趙永亮

（1.河北煤炭科學研究院有限公司，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)和運輸設備等的影響，電磁探測設備接收的電磁響應受到強烈干擾，現(xiàn)有基于理想電磁環(huán)境建立的瞬變電磁響應關系和處理解釋算法難以適用，甚至出現(xiàn)錯誤的處理解釋結果。另外，探測環(huán)境的復雜性與儀器設備的多樣性使瞬變電磁數(shù)據(jù)質量參差不齊，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，需要對瞬變電磁測量的采集觀測系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，對探測的電磁數(shù)據(jù)質量進行評估，結合瞬變電磁數(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 掘進前方超前探測

1.1 礦井水文地質條件

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，該工作面煤層結構復雜，沉積穩(wěn)定，一般含多層夾矸。

圖1 9303 皮帶巷掘進工程平面示意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，為局部富水性強的溶洞裂隙承壓含水層，掘進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，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 處對目標位置進行探測。探測位置為掘進迎頭處，現(xiàn)場采用錨網(wǎng)支護，左幫掛有風筒；右?guī)蛼煊泄苈芳半娎|若干，掘進機、皮帶機頭距迎頭20 m，迎頭處低洼積水，以上條件對電磁探測設備接收的電磁響應具有較大干擾。

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計示意Fig.2 Design of transient electromagnetic advanced detection work

2 數(shù)據(jù)質量分析

瞬變電磁首先對原始數(shù)據(jù)進行預處理，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，轉換為電位信號。

將現(xiàn)場探測數(shù)據(jù)導入專用處理軟件，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，當接收線框接收方向在正前方向時，一次場場強值最高，接收線框接收方向為巷道外幫時，一次場場強值最小，變化曲線呈拋物線對稱狀，結合現(xiàn)場條件，迎頭位置兩側清理干凈，探測外幫時影響較小，掘進機位于探測位置正后方，正前方向干擾最強，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)和運輸設備等均會對接收信號產(chǎn)生干擾，導致原始數(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行估計計算，估計計算偏差會對最終結果產(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 復雜電磁環(huán)境的參數(shù)模型與高效電磁響應模擬方法

鐵軌、金屬管路等電磁參數(shù)異常體，用離散介質模型表征為電磁參數(shù)模型，采用等效介質模型將離散介質模型變換為電磁參數(shù)模型；用三維有限差分方法實現(xiàn)瞬變電磁響應正演模擬與響應特征分析，用3D 交錯網(wǎng)格有限差分解麥克斯韋（Maxwell）方程，導出復雜介質的電磁響應離散關系，用于分析三維電磁測量中非均勻分布典型電磁參數(shù)異常體對電磁響應異常的影響；為了提高復雜模型的計算精度和速度，需要建設多源數(shù)據(jù)處理中心，以利用更多的計算機資源，進行基于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計算效率，實現(xiàn)多源模型的瞬變電磁響應的計算。

3.2 建立實測電磁數(shù)據(jù)質量評價標準與量化指標體系

以正演計算為基礎，對電磁數(shù)據(jù)進行頻域反演數(shù)據(jù)的反演算法測試。具體包括：以正演計算為基礎，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)質量評價標準與量化指標體系

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，對瞬變電磁測量的采集觀測系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，實現(xiàn)瞬變電磁探測數(shù)據(jù)質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)進行反演測試，將反演結果與實際地質信息分布進行對比，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行排列繪制響應曲線圖如圖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干擾導致的早期響應曲線平緩的特征，采用前面說明的校正方法對其進行校正處理，得到的響應曲線如圖6所示，校正后的結果在保留了原本響應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)的幅值從近到遠逐漸降低，在70 m 處達到最低點，隨后緩慢變高，掘進機的存在使得正前方向測得的瞬變電磁響應幅值在近處出現(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，抗干擾能力差。經(jīng)超前探測的正演模擬和反演計算，以及與實際地質信息分布進行對比，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 結語

巷道中分布的鐵軌、鋼架支護等良導體會對探測的數(shù)據(jù)造成較強的干擾，在響應曲線上最直觀的表現(xiàn)就是早期的響應曲線較為平緩、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)進行處理之前需要對其進行干擾校正。首先模擬無干擾體存在的響應，再模擬存在干擾的響應，或者從實際數(shù)據(jù)中選取一道無異常體響應特征的數(shù)據(jù)作為校正的基準，求取校正系數(shù)并將其應用到實際數(shù)據(jù)的校正中。校正后的數(shù)據(jù)在保存異常響應特征的同時，也基本消除了干擾對響應的影響，雖然異常體的響應特征被一定程度的削弱，但仍與原始數(shù)據(jù)有較好的對應性。

模擬計算與分析不同電性異常體的瞬變電磁響應特，研究瞬變電磁響應與礦區(qū)地下富水區(qū)分布狀態(tài)的關系，區(qū)分富水區(qū)瞬變電磁響應異常與巷道導軌、機械、鋼鐵支護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)的質量，對礦區(qū)瞬變電磁探測中的觀測系統(tǒng)進行設計和優(yōu)化，以期獲得較高質量的數(shù)據(jù)，提高對含水異常體的解釋精度，及時預報掘進前方或側幫的隱伏導含水構造，為煤礦能安全掘進提供有力技術保障。