錨網支護對礦井瞬變電磁響應的影響與校正

時志浩，程久龍，2，董 毅，溫來福

（1.中國礦業大學（北京）地球科學與測繪工程學院，北京100083；2.中國礦業大學（北京）煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083）

煤炭資源在我國能源結構中仍占主導的地位。近年來，隨著我國對深部復雜賦存煤層的大力開采，水害已成為威脅煤礦生產的重大安全隱患[1]。礦井瞬變電磁法采用小回線裝置，具備施工高效、對低阻靈敏等優點[2]，在煤礦防治水工作中得到廣泛的應用，已發展成預防礦井水害的重要技術之一。其中的金屬錨網用于支護巖體滑落并固定在巷道側幫及頂板上，干擾瞬變電磁探測信號，給后續的數據處理和資料的準確解釋帶來很大困難。

目前，錨網支護等金屬體造成的礦井瞬變電磁信號失真處理方面，主要是通過對后期受干擾的數據進行一系列校正來還原真實信號。如于景邨等[3]、張軍[4]、胡雄武等[5]、周嗣輝等[6]采用物理模擬和井下試驗方法，研究礦井巷道各金屬體干擾下的瞬變電磁響應特征，分別獲得無金屬體影響和有金屬體影響下的視電阻率，通過相互比值得到每個時間窗口的校正系數，然后對有金屬體影響的測量數據進行校正，效果明顯。周璇等[7]通過數值模擬的方法，將井下巷道支護的金屬棚架等效為金屬薄層，通過改變金屬薄層的厚度來計算其響應特征規律，得到校正參數后對金屬棚架支護的金屬干擾處理校正，提高了解釋精度。前人對礦井中的鐵軌和巷道等干擾的響應特征做了大量研究，并給出了校正方法，但沒有針對施工中金屬錨網引起的干擾特征做深入研究。為此針對巷道內固定的金屬錨網干擾源為例，通過COMSOL數值模擬和井下實驗的途徑，研究在錨網支護的影響下，不同探測方向和不同距離時的瞬變電磁響應特征，并給出井下金屬干擾的瞬變電磁數據校正方法及施工建議。

1 錨網干擾下礦井瞬變電磁響應特征

金屬錨網是目前礦井必不可少的支護方式，在礦井瞬變電磁探測中屬于面積較大但體積較小的金屬干擾，鋪設于巷道整體，不可移動，具有連續性。采用COMSOL軟件模擬與井下試驗相結合的方法，通過研究線框距錨網不同位置和不同探測方向時的礦井瞬變電磁響應特征，分析施工中錨網干擾源的影響規律。

1.1 COMSOL數值模擬

COMSOL Multiphysics軟件是一款大型多物理場建模與仿真的軟件，具有友好的可視化操作界面，且軟件集成高精度的數據提取分析工具，通過軟件仿真模擬能夠更加準確的分析礦井瞬變電磁波場的傳播規律[8]。先借助軟件建立巷道全空間模型，設置巷道寬5 m，高6 m，長200 m，巷道中介質設為空氣，在巷道側幫以及迎頭設置層厚為0.1 m的鐵質錨網。然后對設置的三維模型進行非均勻四面體網格剖分。通過引用step1階躍函數，建立峰值電流5 A，關斷時間0.1 ms的階躍電流函數，以向發射線圈中加載階躍電流的方式模擬發射線圈中瞬變電磁場的建立過程。

1）有無錨網支護瞬變電磁響應對比。有錨網支護與無錨網支護下的感應電位衰減曲線如圖1。可以看出，在錨網支護條件下可以探測到異常反應，但測點的感應電位幅值明顯大于無錨網支護下的感應電位，其最高幅值高出約2個數量級，錨網造成的干擾嚴重掩蓋了有用信號，給反演解釋帶來困難。

圖1 有無錨網支護瞬變電磁衰減曲線

2）不同探測距離下響應特征對比。發射線框與錨網不同探測距離時的礦井瞬變電磁響應衰減曲線如圖2，不同的探測距離下受干擾程度不同。探測距離小，干擾影響大;隨著探測距離增大，干擾影響呈數量級減小，當增大到一定程度時，其影響基本可以忽略。錨網干擾體的瞬變電磁響應程度隨著探測距離的變化呈現反相關關系。

圖2 錨網支護下不同距離瞬變電磁衰減曲線

根據COMSOL模擬結果可得，礦井瞬變電磁響應信號受錨網支護的干擾影響較大，容易使實測數據失真，偏離礦井真實電性特征，直接將受干擾的數據用于反演解釋，可能得出錯誤的結論。

1.2 井下瞬變電磁干擾試驗

為獲取不同探測方向時錨網支護對礦井瞬變電磁響應的影響規律，根據井下實際的探測條件，采用澳大利亞Terra-TEM型瞬變電磁儀，2 m×2 m邊長線框的重疊回線裝置，疊加次數32次。考慮錨網支護具有較大的面積，認為當探測線框與其成不同的探測方向時，受到的影響理論上應該有所不同。本次試驗中金屬錨網巷道支護位于右側幫及頂板處，左側幫為塑料錨網支護。因此設計以下2組試驗方案：①線框法線垂直于巷道方向：巷道寬度5 m，分別探測線框中心距右側幫 0、1、2、3、4、5 m 共 5 組,設計試驗點6個，數據采集量6個;②線框法線平行于巷道方向：巷道寬度5 m，探測線框2 m，分別探測線框中心距右側幫1、2、3、4 m共4組,設計試驗點4個，數據采集量4個。金屬錨網感應電動勢衰減曲線對比圖如圖3。

圖3 金屬錨網感應電動勢衰減曲線對比圖

從圖3中可以看出，2種不同探測模式下的衰減曲線特征與COMSOL軟件模擬結果相近，當探測線框距離巷道錨網支護的側幫越近時，感應電動勢越高，衰減越慢，符合低阻體對二次場衰減的響應規律。從圖3（a）可以看出，當探測線框距離巷道錨網支護的右側幫距離0～4 m時，其感應電動勢與錨網距離呈現正相關。但距離達到5 m時，感應電動勢反而增大，這說明錨網支護在距離線框大于5 m后的影響已經很微弱，從而表現出來的是原有地質體的響應特征。圖3（b）中，線框距離右側幫在1～3 m時，感應電動勢衰減曲線幅值隨距離增大而減小，當達到4 m時，感應電動勢升高，說明此距離之下錨網的影響已經極弱。此外，當探測線框法線垂直于巷道方向時，感應電動勢幅值明顯要高于探測線框法線平行于巷道方向，故認為線框平面正對錨網平面時受到的干擾更大。

2 錨網干擾壓制技術

錨網支護對礦井瞬變電磁實測數據干擾影響大。因此在對原始數據數據處理時很有必要對實測數據進行校正，從而更加真實的體現出目標地質體的電性特征。礦井瞬變電磁視電阻率ρτ公式為[9]：

式中：C為全空間響應系數；S、s為發射和接收回線面積；N、n為發射和接收回線匝數；A0為校正后的感應電動勢，A0=A1/A；A為校正系數，是巷道有金屬干擾體和無金屬干擾體的比值；A1為校正前的感應電動勢；t為衰減時間。

用校正系數A的擬合函數Pn（t）對實測數據校正，引入校正擬合函數得到的視電阻率公式為[10]：

式中：V1/I1為干擾情況下的歸化感應電動勢。

根據錨網干擾體的校正函數Pn（t），對實測數據進行校正，能夠實現對有效信號的提取，從而確保對目標地質體的空間位置以及分布范圍較準確地進行定位。

3 應用實例

通過對巷道中金屬錨網支護對礦井瞬變電磁影響規律的研究分析發現，響應值會顯著增大。對受干擾的實測數據直接進行處理，得到的視電阻率會產生大的偏差。因此采用校正擬合函數法對榆林某煤礦超前探測實測數據進行校正處理，并對結果進行對比分析。

某煤礦被第四系松散沉積物覆蓋，堆積物主要有全新統風積沙、沖、洪積層，上更新統薩拉烏蘇組，中更新統離石組等。鉆孔揭露的地層還有：新近系上新統靜樂組，侏羅系中統直羅組、延安組，下統富縣組等。該礦2301工作面回風巷迎頭（1 971 m）侏羅系延安組地層中，可采煤層為3煤。礦區裂隙較發育且構造較多，易造成片幫冒頂事故，故巷道頂板以及側幫都設有金屬錨網支護，對實測數據影響較大。本次探測為驗證性探測，是在迎頭位置針對錨網干擾體進行的巷道超前探測。金屬錨網干擾校正前后對比圖如圖4。

圖4（a）中掘進工作面前方右側部分區域視電阻率明顯偏低，推測是由于金屬錨網的存在導致左側幫-40°到右側幫45°的50～120 m探測范圍內顯示相對低阻區，異常范圍大。圖4（b）是采用多項式擬合函數進行校正處理后繪制的視電阻率斷面圖，掌子面前方不再是大片低阻區，只在右側幫15°～30°的80～120 m探測范圍內存在低阻分布，金屬錨網造成的影響得到有效消除。后經鉆孔驗證，校正后的處理成果與實際水文地質情況相吻合。

圖4 金屬錨網干擾校正前后對比圖

4 結語

1）巷道中金屬錨網支護的存在使礦井瞬變電磁實測相應值顯著增大，反演出的視電阻率值明顯偏小，掩蓋有效信號，無法準確預測地質異常體的位置與范圍。

2）礦井瞬變電磁線框距金屬錨網一定距離范圍內，受干擾程度與距離遠近呈反相關關系。隨距離增大，錨網的影響逐漸變弱直至被實際地層二次場響應覆蓋，此時接受的信號可以看作不受錨網干擾影響，并能夠反映真實視電阻率分布規律。探測線框平面正對金屬體時受到的干擾響應大于其他探測方向。

3）采用多項式擬合函數能較好校正錨網造成的干擾，提取有效信號。在實際井下探測中，可將探測線框布置距錨網支護4 m外，降低探測數據受錨網影響程度，提高礦井瞬變電磁數據的反演解釋精度。