張 軍

(中煤科工集團(tuán) 西安研究院有限公司，西安 710077)

礦井瞬變電磁超前探測(cè)干擾校正技術(shù)研究

張 軍

(中煤科工集團(tuán) 西安研究院有限公司，西安 710077)

介紹了礦井瞬變電磁井下探測(cè)金屬體干擾因素,分析了干擾校正的技術(shù)方法,利用模型模擬計(jì)算在不同情況下礦井瞬變電磁的響應(yīng)信號(hào)，運(yùn)用礦井瞬變電磁干擾校正方法對(duì)有干擾的信號(hào)進(jìn)行分析并校正，得到接近于無(wú)干擾情況下瞬變電磁響應(yīng)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理以及與現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證的的對(duì)比，證明了該校正方法的可靠性與有效性。

礦井； 瞬變電磁； 超前探測(cè)； 干擾； 校正

0 前言

近年來(lái)，頻繁發(fā)生的礦井透水、突水事故在很大程度上影響了企業(yè)的發(fā)展。因此，發(fā)展礦井物探新技術(shù)、新方法是提高其應(yīng)用能力和應(yīng)用效果的需要[1-5]。礦井瞬變電磁法巷道探查賦水體的分布范圍和空間位置得到了廣泛應(yīng)用，取得了良好的地質(zhì)效果[6-9]。

礦井瞬變電磁法勘探由于場(chǎng)的分布變化具有其自身的特殊性，要求資料處理與解釋方法符合煤礦巷道影響下空間瞬變電磁場(chǎng)的變化規(guī)律，需要提出新的瞬變電磁響應(yīng)信息方法和技術(shù)[6-12]。

1 礦井瞬變電磁超前探巷道影響因素

礦井瞬變電磁場(chǎng)的分布變化規(guī)律受巷道影響與多種因素有關(guān)(如裝置形式、圍巖導(dǎo)電性以及發(fā)射源的位置等)，研究巷道干擾因素對(duì)于資料的處理解釋具有重要意義[6-15]。瞬變電磁場(chǎng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與視電阻率具有不同的響應(yīng)特征，巷道影響下的視電阻率值小于均勻半空間視電阻率值。巷道影響使實(shí)測(cè)的礦井瞬變電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)增大，使得探測(cè)視電阻率低于真實(shí)值[16-19]。中心回線的探測(cè)結(jié)果隨觀測(cè)時(shí)間的增加而增大，重疊回線的觀測(cè)結(jié)果受巷道影響較大[20-22]。

礦井瞬變電磁法探測(cè)巷道內(nèi)的金屬體干擾，主要包括工字鋼支護(hù)、金屬錨網(wǎng)等金屬體。由于電磁場(chǎng)的感應(yīng)，這些金屬體可能會(huì)產(chǎn)生一定的干擾感應(yīng)信號(hào)，形成對(duì)探測(cè)結(jié)果影響較大的干擾源。因此，研究礦井巷道金屬干擾體對(duì)瞬變電磁場(chǎng)分布規(guī)律的影響，具有一定的意義[23-28]。

2 數(shù)值校正方法

數(shù)字濾波方法在瞬變電磁資料處理中得到應(yīng)用，如多次三點(diǎn)濾波、卡爾曼濾波、小波濾波、希爾伯特黃濾波等，在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中能大大提高處理數(shù)據(jù)的質(zhì)量和效率，因此各種濾波方法也應(yīng)用與礦井瞬變電磁數(shù)據(jù)處理中，并且取得了較好的效果。對(duì)于金屬干擾環(huán)境下礦井瞬變電磁數(shù)據(jù)，必須根據(jù)實(shí)際探測(cè)環(huán)境進(jìn)行分析校正。

2.1 小波變換處理技術(shù)

瞬變電磁原始數(shù)據(jù)的圓滑預(yù)處理，使用進(jìn)行后期校正，這樣由于一些復(fù)雜的人為因素，使瞬變電磁原始數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)處理中可能出現(xiàn)更大的誤差，產(chǎn)生多解性問(wèn)題。在這種情況下，數(shù)據(jù)處理工作者關(guān)心的瞬變電磁原始數(shù)據(jù)的圓滑質(zhì)量得不到較好的效果，因此，需要研究突出異常的解決辦法。為了解決上述技術(shù)中的不足之處，提供一種瞬變電磁數(shù)據(jù)小波變換進(jìn)行數(shù)據(jù)圓滑的方法，能夠消除在瞬變電磁原始數(shù)據(jù)圓滑中存在人為因素的影響。為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用小波變換的預(yù)處理方法。

該方法首先通過(guò)在原始數(shù)據(jù)某個(gè)點(diǎn)的數(shù)值，計(jì)算出曲線在其他點(diǎn)處的近似值。具體方法是對(duì)瞬變電磁原始數(shù)據(jù)進(jìn)行線性插值。插值方法為對(duì)數(shù)據(jù)沿X、Y方向按網(wǎng)絡(luò)插值法插值，插值后得到X、Y方向上需要進(jìn)行計(jì)算的若干條測(cè)線數(shù)據(jù)。

對(duì)插值后的數(shù)據(jù)進(jìn)行小波基分解，分解后得到該數(shù)據(jù)的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的曲線值。方法為沿某一選擇方向?qū)Φ趇條測(cè)線數(shù)據(jù)采用小波基進(jìn)行分解，分解方法為：

(1)

其中：ψ(t)為分解后結(jié)果；t為時(shí)間。

計(jì)算經(jīng)過(guò)小波基分解后的數(shù)據(jù)兩點(diǎn)之間的斜率。在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中，首先通過(guò)式(2)計(jì)算出統(tǒng)計(jì)斜率的方差值。

(2)

其中：k為斜率；U為每個(gè)測(cè)點(diǎn)衰減電壓值；t為時(shí)間，計(jì)算衰減曲線在每個(gè)測(cè)點(diǎn)不同測(cè)道的斜率,從而計(jì)算出各點(diǎn)斜率的平均值：

(3)

其中：xi為斜率值；n為需要計(jì)算的斜率的個(gè)數(shù)；計(jì)算出各點(diǎn)斜率的方差：

(4)

其中：s2為方差值；xi為斜率值；n為需要計(jì)算的斜率的個(gè)數(shù)。

根據(jù)斜率方差值，判斷是否進(jìn)行數(shù)據(jù)圓滑。判斷各點(diǎn)方差是否超限，要求方差值為≤5的數(shù)值，如果方差值為>5的數(shù)值則為超限，此時(shí)更換測(cè)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，以此作為圓滑的標(biāo)準(zhǔn)。如果不超限則進(jìn)行數(shù)據(jù)圓滑。

根據(jù)圓滑標(biāo)準(zhǔn)，使用校正系數(shù)圓滑數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)圓滑方法為：當(dāng)前時(shí)間道時(shí)間與前一道時(shí)間差值平方的倒數(shù)的數(shù)值定義校正系數(shù)r1；當(dāng)前時(shí)間道時(shí)間與后一道時(shí)間差值平方的倒數(shù)的數(shù)值定義校正系數(shù)r2，通過(guò)這兩個(gè)系數(shù)與它們和的比值來(lái)調(diào)節(jié)圓滑。

本方法與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：①通過(guò)用小波變換方法計(jì)算瞬變電磁原始數(shù)據(jù)；②利用小波計(jì)算對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行圓滑，達(dá)到消除人為因素的影響，突出數(shù)據(jù)原有基本特征的目的。

2.2 探測(cè)裝置電感影響校正

根據(jù)礦井瞬變電磁理論及數(shù)值計(jì)算方法，計(jì)算的新感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為[7-10]式(5)

(5)

2.3 礦井瞬變電磁數(shù)值校正

地面半空間瞬變電磁視電阻率公式為：

ρs= 6.32×10-12×(S×N×s×n)2/3×

(V/I)2/3×t-5/3

(6)

其中：s為接受回線面積；S為單匝發(fā)射回線的面積；n為接收線圈匝數(shù)；N為發(fā)射回線匝數(shù)；t為感應(yīng)電位衰減時(shí)間；V/I為歸一化感應(yīng)電位。假設(shè)巷道內(nèi)無(wú)金屬體影響和有金屬體影響下的感應(yīng)電位分別為V0和V1，視電阻率分別為ρ0和ρ1，則：

(7)

其中：α為校正系數(shù)。

根據(jù)井下實(shí)際測(cè)量結(jié)果就可以得到α，地面半空間瞬變電磁響應(yīng)數(shù)值與井下瞬變電磁響應(yīng)值的差異，主要是感應(yīng)電壓與電流的比值，利用這個(gè)結(jié)論可以得到相應(yīng)時(shí)間窗口的校正系數(shù)，然后對(duì)有金屬體影響的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，得到的數(shù)據(jù)解釋結(jié)果更為準(zhǔn)確、可靠。

3 數(shù)值模擬計(jì)算

基于Maxwell方程組和有限差分原理，根據(jù)有限差分方程對(duì)巷道金屬錨網(wǎng)和工字鋼棚護(hù)影響下的瞬變電磁場(chǎng)進(jìn)行模擬，繪制干擾影響下不同時(shí)刻全空間瞬變電磁響應(yīng)曲線，對(duì)金屬錨網(wǎng)和工字鋼棚護(hù)的影響進(jìn)行分析。在金屬錨網(wǎng)影響下測(cè)到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)值衰減相對(duì)較慢，同一時(shí)刻感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相對(duì)較高。錨網(wǎng)干擾影響下的試驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖1所示。設(shè)計(jì)巷道高為3 m，寬為4 m，側(cè)幫和頂板是錨網(wǎng)支護(hù)，模型條件適合實(shí)驗(yàn)要求。共設(shè)置兩種測(cè)量方式，一條為有錨網(wǎng)干擾成果曲線，一條為沒(méi)有錨網(wǎng)干擾成果曲線，分別對(duì)兩個(gè)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理。巷道錨網(wǎng)計(jì)算模型如圖1所示，數(shù)值模擬曲線成果圖如圖2所示。

圖1 巷道錨網(wǎng)計(jì)算模型Fig.1 Calculation model of tunnel anchor net

圖2 數(shù)值模擬曲線成果圖Fig.2 Results of numerical simulation curve

由圖2可以看到，在錨網(wǎng)處即1號(hào)點(diǎn)所測(cè)感應(yīng)電位值在同一時(shí)間窗口處是2號(hào)測(cè)點(diǎn)的幾倍、十幾倍甚至幾十倍。這種影響主要集中曲線衰減的中后期，所以認(rèn)為錨網(wǎng)對(duì)數(shù)據(jù)的影響主要集中在中期和后期。模型實(shí)驗(yàn)表明，金屬錨網(wǎng)影響下可以探測(cè)到異常反應(yīng)，但總體結(jié)果受錨網(wǎng)影響很大。對(duì)所測(cè)的兩個(gè)點(diǎn)的感應(yīng)電位，抽取51道至70道的時(shí)間窗口的感應(yīng)電位值進(jìn)行比較(總道數(shù)為100道)，結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，在同一個(gè)時(shí)間窗口，早期數(shù)據(jù)相差較小，而中期、晚期數(shù)據(jù)相差較大。給出校正系數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，得到校正以后的視電阻率結(jié)果，這樣得出的結(jié)果就更加接近實(shí)際地下地質(zhì)信息。

表1 衰減電壓數(shù)據(jù)Tab. 1 Voltage decay data

通過(guò)對(duì)不同時(shí)間段取校正系數(shù)進(jìn)行擬合，得出錨網(wǎng)影響下校正前、后視電阻率曲線圖4，因此可以得出結(jié)論，該校正方法在對(duì)于連續(xù)性支護(hù)情況下進(jìn)行校正是可行的，同時(shí)通過(guò)該方法還可以為局部含金屬體干擾情況下數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

圖3 校正后衰減電壓曲線Fig.3 Corrected attenuation voltage curve

圖4 視電阻率對(duì)比成果圖Fig.4 Apparent resistivity contrast

4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

由圖5、圖6可以看出，通過(guò)校正系數(shù)對(duì)礦井瞬變電磁超前探測(cè)進(jìn)行校正的對(duì)比結(jié)果，在原始探測(cè)數(shù)據(jù)中，側(cè)幫由于有錨網(wǎng)等支護(hù)，導(dǎo)致側(cè)幫錨網(wǎng)對(duì)探測(cè)結(jié)果影響較大，巷道空間的存在，使瞬變電磁場(chǎng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)值增大。巷道圍巖導(dǎo)電性越強(qiáng)，巷道及其邊界對(duì)瞬變電磁場(chǎng)的影響越大，得到的成果比真實(shí)地層視電阻率值低。通過(guò)圖6可以看出，數(shù)據(jù)校正后極大地減小了側(cè)幫干擾對(duì)探測(cè)成果的影響，校正后探測(cè)成果與實(shí)際掘進(jìn)及鉆探驗(yàn)證結(jié)果一致，充分說(shuō)明了校正方法的有效性與可靠性。但由于該方法剛剛進(jìn)入研究階段，因此其校正效果還有待于進(jìn)一步提高，更好地為生產(chǎn)服務(wù)。

圖5 原始探測(cè)成果圖Fig.5 Original detection results chart

圖6 校正后探測(cè)成果圖Fig.6 Corrected after the detection results chart

5 結(jié)論

巷道內(nèi)金屬體影響對(duì)于礦井瞬變電磁法的數(shù)據(jù)處理解釋帶來(lái)很大影響。金屬體所造成的干擾，如不進(jìn)行校正或者分離去除，往往嚴(yán)重影響計(jì)算結(jié)果，使得探測(cè)數(shù)據(jù)失去應(yīng)用價(jià)值。根據(jù)數(shù)值模擬、井下試驗(yàn)及實(shí)例驗(yàn)證情況，對(duì)井下金屬體干擾情況下施工及探測(cè)數(shù)據(jù)的資料解釋提出可行性措施。對(duì)于工作面內(nèi)探測(cè)過(guò)程應(yīng)盡量避開(kāi)金屬體，做好記錄，對(duì)于工字鋼、錨網(wǎng)等選擇合適的背景場(chǎng)進(jìn)行校正，對(duì)于連續(xù)金屬支護(hù)下瞬變電磁探測(cè)，金屬體在很大程度上影響了勘探深度的正確性，應(yīng)結(jié)合已知地層情況對(duì)勘探深度進(jìn)行校正。

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Research on the influence of the mine transient electromagnetic advanced detection tunne

ZHANG Jun

(Xi'an Research Institute of China Coal Technology and Engineering Group Corp，Xi'an 710077，China)

The mine transient electromagnetic detection of underground metal body interference factor analysis method, interference correction, using the model simulation of mine transient electromagnetic response signals in different situations.Electromagnetic interference with mine transient correction method to analyze signal interference and correction, get close to no interference under the condition of transient the electromagnetic response data, by processing the measured data and verify the contrast with the scene, to prove the reliability and validity of this calibration method.

mine; transient electromagnetic; advanced detection; interference; correction

2016-01-26 改回日期：2016-03-26

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40774066)

張軍(1981-)，男，碩士 助理研究員，主要研究方向?yàn)殡姶盘綔y(cè)，E-mail:zjun0119@126.com。

1001-1749(2017)01-0017-06

P 631.2

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.01.03