瞬變電磁探測準確性影響因素分析與提升措施研究

張紅鳥

（潞安化工集團常村煤礦，山西 長治 046102）

引言

煤礦五大自然災害即煤塵、水、火、瓦斯和頂板，其中水害突水事故的發(fā)生會導致礦井損失嚴重，在巷道掘進作業(yè)期間尤為明顯，由于無法準確得知待掘區(qū)域地質狀況，含水地質構造、異常富水區(qū)等均有可能出現(xiàn)在掘進工作面前方，是掘進作業(yè)中的安全隱患。瞬變電磁超前探水法，由于其操作簡便、響應速度快、覆蓋面廣等優(yōu)勢應用較為普遍。但常村煤礦通過瞬變電磁超前探水法測得的井下探測數(shù)據(jù)準確性差可靠性低，導致超前探水的工作效率低下，甚至嚴重影響礦井安全生產。

1 可靠性影響因素分析

1.1 現(xiàn)狀調查

當前，常村煤礦探放水隊共有5 個探測小組，其中固定探測小組4 個、臨時探測小組1 個，綜合分析其近3 個月的探測數(shù)據(jù)可知，準確率最高、最低和平均值分別為90.60%、61.11%和75.2%。深入研究分析探測過程中存在的問題，由表1 可知，瞬變電磁探測過程中存在的問題主要為瞬變電磁響應曲線波動異常。

表1 振動數(shù)據(jù)時域統(tǒng)計 m2/s3

作為煤礦煤塵、水、火、瓦斯和頂板五大自然災害之一，其中水害突水事故的發(fā)生會導致礦井損失嚴重，在巷道掘進作業(yè)期間尤為明顯，由于無法準確得知待掘區(qū)域地質狀況，含水地質構造、異常富水區(qū)等均有可能出現(xiàn)在掘進工作面前方，是掘進作業(yè)中的安全隱患。瞬變電磁超前探水法，由于其操作簡便、響應速度快、覆蓋面廣等優(yōu)勢應用較為普遍。但常村煤礦通過瞬變電磁超前探水法測得的井下探測數(shù)據(jù)準確性差可靠性低，導致超前探水的工作效率低下，甚至嚴重影響礦井安全生產[1]。

1.2 原因分析

采用頭腦風暴法，對探測中存在的瞬變電磁響應曲線波動異常現(xiàn)象進行分析，綜合多種可能存在的原因進行分析，如圖1 所示，為原因分析因果圖。從圖1 中可知，影響瞬變電磁探測中測量數(shù)據(jù)準確率的最終因素，在測量中迎頭錨桿、錨網、鐵軌等干擾因素不可避免，可忽略。因此，測量人員操作不規(guī)范、專業(yè)素質不高、儀器測量誤差、未重復測量進行控制、測點位置不對、背景電磁噪聲干擾（停電）、金屬干擾和積水干擾等8 項為其主要影響因素。

圖1 原因分析因果圖

1.3 要因確認

1.3.1 人員專業(yè)技術問題

探放水隊測量人員在日常探測工作中，未熟練掌握瞬變電磁探測原理，專業(yè)技術水平低，儀器操作不規(guī)范不熟練。因此，抽查全部測量人員的知識培訓筆記和考試試卷，其中筆記抽查16 人，僅有2 人合格，合格率為12.5%；試卷考試抽查16 人，有6 人合格，合格率為37.5%；現(xiàn)場模擬操作從中抽查5 人，僅2 人合格，合格率為40%；以上抽查的三項合格率均較低。此外，依據(jù)培訓是否合格，統(tǒng)計小組5 名操作人員近三個月內測量數(shù)據(jù)的可靠率。如表2 所示，培訓合格小組測量數(shù)據(jù)的可靠率明顯比不合格小組要高，表明操作人員專業(yè)技術水平的高低是影響探測合格率的主要因素。

表2 三個月內不同培訓情況的小組測量數(shù)據(jù)可靠率

1.3.2 現(xiàn)場操作問題

經現(xiàn)場調研了解到，大部分操作人員均未高度重視探放水工作，未嚴格根據(jù)瞬變電磁儀器操作規(guī)范進行操作，這與隊組未嚴格按照相關的管理制度執(zhí)行有關，從而造成操作人員安全責任意識較弱，現(xiàn)場操作不規(guī)范，導致探測可靠率較低。

1.3.3 儀器測量誤差問題

電子探測儀器在使用過程中需要定期進行校準，這是由于其使用時間長后會有相應的磨損發(fā)生，故測量參數(shù)會產生些許偏差，累計的多次偏差則引起數(shù)據(jù)差錯。當前，對于現(xiàn)有的兩臺本安型便攜式探水CT 儀YTS25，探放水隊每周檢查及維護保養(yǎng)一次，以保證儀器始終處于安全可靠狀況。故儀器測量誤差不是影響瞬變電磁可靠率的主要因素[2]。

1.3.4 是否進行重復測量控制

由于重復測量控制可以互相校驗，以確保測量數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。統(tǒng)計近三個月內瞬變電磁測量的工程點數(shù)量，總測量點數(shù)457 個，其中重復測量點數(shù)和未重復測量點數(shù)分別為145 個、312 個。未重復測量點數(shù)和重復測量點數(shù)中的可靠點數(shù)分別為204 個、140 個，可靠率分別為65.38%、96.55%。可看出，重復測量后可靠率明顯提高，但近三個月內進行重復測量的比例較低，僅為31.73%，故其為主要影響因素。

1.3.5 測點位置問題

在采用瞬變電磁探放水技術進行現(xiàn)場探測時，明確規(guī)定了測點位置，要精準找到測點位置進行測量，及時反饋測點偏移問題，并在分析數(shù)據(jù)時進行更正，以免引起測量誤差，使測量可靠性下降。統(tǒng)計近三個月內，井下瞬變電磁探測記錄和北斗精準人員定位軌跡，在100 次抽查結果中，全部人員軌跡均與測點位置重合，表明在井下測量時測量人員位于的測點位置正確，測點位置問題不是主要影響因素。

1.3.6 背景電磁噪聲、金屬、積水干擾問題

瞬變電磁探測的工作原理是通過發(fā)射脈沖磁場，測量介質中的感應電流，從而在高阻圍巖中進行低阻地質體尋找，故其探測結果受電磁噪聲、金屬物體和積水等的影響。對于背景電磁噪聲(停電)、金屬、積水三種干擾源因素變量，采用控制變量法，固定其中的兩個變量，從而分析另一個。統(tǒng)計分析現(xiàn)場測試結果可知，有干擾源時，瞬變電磁測量曲線發(fā)生波動較大；無干擾源時，測量曲線則表現(xiàn)出指數(shù)遞減。二者間的響應曲線差別較大。表明以上三種干擾源為主要影響因素。

2 可靠率提升措施

2.1 加強技術培訓

采用專業(yè)技術培訓和組織實操比賽的形式，以實現(xiàn)測量人員專業(yè)技術能力的提高。

2.1.1 技術培訓

每周統(tǒng)一安排測量人員參加隊組技術員的專業(yè)技術培訓，此外，每年至少兩次從科研院所聘請高級技術人才，對全體測量人員進行理論和實操技術培訓，并組織月度和的季度培訓知識技能考核，嚴禁考核不達標人員進行測量作業(yè)[3]。

2.1.2 實操比賽

定期組織測量人員參加井下的現(xiàn)場實操比賽，每月一次，并安排隊組和地測科的三名技術專家對此進行評分。按照現(xiàn)場實操評分結果，獎勵前兩名優(yōu)秀者，處罰成績最差者，從而提升測量人員的技術能力。

2.2 重復測量控制

在井下瞬變電磁探測過程中，進行重復測量能夠相互驗證，以使操作誤差減少。故采取現(xiàn)場對每個工程點測量2 次的措施，同時對每次的測量信息如時間、地點等進行詳細準確地記錄，在測量時如發(fā)生如測量時不小心跌倒等意外狀況，會極易導致測量數(shù)據(jù)瞬間發(fā)生改變，應再次回到工程測點上進行重復測量。同時，依據(jù)在同一測點重復測量獲得的數(shù)據(jù)，分析其每次獲取的瞬變電磁響應曲線，一旦發(fā)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)存在較大差別，應安排測量人員重新進行測量，以對測量數(shù)據(jù)的正確性進行校驗。

2.3 排除干擾源

背景電磁噪聲、金屬、積水干擾是影響當前高河礦探測地點的主要干擾源。在進行井下探測測量時，為確保測量數(shù)據(jù)質量，要采取排除干擾源的措施，應做到以下兩方面:

1）在探前準備階段，進行電磁噪聲、金屬和積水干擾排除。在進行瞬變電磁探測前，先做好測點工作面相關資料的收集整理，同時對測點工作面的施工狀況、現(xiàn)場環(huán)境提前一天進行檢查，并提前一個班申請停電。將金屬設備如掘進機、機械和鉆桿等轉移到距測點大于20m 的區(qū)域，并采用水泵抽取測點積水。務必提前安排人員清理干擾源較多的探測地點區(qū)域，除無法排除的金屬器件外，保證探測測點處于停電狀態(tài)，排除金屬和積水干擾。

2）探測時檢查，保證測點停電、不受大型金屬設備和積水干擾。在井下巷道，測量人員與探測點隊組進行對接，檢查確保探測點停電、無大型金屬設備器件、無積水，向值班室匯報后開始測量工作并如期完成。

3 效果分析

3.1 可靠率分析

實施提升措施后，統(tǒng)計分析其近三個月的瞬變電磁探測可靠率，并與之前的測量數(shù)據(jù)相對比，如表3 所示，提升措施實施前后瞬變電磁測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計表。從中可看出，采取提升措施前后，瞬變電磁探測可靠率分別為75.27%和90.24%，提高了約15%。

表3 提升措施實施前后瞬變電磁測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

3.2 主要問題處理

提升措施實施后，有45 個探測問題點數(shù)，分析提升措施實施前后不同類型問題的占比，如圖2 所示。實施后，瞬變電磁響應曲線波動異常問題占比大幅減少，由之前的20.13%，減少為6.72%，表明影響瞬變電磁探測中測量數(shù)據(jù)可靠率的主要問題占比已顯著減少。

圖2 提升措施實施前后不同類型問題占比圖

4 結語

1）研究分析礦井瞬變電磁測量數(shù)據(jù)可知，瞬變電磁響應曲線波動異常為現(xiàn)階段的首要問題，經分析確認其主要影響因素為人員培訓不達標、測點未進行重復測量控制、背景電磁噪聲、金屬和積水干擾。

2）采取一系列提升探測結果準確性的措施，建立完善的培訓管理機制，測點進行重復測量控制，對于背景電磁噪聲、金屬、積水等干擾進行排除，措施實施后，瞬變電磁響應曲線波動異常的占比下降至6.72%，瞬變電磁測量數(shù)據(jù)的可靠率達到了90.24%，提升了15%，效果顯著。