安晉松,寇子明,孟巧榮

(1.太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,太原 030024;2.晉煤集團(tuán) 技術(shù)研究院,山西 晉城 048000)

礦井瞬變電磁法干擾源測試研究

安晉松1,2,寇子明1,孟巧榮1

(1.太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,太原 030024;2.晉煤集團(tuán) 技術(shù)研究院,山西 晉城 048000)

礦井巷道掘進(jìn)過程中,為了最大限度地剔除各種干擾源的瞬變電磁場的干擾,得到準(zhǔn)確的探測結(jié)果,針對井下的主要干擾源如大型鐵器、電力系統(tǒng)、錨網(wǎng)等進(jìn)行了瞬變電磁法現(xiàn)場測試,并對不同干擾源的干擾特征進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究。測試結(jié)果表明:順層探測,大型鐵器需退后10 m,而頂?shù)装鍦y量6 m后已基本沒有影響;電力系統(tǒng)干擾只對10 μV/A以下探測數(shù)據(jù)有影響;錨網(wǎng)探測，測試線框要放在距錨網(wǎng)1 m左右的距離,錨網(wǎng)主要影響10 ms之前的測量結(jié)果。本結(jié)果可為井巷掘進(jìn)超前探水提供詳細(xì)的技術(shù)資料。

礦井掘進(jìn);瞬變電磁法;干擾源

瞬變電磁法也稱時(shí)間域電磁法，是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場,在一次脈沖磁場間歇期間,利用線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法。瞬變電磁法在高阻地區(qū)尋找低阻地質(zhì)體比較靈敏且不受地形影響,可以提高探測深度，異常響應(yīng)分辨能力強(qiáng),幾乎涉及物探工作的各個(gè)領(lǐng)域。最近幾年,瞬變電磁法被應(yīng)用在煤礦井下巷道及隧道超前探測方面,對巷道四周和工作面前方進(jìn)行超前探測,預(yù)測可能存在的含水(層)、斷層和陷落柱等,取得了較好的效果[1-6]。在煤礦井下瞬變電磁勘探中,存在大量強(qiáng)干擾體,像大型的采掘運(yùn)輸機(jī)械、錨桿支護(hù)、錨網(wǎng)、電纜、巷道側(cè)幫排水管道等,這些金屬設(shè)施會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的瞬變電磁響應(yīng),是礦井瞬變電磁法勘探的主要噪聲,對資料處理和解釋結(jié)果的準(zhǔn)確度具有較大影響,必須對這些人為設(shè)施產(chǎn)生的噪聲影響進(jìn)行校正處理,以便得出正確的解釋結(jié)果[7]。文獻(xiàn)[8]研究了在瞬變電磁法應(yīng)用過程中,鐵軌、金屬管路對探測結(jié)果的影響特征,提出了視電阻率校正值的計(jì)算方法;文獻(xiàn)[9]以錨桿作為主要干擾源,利用模型試驗(yàn),分析錨桿對瞬變電磁探測的干擾程度及特征,初步確定錨桿的最大干擾距離為3 m,1.5 m內(nèi)具有強(qiáng)干擾；文獻(xiàn)[10]引入了用MT 正演改正法反演深度的方法，在反演計(jì)算的過程中,利用Bostick反演構(gòu)造初始模型,通過比較初始模型視電阻率與實(shí)測視電阻率曲線,依次改正每一個(gè)電性層的電阻率和厚度。筆者較系統(tǒng)研究了礦井瞬變電磁法測量中各種噪聲的瞬變電磁響應(yīng)特征和處理方法,為現(xiàn)場勘探、數(shù)據(jù)采集、資料處理和解釋工作提供一定指導(dǎo)。

1 大型鐵器干擾測試

1.1 試驗(yàn)方案

本測試在晉煤集團(tuán)葦町煤礦的某掘進(jìn)煤巷中進(jìn)行，以綜掘機(jī)為測試對象。礦井不存在頂板淋水、底板積水現(xiàn)象,不存在地面高壓線干擾,礦方可以提供停電條件,能切斷施工區(qū)域100 m范圍之內(nèi)電力。瞬變電磁儀采用飛翼YCS160,2 m×2 m的多匝重疊回線裝置,發(fā)射線框?yàn)?6匝,接收線框?yàn)?0匝。

在掘進(jìn)頭處做正前方的頂板45°、順層和底板45°三個(gè)角度的探測。首先讓掘進(jìn)機(jī)距離線框2 m,做一組三角度測量;然后將綜掘機(jī)向后移動(dòng),每移動(dòng)2 m做一組測量。本次實(shí)驗(yàn)共測量8組,掘進(jìn)機(jī)最終退至距線框16 m處。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖1 大型鐵器干擾源試驗(yàn)中視電阻率深度等值線圖

圖1是8次測量的視電阻率深度曲線，并以等值線圖的形式在一張圖上表現(xiàn)出來。橫向表示發(fā)射線框與綜掘機(jī)之間的距離(m),縱向?yàn)樘綔y深度(m)。其中圖1-a為頂板45°的8次測量結(jié)果的成圖,圖1-b為順層,圖1-c為底板45°。

由圖1-a和圖1-c可知,在頂板45°和底板45°的實(shí)驗(yàn)中,從第3次測量開始,即發(fā)射線框距離綜掘機(jī)6 m處,視電阻率值的變化趨緩，可以認(rèn)為當(dāng)距發(fā)射線框6 m時(shí),綜掘機(jī)對探測結(jié)果已基本沒有影響。在順層的實(shí)驗(yàn)中(如圖1-b),從第5次測量開始,即發(fā)射線框距綜掘機(jī)10 m處,視電阻率值的變化趨緩;但相對于頂?shù)装宓膶?shí)驗(yàn),此時(shí)的視電阻率值變化依然存在。由此可以看出,當(dāng)距發(fā)射線框10 m時(shí),綜掘機(jī)對探測結(jié)果影響減小。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,在實(shí)際測試中最常見的大型鐵器——綜掘機(jī)對順層探測影響最大,要退后10 m才能減小影響；而頂?shù)装鍦y量6 m后已基本沒有影響。所以在實(shí)際測試中,如條件允許,盡量還是將掘進(jìn)機(jī)退后10 m以上，以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。

由于本次實(shí)驗(yàn)過程中未能排除電力干擾的情況,所以在深度較大的探測區(qū)域存在大量跳點(diǎn),故在視電阻率-深度等值線圖中主要關(guān)注80 m內(nèi)深度的視電阻率值。

2 井下電力系統(tǒng)干擾測試

2.1 試驗(yàn)方案

測試地點(diǎn)位于葦町煤礦的某條巷道中,巷道側(cè)幫有一條電纜線,將測量線框放置在井下電纜經(jīng)過的區(qū)域。在巷道中布置一條測線,測線長35 m,共8個(gè)測點(diǎn),點(diǎn)距5 m,分別測量頂板45°、順層0°、底板45°三個(gè)角度,在巷道內(nèi)電纜斷電前后分別測量兩次,對比前后兩次的測量數(shù)據(jù)及處理結(jié)果。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2.1 電位曲線對比

圖2為測線上某測點(diǎn)的斷電前后測量的電位曲線對比圖。由圖可知,兩條曲線(除了無關(guān)計(jì)算的早期場)形態(tài)基本相似,但是在晚期場中,沒有斷電時(shí)存在明顯的晚期場跳點(diǎn)(如圖3所示)。

圖2 井下電力干擾試驗(yàn)電位曲線對比圖

圖3 電流晚期場放大示意圖

從圖2圖3中可以看出,電力干擾對電位曲線的基本形態(tài)不會(huì)造成影響。本次試驗(yàn)中的井下電力干擾產(chǎn)生的電場電位在1×101μV/A數(shù)量級上,從而對早期場能夠產(chǎn)生的影響有限；但當(dāng)儀器線圈接收到的感應(yīng)電場電位下降到1×101μV/A數(shù)量級時(shí),井下電力產(chǎn)生的電磁場就不再能被壓制,所以電位曲線表現(xiàn)出兩者疊加的形態(tài)(一條衰減曲線與一條或數(shù)條周期變化曲線的疊加),故在電位曲線晚期會(huì)表現(xiàn)出跳點(diǎn)。

在實(shí)際測試中,跳點(diǎn)雖然在理論上不會(huì)對所探測的異常分布產(chǎn)生影響,但是會(huì)對反演軟件的計(jì)算造成干擾,導(dǎo)致深度計(jì)算錯(cuò)誤甚至無法計(jì)算。如此情況只能靠人為修改數(shù)據(jù),以使軟件能夠正常計(jì)算,這樣就對結(jié)果產(chǎn)生了不確定性。

2.2.2 電阻率剖面圖

圖4-a、圖4-b、圖4-c為該條測線3個(gè)探測方向的電阻率剖面圖的對比,橫坐標(biāo)為探測線長度8個(gè)探測點(diǎn),縱坐標(biāo)為探測深度。從圖中可以看出，電力系統(tǒng)加電和不加電所顯示的3種方向電阻率等值線圖，除頂板45°方向15號點(diǎn)無電時(shí)測量的視電阻率偏高外,其余各點(diǎn)測量值基本相同。

3 井下錨網(wǎng)干擾測試

3.1 試驗(yàn)方案

井下掘進(jìn)工作面?zhèn)葞陀绣^網(wǎng)支護(hù),將發(fā)射線框垂直地面,與側(cè)幫的錨網(wǎng)平行,依次測量。第一次緊貼錨網(wǎng),隨后每次后退20 cm,共測量12次。巷道中間有一道鎦子,所以12次之后沒有繼續(xù)后退。

圖4 井下電力系統(tǒng)干擾3種方向電阻率等值域圖

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.2.1 電位曲線對比

圖5為錨網(wǎng)干擾電位曲線對比圖,圖中12條曲線在一起不好分辨,在此取出曲線差異較大而又受電力干擾較小的1～30 ms區(qū)域放大對比,如圖6所示。

圖5 錨網(wǎng)干擾試驗(yàn)電位曲線對比

圖6 電位曲線1～30 ms局部放大圖

從圖6可以看出，從40 cm曲線開始,曲線間的變化開始減??；80～160 cm的曲線基本相同；在160 cm之后,由于受到鎦子影響,線圈接受到的感應(yīng)電場電位又開始增大。

3.2.2 視電阻率對比

圖7是幾次測量的視電阻率-深度等值線圖。橫坐標(biāo)表示線框與錨網(wǎng)的距離,縱坐標(biāo)為探測深度。圖中可知，同電位曲線所表現(xiàn)出的差異類似,80～160 cm幾次測量的視電阻率值大致相當(dāng),變化較小。在此之前受錨網(wǎng)影響較明顯,之后受鎦子影響。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出,在距錨網(wǎng)80 cm后,發(fā)射線框受到錨網(wǎng)的影響比較小,所以建議以后工作中存在錨網(wǎng)時(shí),將發(fā)射線框放在距錨網(wǎng)1 m左右的距離測量。

另外，從電位曲線看出,錨網(wǎng)影響主要位于10 ms之前,和鎦子影響的幾乎覆蓋二次場全程還是略有區(qū)別。

4 結(jié)論

礦井瞬變電磁法是探查巷道掘進(jìn)工作面前方水害的主要技術(shù)之一。由于井下巷道內(nèi)的各種金屬設(shè)施的干擾，嚴(yán)重影響探測效果。所以在礦井瞬變電磁法實(shí)際測量中,根據(jù)探測任務(wù)的要求和井下實(shí)際環(huán)境設(shè)施情況，選擇合理的施工方法,不僅能有效完成探測任務(wù),同時(shí)還可提高探測工作效率和減小測量中的勞動(dòng)強(qiáng)度。筆者針對煤礦井下主要的干擾源進(jìn)行了實(shí)體測試研究,獲得如下結(jié)論:

圖7 錨網(wǎng)干擾試驗(yàn)視電阻率-深度等值線圖

1)在實(shí)際探測工作中，對于大型鐵器(如綜掘機(jī))對順層探測影響最大,要退后10 m才能減小影響,而頂?shù)装鍦y量6 m后已基本沒有影響。

2)電力干擾對電位曲線的基本形態(tài)不會(huì)造成影響,只會(huì)影響到10 μV/A以下的數(shù)據(jù)。

3)錨網(wǎng)距測量線框80 cm后,對測量結(jié)果影響較小,所以建議將發(fā)射線框放在距錨網(wǎng)1 m左右的距離測量,錨網(wǎng)對測量結(jié)果影響主要位于10 ms之前。

[1] 韓德品,趙鐠,李丹.礦井物探技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展展望[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2009,24(5)：1839-1849.

[2] 李玉寶.煤礦井下物探技術(shù)發(fā)展回顧與展望[J].中國礦業(yè),2012(8):449-453.

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[5] 唐新功,胡文寶,嚴(yán)良俊.瞬變電磁法找水研究[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2005,2(3):181-184.

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

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(編輯：龐富祥)

The Experiment of Interference Sources to Transient Electromagnetic Method in Mine

AN Jinsong1，2，KOU Ziming1，MENG Qiaorong1

(1.CollegeofMechanicalEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China；2.TechnologyInstitute，JinchengMiningGroupCo.Ltd,Jincheng048000，China)

During the process of roadway construction in mine,the effect of advanced water exploration using transient electromagnetic method is often poor because of the interferences of electromagnetic field，So,the study on the interference characteristic and treatment methods has an important significance to improve the technology of advanced water exploration.In this article，in order to make the transient electromagnetic method to furthest eliminate the interference and accurately detect,we did some field tests of the main interference sources such as large iron，power disturbance，anchor net and conveyer,analyzed the interference characteristics in detail，and got a reasonable testing program which is instructive to the actual advanced detection.The test results show that：large iron has no effect on measure out of 10 m in the bedding detection and out of 6 m in the top and bottom of detection;the power interference has only effects on detection below 10 μV/A;the test wire frame should be put in the anchor net about 1m away，the anchor net only affects the measurement results within 10 ms.

mine; transient electromagnetic method; interference source

2014-08-19

國家十二五科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目:煤礦透水快速救援排水設(shè)備研究(SQ2012BAJY3504)

安晉松(1972-)，男，山西晉城人，在讀碩士，工程師，主要從事煤礦井下超前物探研究，(Tel)18903569166

寇子明，教授，博導(dǎo)，(E-mail)zmkou@163.com,(Tel)13513604768

1007-9432(2015)01-0040-05

TH763

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.01.008