強(qiáng)干擾環(huán)境下煤礦井下巷道瞬變電磁探測研究與應(yīng)用

趙永亮

（1.河北煤炭科學(xué)研究院有限公司，河北 邢臺 054000；2.礦井水害探測與防控國家礦山安全監(jiān)察局重點實驗室，河北 邢臺 054000；3.礦井物探河北省工程研究中心，河北 邢臺 054000）

0 引言

近年來在煤礦巷道掘進(jìn)及工作面回采過程中，突水事故是安全生產(chǎn)的主要障礙。然而，隨著煤礦開采深度和難度的增加，地下地質(zhì)情況不明的老空水及高承壓奧灰水發(fā)育區(qū)成為水害多發(fā)的源頭，水害造成的損失仍然居高不下。在瞬變電磁水害探測過程中，井下巷道的交變電磁場受所存在的金屬物及帶電體，如鐵軌、金屬管路、電纜、工字鋼、錨桿錨網(wǎng)和運(yùn)輸設(shè)備等的影響，電磁探測設(shè)備接收的電磁響應(yīng)受到強(qiáng)烈干擾，現(xiàn)有基于理想電磁環(huán)境建立的瞬變電磁響應(yīng)關(guān)系和處理解釋算法難以適用，甚至出現(xiàn)錯誤的處理解釋結(jié)果。另外，探測環(huán)境的復(fù)雜性與儀器設(shè)備的多樣性使瞬變電磁數(shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊，數(shù)據(jù)處理方法各異。針對煤礦井下巷道環(huán)境對瞬變電磁探測干擾強(qiáng)，需要對瞬變電磁測量的采集觀測系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，對探測的電磁數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行評估，結(jié)合瞬變電磁數(shù)據(jù)正反演算法軟件的處理與校正，提高對含水異常體的解釋精度。

1 掘進(jìn)前方超前探測

1.1 礦井水文地質(zhì)條件

西龐礦位于華北煤田，主采煤層為9 號煤，在綜采工作面巷道掘進(jìn)過程中瞬變電磁超前探測和鉆探是煤礦防治水最為常見的技術(shù)手段。

9303 工作面布置于井田北翼，東南至F28 斷層防（隔）水煤（巖）柱線，北至擴(kuò)延區(qū)三采區(qū)皮帶下山，西至9301 工作面采空區(qū)（圖1），根據(jù)工作面附近鉆孔資料分析，該工作面煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，沉積穩(wěn)定，一般含多層夾矸。

圖1 9303 皮帶巷掘進(jìn)工程平面示意Fig.1 Plane of No.9303 belt roadway excavation project

工作面主要沖水水源為頂板大青灰?guī)r水和底板奧陶系灰?guī)r水。大青灰?guī)r位于9 號煤頂板上平均12.3 m 左右，厚度4.41 m，是工作面頂板淋水的主要水源。大青灰?guī)r層位穩(wěn)定，但含水性不均一，易疏放，為局部富水性強(qiáng)的溶洞裂隙承壓含水層，掘進(jìn)過程中對工作面影響不大。

奧陶系含水層是威脅9 煤開采的主要含水層，具有出水水量大，難于治理的特點。該工作面9 煤底板距奧陶系含水層39.69 m。9 號煤層底板下伏奧陶系灰?guī)r含水層，其厚度大，富水性強(qiáng)，是上覆煤層開采最危險的底板突水水源，奧灰突水一般具有發(fā)生突然、來勢迅猛、涌水量大、持續(xù)時間長等特點，因此奧灰水是影響9 號煤開采安全的主要水害因素。

1.2 礦井巷道條件

現(xiàn)場在9303 皮帶巷D43 點前103.2 m 處對目標(biāo)位置進(jìn)行探測。探測位置為掘進(jìn)迎頭處，現(xiàn)場采用錨網(wǎng)支護(hù)，左幫掛有風(fēng)筒；右?guī)蛼煊泄苈芳半娎|若干，掘進(jìn)機(jī)、皮帶機(jī)頭距迎頭20 m，迎頭處低洼積水，以上條件對電磁探測設(shè)備接收的電磁響應(yīng)具有較大干擾。

1.3 探測工作布置

水平方向探測角度為巷道前方左90°～右90°，間隔15°；垂向探測角度為+40°、+20°、0°、-20°、-40°、-60°共6 個角度（圖2），此次探測共完成物理測點78 個。

圖2 瞬變電磁超前探測工作設(shè)計示意Fig.2 Design of transient electromagnetic advanced detection work

2 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

瞬變電磁首先對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后采用專用的TEMINT 處理軟件對現(xiàn)場實測原始二次磁場數(shù)據(jù)經(jīng)室內(nèi)專用瞬變電磁數(shù)據(jù)處理與解析軟件計算，轉(zhuǎn)換為電位信號。

將現(xiàn)場探測數(shù)據(jù)導(dǎo)入專用處理軟件，得到不同方向一次場變化曲線，如圖3 所示，依據(jù)圖3 顯示，當(dāng)接收線框接收方向在正前方向時，一次場場強(qiáng)值最高，接收線框接收方向為巷道外幫時，一次場場強(qiáng)值最小，變化曲線呈拋物線對稱狀，結(jié)合現(xiàn)場條件，迎頭位置兩側(cè)清理干凈，探測外幫時影響較小，掘進(jìn)機(jī)位于探測位置正后方，正前方向干擾最強(qiáng)，對一次場干擾最為明顯。

圖3 不同方向一次場變化曲線Fig.3 Variation curves of primary field in different directions

圖4 為水平探測方向，不同方位各個測線原始數(shù)據(jù)頻點變化情況，依據(jù)圖4 顯示，各個測線存在不同程度頻點不規(guī)律變化，井下巷道現(xiàn)場對方的金屬物及帶電體，如鐵軌、金屬管路、電纜、工字鋼、錨桿錨網(wǎng)和運(yùn)輸設(shè)備等均會對接收信號產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致原始數(shù)據(jù)中出現(xiàn)極值變化以及無規(guī)律性跳點，在數(shù)據(jù)處理過程中對跳點進(jìn)行估計計算，估計計算偏差會對最終結(jié)果產(chǎn)生影響。

圖4 原始數(shù)據(jù)頻點變化Fig.4 Frequency change of original data

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 復(fù)雜電磁環(huán)境的參數(shù)模型與高效電磁響應(yīng)模擬方法

鐵軌、金屬管路等電磁參數(shù)異常體，用離散介質(zhì)模型表征為電磁參數(shù)模型，采用等效介質(zhì)模型將離散介質(zhì)模型變換為電磁參數(shù)模型；用三維有限差分方法實現(xiàn)瞬變電磁響應(yīng)正演模擬與響應(yīng)特征分析，用3D 交錯網(wǎng)格有限差分解麥克斯韋（Maxwell）方程，導(dǎo)出復(fù)雜介質(zhì)的電磁響應(yīng)離散關(guān)系，用于分析三維電磁測量中非均勻分布典型電磁參數(shù)異常體對電磁響應(yīng)異常的影響；為了提高復(fù)雜模型的計算精度和速度，需要建設(shè)多源數(shù)據(jù)處理中心，以利用更多的計算機(jī)資源，進(jìn)行基于GPU 加速和MPI并行計算，同時，采用高效譜分解并行計算方法用于提高多源響應(yīng)計算效率，實現(xiàn)多源模型的瞬變電磁響應(yīng)的計算。

3.2 建立實測電磁數(shù)據(jù)質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)與量化指標(biāo)體系

以正演計算為基礎(chǔ)，對電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域反演數(shù)據(jù)的反演算法測試。具體包括：以正演計算為基礎(chǔ)，用高斯-牛頓法實現(xiàn)3D 電磁數(shù)據(jù)反演方法及軟件，根據(jù)3D 電磁數(shù)據(jù)的時間域特征，對比不同空間范數(shù)定義的正則化因子的迭代收斂速率，建立高斯-牛頓法迭代正則化因子加速收斂方法，保證迭代反演的每一步具有一定的誤差減小，實現(xiàn)對電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域反演數(shù)據(jù)的反演算法測試，為區(qū)分鳧水層提供方法。

3.3 實測電磁數(shù)據(jù)質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)與量化指標(biāo)體系

將從正演和實際資料出發(fā)，以物理模擬、數(shù)值模擬等理論方法為基礎(chǔ)，對瞬變電磁測量的采集觀測系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)瞬變電磁探測數(shù)據(jù)質(zhì)量評估與干擾分析評價，能夠利用正演模擬算法及縮比物理模型測量，自動選擇合理的儀器型號及探測環(huán)境，對探測數(shù)據(jù)進(jìn)行自動分析、篩選。

4 成果解析

通過對西龐礦9303 工作面皮帶巷的超前探測數(shù)據(jù)進(jìn)行反演測試，將反演結(jié)果與實際地質(zhì)信息分布進(jìn)行對比，來驗證對超前探測的正演模擬和反演計算的可靠性。

此次探測中的數(shù)據(jù)共有8 組，將其按時間變化和按測點位置變化進(jìn)行排列繪制響應(yīng)曲線圖如圖5所示。

圖5 西龐礦9303 工作面皮帶巷水平0°探測數(shù)據(jù)Fig.5 The 0°level detection data of belt roadway in No.9303 Face of Xipang Mine

該超前探測數(shù)據(jù)同樣存在因低阻或良導(dǎo)干擾導(dǎo)致的早期響應(yīng)曲線平緩的特征，采用前面說明的校正方法對其進(jìn)行校正處理，得到的響應(yīng)曲線如圖6所示，校正后的結(jié)果在保留了原本響應(yīng)曲線的變化趨勢的同時也消除了低阻干擾的影響。

圖6 校正后的數(shù)據(jù)Fig.6 The corrected data

經(jīng)解析軟件對原始數(shù)據(jù)的分析處理，繪制出瞬變電磁超前探測視電阻率對數(shù)等值線斷面圖如圖7所示。

圖7 水平0°方向視電阻率對數(shù)等值線斷面圖Fig.7 The 0°level direction apparent resistivity logarithmic contour section diagram

圖7 中瞬變電磁沿探測方向有效解析距離均為150 m，盲區(qū)20 m。

在垂向水平0°探測方向測得的水平各角度探測數(shù)據(jù)，可以看到探測數(shù)據(jù)的幅值從近到遠(yuǎn)逐漸降低，在70 m 處達(dá)到最低點，隨后緩慢變高，掘進(jìn)機(jī)的存在使得正前方向測得的瞬變電磁響應(yīng)幅值在近處出現(xiàn)明顯的上升，這充說明了瞬變電磁對近處大型金屬體的敏感性強(qiáng)，抗干擾能力差。經(jīng)超前探測的正演模擬和反演計算，以及與實際地質(zhì)信息分布進(jìn)行對比，最后得出探測范圍內(nèi)的區(qū)域視電阻率對數(shù)曲線整體呈規(guī)律性分布，整體上比較高，視電阻率對數(shù)等值線連續(xù)延展較好，探測范圍內(nèi)巖層整體含水性弱，沒有大的含水異常體存在。

5 結(jié)語

巷道中分布的鐵軌、鋼架支護(hù)等良導(dǎo)體會對探測的數(shù)據(jù)造成較強(qiáng)的干擾，在響應(yīng)曲線上最直觀的表現(xiàn)就是早期的響應(yīng)曲線較為平緩、衰減緩慢，且持續(xù)較長時間。若將存在干擾的數(shù)據(jù)直接進(jìn)行反演，數(shù)據(jù)擬合的難度非常大，反演收斂的速度也非常緩慢，所以在對實際數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之前需要對其進(jìn)行干擾校正。首先模擬無干擾體存在的響應(yīng)，再模擬存在干擾的響應(yīng)，或者從實際數(shù)據(jù)中選取一道無異常體響應(yīng)特征的數(shù)據(jù)作為校正的基準(zhǔn)，求取校正系數(shù)并將其應(yīng)用到實際數(shù)據(jù)的校正中。校正后的數(shù)據(jù)在保存異常響應(yīng)特征的同時，也基本消除了干擾對響應(yīng)的影響，雖然異常體的響應(yīng)特征被一定程度的削弱，但仍與原始數(shù)據(jù)有較好的對應(yīng)性。

模擬計算與分析不同電性異常體的瞬變電磁響應(yīng)特，研究瞬變電磁響應(yīng)與礦區(qū)地下富水區(qū)分布狀態(tài)的關(guān)系，區(qū)分富水區(qū)瞬變電磁響應(yīng)異常與巷道導(dǎo)軌、機(jī)械、鋼鐵支護(hù)等造成的干擾異常的異同。并通過正演模擬驗證不同觀測系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)的質(zhì)量，對礦區(qū)瞬變電磁探測中的觀測系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化，以期獲得較高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，提高對含水異常體的解釋精度，及時預(yù)報掘進(jìn)前方或側(cè)幫的隱伏導(dǎo)含水構(gòu)造，為煤礦能安全掘進(jìn)提供有力技術(shù)保障。