矿井瞬变电磁原始数据质量提升措施研究

2022-05-10闫圆圆张玉梁

科学技术创新 2022年14期

闫圆圆王文张玉梁

（北京探创资源科技有限公司，北京 100067）

1 序论

为了保证矿井安全生产，在煤炭矿井勘探水害防治中，瞬变电磁法具有对低阻体反应灵敏、分层性好、施工方式高效简单、探测精度高等优势，但当施工环境中存在金属、其他水体等自然或人文低阻体干扰时，原始数据会因受到干扰而使探测效果大打折扣。为尽量提高原始数据质量，文章将全面分析干扰因素和影响机制，从而提出降低干扰、提高数据质量的措施。

2 技术原理

矿井瞬变电磁法遵循电磁感应原理，工作机制是导电介质在阶跃变化的电磁场激发下而产生的涡流场效应，也就是利用一个不接地的回线或磁偶极子向地下发射脉冲电磁波作为激发场源（即“一次场”），围岩或探测目标体在激发场的作用下，在内部会产生感生涡流，实用专门仪器观测这种涡流产生的电磁场（即“二次场”）的强弱、空间分布和时间变化特性，利用该二次场的信息数据分析得到相关的水文地质信息。与地面瞬变电磁法不同的是，矿井中的激发场呈全空间分布，因此另外受到全空间效应的干扰影响。

3 干扰因素及数据采集提升措施

从提供低阻干扰体的来源来看，主要包括地质因素、人文干扰和其他因素等方面。

3.1 地质因素的干扰

在理想状态下，煤层本身及顶底板岩层均为均一岩性，由此得出的视电阻率等值线为互相平行的曲线，反演得到含水的结构体边缘清晰。然而实际情况中，煤层和周围的岩层均具有不均一性，煤的煤质、矿化程度、厚度、结构和夹矸等因素决定其视电阻率的变化范围为101～102Ω·m，岩层的成分、结构、构造、裂隙发育等因素导致其视电阻率值也与其理论值有较大不同。为了降低这些自然因素的干扰，可在相同施工环境中选择较为地质条件简单，煤层和顶底板岩层较为稳定的地段，均匀设置试验点，剔除跳点选取平均值，以减小偶然地质因素的干扰。

3.2 人文因素的干扰

在巷道中，人文干扰因素从成分上可以分为导体干扰和水体干扰两种，其中水体包括：防爆水槽、水仓、沉淀池和局部淋积水等，瞬变电磁探测过程中，与探测距离相比，以上人工水体会呈点状干扰电磁波的传播，但又因其视电阻率与目标水体相差较小，其影响结果通常为延长感应电磁场传播时间[1]，因而只需适当延长观测时间，便可得到较为准确的探测结果。

导体干扰的种类就更为多样，包括局部的综掘机、工字钢、锚杆支护等金属和发电机等动力设备，整条巷道的电缆、导线、铁轨、单轨吊车等和局部的水管、风管等金属，锚网等金属。金属的电阻率通常为10-2Ω·m，而目标水体为0.1～50Ω·m，因而其人工导体的干扰作用不可忽视。从探测方式上，常规包括超前探测和工作面顶底板探测两种。

3.2.1 超前探测

一般认为瞬变电磁探测线框平面的法线方向即为瞬变探测方向。巷道迎头做超前探测具体施工时，测点从巷道迎头的一侧开始，首先使发射、接收回线装置的法线垂直巷道侧面进行测量，然后旋转回线装置，使装置的法线方向与巷道的侧帮分别呈一定、逐渐增大的夹角进行探测；当回线装置的法线方向与巷道迎头界面垂直时，根据其主迎头断面的宽度布置2～3 个测点；到巷道迎头另一侧时再同刚才一样旋转回线装置，使回线装置的法线方向完成180°的旋转角度。同时还可以将回线装置的法线方向分别向上和向下与水平面成大约45°角，然后在进行如上的旋转探测。这样就可以得到一个以巷道迎头位置为中心的，向掘进方向的成半球体探测范围，从而可以全方位的确定巷道前方及其周围是否有低阻异常的存在（图1）。

图1 矿井瞬变电磁超前探测测点布置及探测范围示意图

在以上探测过程中，综掘机、锚杆和锚网分别以点状和面状的形式构成金属干扰。

3.2.1.1 综掘机会因全空间效应，在迎头正前方顺层探测方向形成低阻干扰，在现场施工时，掘进机后退至迎头后方20m 或更远时，现场探测受到干扰较小，在后期数据处理时需结合顶底板其他探测角度的结果和地质资料对其影响进行剔除。

3.2.1.2 锚杆锚网会对顶板探测形成一定程度干扰，前人研究表明，当线框平行锚网时对测量结果影响很小，可以忽略不计[2]，但在实际生产时，数据量过少可能会丢失地质信息，因此需找到锚网与线框的合适角度，在降低干扰的同时得到尽可能全面的信息。在保证简便易行的前提下，经过多次现场施工试验后可知，在锚网和线框达到45°夹角时，能达到干扰较小和数据量多的平衡。

3.2.2 工作面顶底板探测

矿井瞬变电磁法在煤矿井下巷道内进行，测点间距一般2～20m之间（常用10m）。将发射接收线框平面分别对准煤层顶板、底板或平行煤层方向进行探测，就可反映煤层顶底板岩层或平行煤层内部的地质异常。影响工作面顶底板含水构造的导体干扰包括工字钢、锚杆支护等金属形成局部干扰，整条巷道的铁轨、单轨吊车等和局部的水管、风管等金属，锚网等金属等。

3.2.2.1 金属管、工字钢。根据前人研究及实际施工经验可知，水管、风管等金属体内的电磁场分布是以管为中心的同心圆，以金属管附近有场强最大值，随距离向周围逐渐衰减[3]，且为避免其因全空间效应，对探测结果产生影响，因此当探测工作面顶板时，应将金属管沿巷道放到内帮底板正对位置的4m 以外，探测位置设置于外帮底板；当探测工作面底板时，应将金属管沿巷道摆放到外帮底板，探测位置设置于内帮底板正对位置4m以外，以将干扰降至最低。工字钢无法移动且由于一般巷道高度为4m 左右，所以主要对巷道顶板探测具有干扰影响，当探测位置位于附近2m 范围内无工字钢时，其干扰作用可以忽略。

3.2.2.2 铁轨、单轨吊车。铁轨、单轨吊车等都是存在于整条巷道的干扰，通常情况下，铁轨铺设在巷道底板，主要对巷道底板影响较大；单轨吊车布置于巷道顶板，主要对巷道顶板影响较大。前人研究结果显示，当线框法线与铁轨方向呈0°时信号受干扰影响最弱，夹角呈±45°时信号干扰最强；当线框距铁轨0m 时干扰影响最大，当距离4m 以上时，铁轨对数据采集的影响最小[4]。因此为保证数据采集质量，线框尽量位于巷道中心位置，当存在单轨道车探测顶板异常时，线框尽量贴地；当存在铁轨探测底板异常时，线框尽量举高，人为加大线框与铁轨之间的距离，同时记录好采集过程中线框与铁轨之间的距离和夹角，以便后期进行干扰校正。

3.2.2.3 电缆及其他金属导线。当巷道中存在通电的电缆或其他金属导线时，探测结果会受到严重干扰而在成果图件中显示大片的低阻区域范围；而在其断电情况下，对探测结果的影响较小[5]，可以等同于条状金属对其干扰影响，结合实际巷道情况，可以将探测位置尽量靠近对帮，使其间距大于1m，同时记录好采集过程中线框与铁轨之间的距离和夹角，以便后期进行干扰校正。

3.2.2.4 锚杆锚网。同超前探测施工方式时受到的干扰情况类似，锚杆锚网会对顶板探测形成一定程度干扰，当探测顶板时，线框应尽量靠近底板；探测顺层时，根据线框平行锚网时对测量结果影响很小的原则，线框可放置于贴近工作面的位置，可获得最大的数据量；在探测底板异常时，保证获得最大数据量即可，但在数据处理时应注意顶板锚网在全空间效应下对底板的干扰影响。

4 数据质量检测软件

为保证数据质量，现开发瞬变电磁法数据质量检测带检测点集成分析软件对单点数据和整体数据质量进行把控。该软件的主要用途是通过对采集到的瞬变电磁原始数据进行检测，定位数据质量不合格位置，对该位置的现场环境进行回顾或回访以便综合分析后排除人为干扰因素，并对排除后采集到的数据进行不断检测，直到达到合格标准，软件使用流程见图2。