呂光朋

（冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司 羊東礦，河北 邯鄲 056200）

1 概 況

峰峰集團(tuán)有限公司羊東礦06202（Ⅱ塊）工作面為2 號煤工作面，由于2 號煤回采受承壓水威脅，其底板主要的含水層有野青灰?guī)r含水層、伏青灰?guī)r含水層、大青灰?guī)r含水層和奧陶系灰?guī)r含水層。該礦采用瞬變電磁法對工作面底板進(jìn)行含水性探查。運(yùn)料道瞬變電磁探測現(xiàn)場條件為巷道金屬錨網(wǎng)支護(hù)；外幫3 粗4 細(xì)電纜距底板約2 m，里幫有皮帶、3 趟鐵管距底板約1.5 m，巷中鋪設(shè)軌道；在運(yùn)料道布置測線長度220 m，設(shè)計(jì)角度為里幫底板方向多角度探測。

2 數(shù)據(jù)采集

此次探測采用PEOTEMCM型礦用巷道瞬變電磁探測儀，該設(shè)備具有小線框、大激發(fā)電流、關(guān)斷時間短、接收靈敏度高、抗工頻50 Hz 等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)場探測為了避免工頻干擾，采取停電措施；且工作面外圍100 m 范圍內(nèi)也相應(yīng)的采取了停電干擾，以上措施確保了電纜影響的最小化。由于探測方向?yàn)榈装宸较颍虼说装遘壍缹μ綔y影響是不可避免的。

由于軌道對瞬變電磁探測存在干擾，因此從接收的數(shù)據(jù)可以看出，接收信號的后端存在數(shù)據(jù)的離散現(xiàn)象，如圖1 所示。

圖1 06202（Ⅱ塊）工作面運(yùn)料道瞬變電磁探測數(shù)據(jù)圖Fig.1 Transient electromagnetic detection data map in No.06202(block II)Face transport roadway

3 異常模擬與數(shù)據(jù)處理

以軌道這種良導(dǎo)體，討論低阻異常瞬變電磁響應(yīng)特征，分析地阻情況下的電磁響應(yīng)有何特征。現(xiàn)場發(fā)射線框大小為半徑1 m 的方線圈，電流為1.4 A 左右，線性關(guān)斷時間為小于1μs，觀測時窗為0.1～ 8 ms。發(fā)射與接收線圈耦合方式布置，再依次移動發(fā)射線圈和接收框，保證兩者在同一平面且方向統(tǒng)一，采用中心回線對各個測點(diǎn)的響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬。

當(dāng)不考慮錨網(wǎng)支護(hù)、電纜等巷道內(nèi)邊緣的低電阻物體對瞬變電磁探測的影響時，設(shè)計(jì)以鐵軌為低阻體的巷道模型，將激發(fā)接收點(diǎn)設(shè)置在巷道之中。在考慮到鐵軌等低阻的情況時，其對于瞬變電磁響應(yīng)特征的影響，為實(shí)際數(shù)據(jù)處理時的數(shù)據(jù)校正提供支持。

考慮支護(hù)等低阻的模型（圖2），將模型中的背景電阻率設(shè)置為1 000 Ω·m，巷道中的電阻率設(shè)置為空氣的電阻率1×108Ω·m；鋼架、鐵軌等低阻干擾的電阻率能低至1×10-6Ω·m，但在模擬測試中無法完全模擬這些干擾的厚度，只能根據(jù)設(shè)置的干擾層厚度調(diào)整其電阻率，使得模擬的干擾與實(shí)際探測中的干擾近似，因此在此設(shè)置低阻層電阻為0.01 Ω·m 的鐵軌為低阻干擾體；低阻異常為10 Ω·m，低阻體異常的大小為1×20 m2。測點(diǎn)分布在巷道中心，每個測點(diǎn)的間距為10 m，觀測時窗選擇為0.005～10 ms。，每個測點(diǎn)的間距10 m，模型如圖2 所示。

圖2 低阻異常模型斷面Fig.2 Section of lowresistance abnormal model

圖3、圖4 為在高阻背景下低阻異常體的響應(yīng)曲線，早期的響應(yīng)幅值較為平緩且數(shù)據(jù)點(diǎn)較為集中，測點(diǎn)的前段響應(yīng)幅值差距非常小，在收到良導(dǎo)體的干擾場疊加后，接收數(shù)據(jù)內(nèi)包含了異常體的響應(yīng)信息，響應(yīng)曲線后端就開始出現(xiàn)比較明顯的分散變化。

圖3 測點(diǎn)低阻異常模型的響應(yīng)曲線Fig.3 The response curve of lowresistance abnormal model of measuring point

從圖3 可以看出，低阻體響應(yīng)的幅值比兩側(cè)明顯更高，這是由于探測角度避開了低阻體，使感應(yīng)渦流相和背景趨于探測一致。而良導(dǎo)體所激發(fā)產(chǎn)生的二次場響應(yīng)，圖中也更明顯的顯示出和周圍的高阻背景的差異，而對應(yīng)的響應(yīng)特征在隨測點(diǎn)位置變化的曲線圖上呈凸起狀。從圖4 可以看出，響應(yīng)曲線的變化時間從1 ms 開始，響應(yīng)曲線的發(fā)散特征顯現(xiàn)，特別是在正對異常體（軌道）時，所接收到響應(yīng)變化最為強(qiáng)烈，即低阻異常中產(chǎn)生的渦流磁場，可在背景介質(zhì)中傳播到達(dá)接收器。

4 異常校正

圖3、圖4 展示了有良導(dǎo)體干擾時的響應(yīng)曲線，從兩者的對比可知，當(dāng)存在良導(dǎo)體的干擾時，響應(yīng)曲線無論是幅值還是相應(yīng)特征都會產(chǎn)生較大的變化，會對這種干擾對瞬變電磁響應(yīng)的具體影響，以及當(dāng)存在干擾時觀測系統(tǒng)的調(diào)整會產(chǎn)生什么樣的影響進(jìn)行模擬和分析，為觀測系統(tǒng)調(diào)整的可行性進(jìn)行驗(yàn)證，并針對良導(dǎo)體干擾下數(shù)據(jù)提出校正的方法，為實(shí)際數(shù)據(jù)的處理和解釋提供理論依據(jù)。

設(shè)置模型，調(diào)整干擾體的電阻率，對軌道響應(yīng)進(jìn)行模擬。將觀測時窗設(shè)定為實(shí)際使用的時窗，對應(yīng)的各個觀測時間見表1。

表1 觀測時窗設(shè)置Table 1 Observation time windowsetting

設(shè)置模型中軌道電阻率設(shè)置為不同電阻率進(jìn)行測試，以分析不同電阻率的干擾體對探測的影響。

當(dāng)干擾體的電阻率變化時，各種情況下的響應(yīng)曲線如圖5 所示，圖中顯示了無干擾時的響應(yīng)曲線和干擾體電阻率逐漸下降情況下的響應(yīng)曲線?？梢灾庇^的看到，干擾體會直接屏蔽部分響應(yīng)曲線中異常體的特征表象，并且使得特征表象出現(xiàn)位置相對后延。在隨著干擾體的電阻率的逐漸降低，其干擾影響逐漸增大。而當(dāng)干擾體的電阻率繼續(xù)降低，達(dá)到低于0.01 Ω·m 時，模擬得到的響應(yīng)曲線已經(jīng)完全無法觀測。存在干擾時，早期響應(yīng)曲線變化幅度小，曲線平穩(wěn)。在干擾電阻率變化時，早期響應(yīng)曲線幾乎沒什么變化。從模擬模型中可以分析出為什么在實(shí)際探測中，低阻或良導(dǎo)的干擾時普遍存在的情況下，早期信號基本沒有影響。

圖5 干擾體電阻率變化下的響應(yīng)曲線Fig.5 The response curve under the change of the interference body resistivity

通過瞬變電磁場的擴(kuò)散距離可以進(jìn)行解釋，根據(jù)擴(kuò)散距離的定義：

式中：μ 為磁導(dǎo)率；σ 為電導(dǎo)率；z 為局部電場在給定時間內(nèi)所能達(dá)到的最大擴(kuò)散距離。

低阻或良導(dǎo)干擾體的存在不僅會對實(shí)際探測中發(fā)射的一次場進(jìn)行吸收衰減，當(dāng)一次場到達(dá)異常體位置時其強(qiáng)度相比無干擾情況已經(jīng)大幅衰減；在關(guān)斷發(fā)射電流后，異常體感應(yīng)生成的二次場強(qiáng)度也因此降低，并且該二次場在返回過程中經(jīng)過干擾層還會被再次吸收衰減。同時，由于干擾體的電阻率較低，感應(yīng)電流在其中的衰減速度相對于在高阻介質(zhì)中要慢得多，這也是早期響應(yīng)曲線變化緩慢的原因，也導(dǎo)致了在接收二次場響應(yīng)時，不僅會接收到目標(biāo)探測區(qū)域的響應(yīng)，還會存在干擾體中二次場的疊加影響，并且干擾體的二次場強(qiáng)度因?yàn)槠涞妥璧奶卣鞫裢鈴?qiáng)大，使得異常體的響應(yīng)疊加了干擾體二次場響應(yīng)后的變化更加微弱，最終導(dǎo)致了異常體的響應(yīng)特征被其屏蔽的現(xiàn)象。

采用一維反演迭代算法實(shí)現(xiàn)擬合誤差曲線，圖6 顯示了設(shè)置的層狀模型的反演結(jié)果。圖6（a）為最終反演出的模型產(chǎn)生的預(yù)測數(shù)據(jù)dpred與實(shí)際模型正演模擬出的數(shù)據(jù)dobs對比結(jié)果，從圖像上來看，預(yù)測數(shù)據(jù)和觀測數(shù)據(jù)幾乎完全擬合。圖6（b）是實(shí)際模型電導(dǎo)率和反演出來的電導(dǎo)率的對比圖，從結(jié)果來看，反演效果比較符合實(shí)際情況，較好的反映了電導(dǎo)率參數(shù)隨深度變化的情況，其整體變化趨勢與實(shí)際模型是符合的。從圖7 的擬合誤差曲線可以看出，擬合誤差曲線收斂地很快，在通過多次迭代時即滿足了數(shù)據(jù)擬合最小化，再根據(jù)正則化約束對反演結(jié)果進(jìn)行加權(quán)調(diào)整模型結(jié)構(gòu)，最終達(dá)到期望的反演結(jié)果，已達(dá)到修正效果。

圖6 層狀模型反演結(jié)果Fig.6 Layered model inversion results

圖7 層狀模型反演的擬合誤差曲線Fig.7 The fitting error curve of layered model inversion

5 探測效果對比

在此次軌道巷底板方向單角度的探測圖中，可以明顯的對比出原始探測圖（圖8）與軌道良導(dǎo)體校正后探測成果圖（圖9）中的差異，當(dāng)巷道底板存在低電阻率的良導(dǎo)體軌道時，其探測成果中可以明顯的看出存在低電阻率的條帶狀，而進(jìn)行校正后，其干擾異常明顯的消失。

圖8 未消除良導(dǎo)體干擾底板探測成果圖Fig.8 Detection result of uneliminated good conductor interference floor

圖9 校正后巷道底板探測成果圖Fig.9 Detection result of roadway floor after correction

6 結(jié) 語

巷道中分布的鐵軌、皮帶支架等良導(dǎo)體會對探測數(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，因此在對實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之前需要對其進(jìn)行干擾的校正。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)，求取校正系數(shù)并將其應(yīng)用到實(shí)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)具有較好的對應(yīng)性。將校正方法應(yīng)用到實(shí)際數(shù)據(jù)的反演處理中進(jìn)行測試，得到的電阻率剖面中低阻異常體的位置與實(shí)際數(shù)據(jù)中的低阻響應(yīng)特征具有較好的對應(yīng)性，將其與實(shí)際工區(qū)中探明的異常區(qū)域進(jìn)行對比進(jìn)一步確認(rèn)了反演結(jié)果的準(zhǔn)確性，以及校正方法的可行性。對采用相同觀測系統(tǒng)的探測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時相信能夠獲得更好的結(jié)果。