礦井瞬變電磁原始數(shù)據(jù)質(zhì)量提升措施研究

閆圓圓 王 文 張玉梁

（北京探創(chuàng)資源科技有限公司，北京 100067）

1 序論

為了保證礦井安全生產(chǎn)，在煤炭礦井勘探水害防治中，瞬變電磁法具有對低阻體反應(yīng)靈敏、分層性好、施工方式高效簡單、探測精度高等優(yōu)勢，但當(dāng)施工環(huán)境中存在金屬、其他水體等自然或人文低阻體干擾時，原始數(shù)據(jù)會因受到干擾而使探測效果大打折扣。為盡量提高原始數(shù)據(jù)質(zhì)量，文章將全面分析干擾因素和影響機制，從而提出降低干擾、提高數(shù)據(jù)質(zhì)量的措施。

2 技術(shù)原理

礦井瞬變電磁法遵循電磁感應(yīng)原理，工作機制是導(dǎo)電介質(zhì)在階躍變化的電磁場激發(fā)下而產(chǎn)生的渦流場效應(yīng)，也就是利用一個不接地的回線或磁偶極子向地下發(fā)射脈沖電磁波作為激發(fā)場源（即“一次場”），圍巖或探測目標(biāo)體在激發(fā)場的作用下，在內(nèi)部會產(chǎn)生感生渦流，實用專門儀器觀測這種渦流產(chǎn)生的電磁場（即“二次場”）的強弱、空間分布和時間變化特性，利用該二次場的信息數(shù)據(jù)分析得到相關(guān)的水文地質(zhì)信息。與地面瞬變電磁法不同的是，礦井中的激發(fā)場呈全空間分布，因此另外受到全空間效應(yīng)的干擾影響。

3 干擾因素及數(shù)據(jù)采集提升措施

從提供低阻干擾體的來源來看，主要包括地質(zhì)因素、人文干擾和其他因素等方面。

3.1 地質(zhì)因素的干擾

在理想狀態(tài)下，煤層本身及頂?shù)装鍘r層均為均一巖性，由此得出的視電阻率等值線為互相平行的曲線，反演得到含水的結(jié)構(gòu)體邊緣清晰。然而實際情況中，煤層和周圍的巖層均具有不均一性，煤的煤質(zhì)、礦化程度、厚度、結(jié)構(gòu)和夾矸等因素決定其視電阻率的變化范圍為101～102Ω·m，巖層的成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、裂隙發(fā)育等因素導(dǎo)致其視電阻率值也與其理論值有較大不同。為了降低這些自然因素的干擾，可在相同施工環(huán)境中選擇較為地質(zhì)條件簡單，煤層和頂?shù)装鍘r層較為穩(wěn)定的地段，均勻設(shè)置試驗點，剔除跳點選取平均值，以減小偶然地質(zhì)因素的干擾。

3.2 人文因素的干擾

在巷道中，人文干擾因素從成分上可以分為導(dǎo)體干擾和水體干擾兩種，其中水體包括：防爆水槽、水倉、沉淀池和局部淋積水等，瞬變電磁探測過程中，與探測距離相比，以上人工水體會呈點狀干擾電磁波的傳播，但又因其視電阻率與目標(biāo)水體相差較小，其影響結(jié)果通常為延長感應(yīng)電磁場傳播時間[1]，因而只需適當(dāng)延長觀測時間，便可得到較為準(zhǔn)確的探測結(jié)果。

導(dǎo)體干擾的種類就更為多樣，包括局部的綜掘機、工字鋼、錨桿支護等金屬和發(fā)電機等動力設(shè)備，整條巷道的電纜、導(dǎo)線、鐵軌、單軌吊車等和局部的水管、風(fēng)管等金屬，錨網(wǎng)等金屬。金屬的電阻率通常為10-2Ω·m，而目標(biāo)水體為0.1～50Ω·m，因而其人工導(dǎo)體的干擾作用不可忽視。從探測方式上，常規(guī)包括超前探測和工作面頂?shù)装逄綔y兩種。

3.2.1 超前探測

一般認(rèn)為瞬變電磁探測線框平面的法線方向即為瞬變探測方向。巷道迎頭做超前探測具體施工時，測點從巷道迎頭的一側(cè)開始，首先使發(fā)射、接收回線裝置的法線垂直巷道側(cè)面進行測量，然后旋轉(zhuǎn)回線裝置，使裝置的法線方向與巷道的側(cè)幫分別呈一定、逐漸增大的夾角進行探測；當(dāng)回線裝置的法線方向與巷道迎頭界面垂直時，根據(jù)其主迎頭斷面的寬度布置2～3 個測點；到巷道迎頭另一側(cè)時再同剛才一樣旋轉(zhuǎn)回線裝置，使回線裝置的法線方向完成180°的旋轉(zhuǎn)角度。同時還可以將回線裝置的法線方向分別向上和向下與水平面成大約45°角，然后在進行如上的旋轉(zhuǎn)探測。這樣就可以得到一個以巷道迎頭位置為中心的，向掘進方向的成半球體探測范圍，從而可以全方位的確定巷道前方及其周圍是否有低阻異常的存在（圖1）。

圖1 礦井瞬變電磁超前探測測點布置及探測范圍示意圖

在以上探測過程中，綜掘機、錨桿和錨網(wǎng)分別以點狀和面狀的形式構(gòu)成金屬干擾。

3.2.1.1 綜掘機會因全空間效應(yīng)，在迎頭正前方順層探測方向形成低阻干擾，在現(xiàn)場施工時，掘進機后退至迎頭后方20m 或更遠時，現(xiàn)場探測受到干擾較小，在后期數(shù)據(jù)處理時需結(jié)合頂?shù)装迤渌綔y角度的結(jié)果和地質(zhì)資料對其影響進行剔除。

3.2.1.2 錨桿錨網(wǎng)會對頂板探測形成一定程度干擾，前人研究表明，當(dāng)線框平行錨網(wǎng)時對測量結(jié)果影響很小，可以忽略不計[2]，但在實際生產(chǎn)時，數(shù)據(jù)量過少可能會丟失地質(zhì)信息，因此需找到錨網(wǎng)與線框的合適角度，在降低干擾的同時得到盡可能全面的信息。在保證簡便易行的前提下，經(jīng)過多次現(xiàn)場施工試驗后可知，在錨網(wǎng)和線框達到45°夾角時，能達到干擾較小和數(shù)據(jù)量多的平衡。

3.2.2 工作面頂?shù)装逄綔y

礦井瞬變電磁法在煤礦井下巷道內(nèi)進行，測點間距一般2～20m之間（常用10m）。將發(fā)射接收線框平面分別對準(zhǔn)煤層頂板、底板或平行煤層方向進行探測，就可反映煤層頂?shù)装鍘r層或平行煤層內(nèi)部的地質(zhì)異常。影響工作面頂?shù)装搴畼?gòu)造的導(dǎo)體干擾包括工字鋼、錨桿支護等金屬形成局部干擾，整條巷道的鐵軌、單軌吊車等和局部的水管、風(fēng)管等金屬，錨網(wǎng)等金屬等。

3.2.2.1 金屬管、工字鋼。根據(jù)前人研究及實際施工經(jīng)驗可知，水管、風(fēng)管等金屬體內(nèi)的電磁場分布是以管為中心的同心圓，以金屬管附近有場強最大值，隨距離向周圍逐漸衰減[3]，且為避免其因全空間效應(yīng)，對探測結(jié)果產(chǎn)生影響，因此當(dāng)探測工作面頂板時，應(yīng)將金屬管沿巷道放到內(nèi)幫底板正對位置的4m 以外，探測位置設(shè)置于外幫底板；當(dāng)探測工作面底板時，應(yīng)將金屬管沿巷道擺放到外幫底板，探測位置設(shè)置于內(nèi)幫底板正對位置4m以外，以將干擾降至最低。工字鋼無法移動且由于一般巷道高度為4m 左右，所以主要對巷道頂板探測具有干擾影響，當(dāng)探測位置位于附近2m 范圍內(nèi)無工字鋼時，其干擾作用可以忽略。

3.2.2.2 鐵軌、單軌吊車。鐵軌、單軌吊車等都是存在于整條巷道的干擾，通常情況下，鐵軌鋪設(shè)在巷道底板，主要對巷道底板影響較大；單軌吊車布置于巷道頂板，主要對巷道頂板影響較大。前人研究結(jié)果顯示，當(dāng)線框法線與鐵軌方向呈0°時信號受干擾影響最弱，夾角呈±45°時信號干擾最強；當(dāng)線框距鐵軌0m 時干擾影響最大，當(dāng)距離4m 以上時，鐵軌對數(shù)據(jù)采集的影響最小[4]。因此為保證數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，線框盡量位于巷道中心位置，當(dāng)存在單軌道車探測頂板異常時，線框盡量貼地；當(dāng)存在鐵軌探測底板異常時，線框盡量舉高，人為加大線框與鐵軌之間的距離，同時記錄好采集過程中線框與鐵軌之間的距離和夾角，以便后期進行干擾校正。

3.2.2.3 電纜及其他金屬導(dǎo)線。當(dāng)巷道中存在通電的電纜或其他金屬導(dǎo)線時，探測結(jié)果會受到嚴(yán)重干擾而在成果圖件中顯示大片的低阻區(qū)域范圍；而在其斷電情況下，對探測結(jié)果的影響較小[5]，可以等同于條狀金屬對其干擾影響，結(jié)合實際巷道情況，可以將探測位置盡量靠近對幫，使其間距大于1m，同時記錄好采集過程中線框與鐵軌之間的距離和夾角，以便后期進行干擾校正。

3.2.2.4 錨桿錨網(wǎng)。同超前探測施工方式時受到的干擾情況類似，錨桿錨網(wǎng)會對頂板探測形成一定程度干擾，當(dāng)探測頂板時，線框應(yīng)盡量靠近底板；探測順層時，根據(jù)線框平行錨網(wǎng)時對測量結(jié)果影響很小的原則，線框可放置于貼近工作面的位置，可獲得最大的數(shù)據(jù)量；在探測底板異常時，保證獲得最大數(shù)據(jù)量即可，但在數(shù)據(jù)處理時應(yīng)注意頂板錨網(wǎng)在全空間效應(yīng)下對底板的干擾影響。

4 數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測軟件

為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，現(xiàn)開發(fā)瞬變電磁法數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測帶檢測點集成分析軟件對單點數(shù)據(jù)和整體數(shù)據(jù)質(zhì)量進行把控。該軟件的主要用途是通過對采集到的瞬變電磁原始數(shù)據(jù)進行檢測，定位數(shù)據(jù)質(zhì)量不合格位置，對該位置的現(xiàn)場環(huán)境進行回顧或回訪以便綜合分析后排除人為干擾因素，并對排除后采集到的數(shù)據(jù)進行不斷檢測，直到達到合格標(biāo)準(zhǔn)，軟件使用流程見圖2。

圖2 數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測軟件使用流程

5 應(yīng)用案例

5.1 工作面示例

使用該軟件對內(nèi)蒙某煤礦回風(fēng)順槽數(shù)據(jù)進行檢測，對其原始數(shù)據(jù)質(zhì)量進行把控。該順槽共布置物理測點61 個，質(zhì)量監(jiān)測點12 個。

第一步，數(shù)據(jù)格式化，將sir 格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)閠xt 文件格式（圖3），后導(dǎo)入txt 格式數(shù)據(jù)自動定位檢測點位置，輸出文件名_1 和文件名_2 兩個文件，依次查看檢測點兩次探測的對比曲線（圖4）。

圖3 數(shù)據(jù)格式化界面

圖4 單點兩次探測曲線

第二步，按照《煤炭電法勘探規(guī)范》（MT/T 898-2000）分別計算單點均方相對誤差和全區(qū)均方相對誤差，導(dǎo)入文件名_1 和文件名_2 兩個文件，計算結(jié)果見圖5a，數(shù)據(jù)質(zhì)量不合格位置生成文件error.txt（圖5b），公式如下：

圖5 初始數(shù)據(jù)計算結(jié)果界面

（1）單點均方相對誤差

其中Vj（ti）、V'j（ti）分別表示第j 點第i 道的原始觀測和檢查觀測值，n 為參加計算的道數(shù)，Mj為單點的平均均方相對誤差。檢測單點均方相對誤差應(yīng)不超出復(fù)測允許的±15%的范圍。

（2）全區(qū)均方相對誤差

式中Vj（ti）、V'j（ti）分別表示第j 點第i 道的原始觀測和檢查觀測值，m為檢查點數(shù)，n 為參加計算的道數(shù)，M為總的平均均方相對誤差。對全部檢查點進行統(tǒng)計，檢測總均方相對誤差應(yīng)不超出復(fù)測允許的±15%的范圍，參與統(tǒng)計計算的受檢查點甩點率不超過總檢查點數(shù)的1%。

圖6 排除干擾后數(shù)據(jù)計算結(jié)果界面

第三步，依據(jù)計算結(jié)果error 文件中的數(shù)據(jù)和定位信息，對第2、5、6、9 測點處進行干擾排除，后重新計算見圖8，兩次結(jié)果在surfer 中對比見圖7，由圖中結(jié)果可知，排除干擾后減少了一處干擾低阻異常區(qū)。

圖7 工作面等值線斷面成果圖

5.2 超前探示例

又在內(nèi)蒙另一煤礦巷道迎頭超前探測時進行了數(shù)據(jù)檢測，對其原始數(shù)據(jù)質(zhì)量進行把控，兩次探測結(jié)果圖件見圖8。

圖8 超前探等值線斷面成果圖

依據(jù)計算該次結(jié)果error 文件中的數(shù)據(jù)和定位信息，對第右?guī)臀恢锰帨y點處進行干擾排除，移除施工現(xiàn)場的金屬水管，后重新計算，兩次結(jié)果在surfer 中對比見圖8，由圖中結(jié)果可知，排除干擾后減少了右?guī)透蓴_低阻異常區(qū)。

6 結(jié)論

6.1 在礦井瞬變電磁法施工時，會受到地質(zhì)因素、人文干擾和其他因素等不同來源的低阻干擾體干擾，使原始數(shù)據(jù)質(zhì)量有所下降，在最終成圖解釋時出現(xiàn)假異常。

6.2 迎頭超前探測和工作面探測的不同方式探測時，不同干擾體的影響方式不同。

6.3 自主開發(fā)的數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測軟件可以有效定位數(shù)據(jù)采集時受到人文干擾的位置，輔助排除現(xiàn)場干擾，減少最終成果中的假異常。