揚州.巷道內金屬體瞬變電磁響應特征及處理技術[J].煤炭學報，2008，33(12)：1403-1407.

[4] 王明明，劉志新，雷楓.鐵軌影響下煤層底板瞬變電磁探測技術應用[J].煤礦安全，2013，44(4)：162-164.

[5] 周嗣輝，于景邨，常江浩，等.錨網支護下礦井瞬變電磁響應特征及處理技術研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2014，41(3)：17-23.

[6] 張軍.礦井瞬變電磁超前探測干擾校正技術研究[J].物探化探計算技術，2017，39(1)：17-22.

[7] 范濤，安紹鵬，王秀臣，等.煤礦采空區(qū)探測中的瞬變電磁干擾壓制[J].物探與化探，2012，36(6)：1006-1009.

[8] 胡雄武，張平松，成樺，等.井下瞬變電磁法超前探測中錨桿干擾定量評價[J].巖石力學與工程學報，2013，32(S2)：3275-3282.

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[10] 孫懷鳳，李貅，盧緒山，等.隧道強干擾環(huán)境瞬變電磁響應規(guī)律與校正方法：以TBM為例[J].地球物理學報，2016，59(12)：4720-4732.

[11] 于景邨.礦井瞬變電磁法理論與應用技術研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學，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 責任編輯：宋菲

國家自然科學基金項目資助(編號：51574250)

周金(1991-)，男，重慶人，碩士研究生，研究方向為礦井瞬變電磁理論與應用研究，E-mail：zhoujin628@163.com。

P631

A

1004-4051(2017)08-0146-04