基于標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化的礦井瞬變電磁數(shù)據(jù)處理方法研究

周 彤

（中國煤炭地質(zhì)總局普查隊(duì)，江蘇 徐州 221006）

瞬變電磁技術(shù)是一種在人工磁場的基礎(chǔ)之上，對礦井進(jìn)行探測的物理探測方法。對礦井進(jìn)行電磁探測，可得視電阻率斷面，根據(jù)視電阻率斷面可對礦井工作環(huán)境進(jìn)行分析。而因礦井工作周圍環(huán)境復(fù)雜，裝備條件的不同，極易導(dǎo)致所得的視電阻率斷面特征異常，對后期的數(shù)據(jù)分析工作產(chǎn)生影響。

因此為提升資料分析精準(zhǔn)度，科研人員提出多種處理方法。例如，礦井瞬變電磁超前探測資料數(shù)據(jù)擴(kuò)散和疊加分析方法；借鑒地震資料處理辦法，將虛擬補(bǔ)償反演方法應(yīng)用于礦井瞬變電磁法資料處理中；借助合成孔項(xiàng)技術(shù)將其應(yīng)用于數(shù)據(jù)資料分析。總的來講，上述方法有利于提升數(shù)據(jù)資料分析精度，但處理方法復(fù)雜，普通技術(shù)人員在應(yīng)用方面存在一定難度。尤其是對于礦井瞬變電磁法探測集聚效應(yīng)相關(guān)因素的影響，會得到解釋精度較低的電子平面圖。因此本文提出利用標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，消除干擾因素，突出異常情況，提升對異常情況的解釋效率。

1 礦井瞬變電磁處理方法

1.1 基本原理

瞬變電磁法是一種基于在電子原理基礎(chǔ)上的人工電資源勘探方法，其利用地緣線和地回線向地下發(fā)送磁場，進(jìn)而從地下獲得電流情況。此種測量方法主要是基于電流的瞬間變化，來對礦井工作環(huán)境進(jìn)行測量。其在礦地周圍布置電線圈，并打開電流，形成磁場。感應(yīng)電流會隨著時間的變化而變化，隨后又在巖層周圍形成新的磁場，該磁場稱為二次磁場。由于巖層以及周圍介質(zhì)導(dǎo)電體內(nèi)部電流的損耗，二次磁場也會隨著時間的變化呈指數(shù)遞減，直至周圍的磁場能量完全消失。

瞬變電磁探測方法基本原理，與地面探測方法基本原理相一致，不同的是礦井瞬變電磁探測方法是在幾百米下的地下空間進(jìn)行，瞬變電磁成全空間分布，此時得到的瞬變電磁響應(yīng)為全空間效應(yīng)。

1.2 工作方法

根據(jù)產(chǎn)生磁場電磁波的特征，合理利用該技術(shù)，可對空地周圍工作環(huán)境進(jìn)行全方位的檢測。一般來講，探測線線框的平面位置即探測的基本方向，在實(shí)際的探測工作中，可根據(jù)探測方向的不同來適當(dāng)調(diào)整線圈位置，利用瞬變電磁探測法，可對礦地周圍的水文環(huán)境進(jìn)行檢測，也可對礦井工作面的工作環(huán)境進(jìn)行檢測。

首先是工作面富水性探測，該探測的主要工作方法是在具體的工作面中鋪設(shè)巷道槽，并逐個進(jìn)行探測。根據(jù)電磁產(chǎn)生的電磁波特性，可利用該技術(shù)對該地區(qū)的水文環(huán)境全方面檢測工作。一般情況下在進(jìn)行水文監(jiān)測時線圈的所在位置即為探測的主要方向，在實(shí)際工作中可根據(jù)探測對象地理位置的不同，將線圈調(diào)整到合理位置。可以精準(zhǔn)測量巖石層的含水情況。在實(shí)際探測中一般在同一巷道上進(jìn)行，并經(jīng)過后期的數(shù)據(jù)處理，可以得到不同層面上的連電特性，視電阻率斷面圖，并根據(jù)水文地質(zhì)資料，綜合分析該巖石層面的含水情況。

其次是前方地質(zhì)的超前探測，進(jìn)行前方地質(zhì)的超前探測。主要目的是探測前方地質(zhì)環(huán)境，確保前方地質(zhì)環(huán)境符合況下工作需求，避免因地質(zhì)條件的影響而產(chǎn)生礦下工作事故。在使用該方法進(jìn)行前方地質(zhì)條件測試時，一般將接收線圈接近掘進(jìn)迎頭位置。接收線圈的軸線方向即為探測的主要方向。從巷道的左方開始，在水平面上使接收線圈180°旋轉(zhuǎn)。首先，由左方向右方旋轉(zhuǎn)，依次偏轉(zhuǎn)50°、40°、30°、20°、10°。隨后由右向左偏轉(zhuǎn)，依次偏轉(zhuǎn)50°、40°、30°。在偏轉(zhuǎn)完成后，使線圈方向與探測及所在方向保持同一位置，隨后在該平面上，再次進(jìn)行從右偏50到左偏的線圈偏轉(zhuǎn)，通過此種方式全方位得出該平面的地質(zhì)情況。

2 標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化

標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化的工作方法，是對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行量化處理的一種方法，數(shù)據(jù)在標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化處理后，可將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為變量，不再具有單位，進(jìn)而消除因單位和外在條件對所得數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度產(chǎn)生的不良影響。使用標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行礦井瞬變電磁探測數(shù)據(jù)處理時可按照如下方法進(jìn)行，

首先按照一定深度間隔抽取某i點(diǎn)的等深度h數(shù)據(jù)，隨后求出每一組等深度數(shù)據(jù)Ci,h的平均值pi,h，其公式為，

其中a點(diǎn)為測試點(diǎn)數(shù)，最后求出數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差σi，其公式為。

在對等數(shù)據(jù)Ci,h進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化后，得到數(shù)據(jù)，其計(jì)算公式為。

將Ci,h與數(shù)據(jù)進(jìn)行替換，使用繪圖軟件來繪制深度，后面結(jié)合地質(zhì)資料對該地區(qū)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)分析。

3 數(shù)值模擬及工程驗(yàn)證

為了有效驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)處理效果，分別從數(shù)值模擬和工程實(shí)證兩個角度進(jìn)行分析。

3.1 數(shù)值模擬

首先在數(shù)據(jù)模擬角度，應(yīng)用瞬變電磁探測方法的數(shù)據(jù)模擬方法較多，其中瞬變電磁三維有限差分正演算法是應(yīng)用較多的一種瞬變電磁數(shù)據(jù)分析方法。

在時域瞬變電磁探測方法的基礎(chǔ)之上結(jié)合，瞬變電磁探測實(shí)際建立起地質(zhì)模型，并對瞬變電磁探測，磁場進(jìn)行演算，該模型包括巷道、半空間、低阻異常體，三部分，模擬巷道前方掘進(jìn)方向的含水量低阻異常情況，其中異常體為前方50m的正方體的主體體積和尺寸為30×30×30，圍巖電阻率為100，異常體視電阻率為1，巷道中間空氣為高阻，其視電阻率為1萬。以此來模擬巷道前方地質(zhì)超前探測工作，將發(fā)射回線設(shè)置為2m×2m。

本次演算采用GPU演算方法，使用浪潮大型服務(wù)器，對視域電磁場數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出巷道迎頭方向的瞬變電磁數(shù)據(jù)，并使用常規(guī)方法對該數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬。

對比上述兩個圖可以看出，在標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)之上所得出的，異常體的解釋范圍向異常體的所處空間的靠近，與實(shí)際模擬中的異常體所處方位相吻合。這表明，在標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)化方法基礎(chǔ)之上，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，能夠消除單位以及外在因素對數(shù)據(jù)處理精確度產(chǎn)生的影響，提升數(shù)據(jù)處理質(zhì)量，將異常體歸為真實(shí)空間位置，提升數(shù)據(jù)處理的解釋精度。

3.2 工程驗(yàn)證

隨后是進(jìn)行工程驗(yàn)證，以保障此次結(jié)果的精準(zhǔn)性。此次工程驗(yàn)證，是在某礦進(jìn)行。此次探測避開礦井的生產(chǎn)時間，利用礦井休息時間來進(jìn)行，此時掘進(jìn)機(jī)等設(shè)備一般處在離迎頭較遠(yuǎn)的位置，處于工作停止的狀態(tài)。在進(jìn)行檢測前期，要清除裝置附近的近鐵氣，減少鐵器對探測結(jié)果的干擾。在檢測過程中打開儀器的抗工頻干擾選項(xiàng)，在進(jìn)行現(xiàn)場檢測時，選擇合適的疊加次數(shù)以及相關(guān)測試參數(shù)，最大程度上壓制環(huán)境對測試結(jié)果產(chǎn)生的干擾以提升數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。在后期對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理過程中，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，剔除干擾因素。隨后對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，消除數(shù)據(jù)中的隨機(jī)干擾因素，隨后提升數(shù)據(jù)整體質(zhì)量，利用關(guān)斷時間校正等方法，最后得出數(shù)據(jù)處理結(jié)果，生成數(shù)據(jù)處理圖，此次的工程實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理圖，如圖1~2所示。

圖1和圖2是利用常規(guī)方法和標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化處理方法所得的數(shù)據(jù)結(jié)果，其中圖1是常規(guī)式的數(shù)據(jù)處理辦法，由圖1可以看出，該圖中的視電阻率呈等線呈現(xiàn)，以掘進(jìn)工作面為中心點(diǎn)呈圓形狀。該圖中共有兩處異常體位置，1號異常體位置位于掘進(jìn)工作面，2號異常體位置位于掘進(jìn)工作面的圓心位置，1號異常體靠近掘進(jìn)工作面的右側(cè)，異常的實(shí)際范圍相對較小。

圖1 現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)

圖2 標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化異常解釋

圖2是基于標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化算法為基礎(chǔ)所得的數(shù)據(jù)異常處理圖，從該圖中可以看出共有兩處異常體位置，位于圖中的右側(cè)位置是已知的積水采空區(qū)。圖1中的1號異常體位置并未在圖2中發(fā)現(xiàn)，后經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證可以得知，圖1中1號異常體位置為砂巖裂隙含水區(qū)。

對比圖1和圖2兩個數(shù)據(jù)圖可以得知，超前探測的水平方向大致位于均質(zhì)分布的實(shí)體，視電阻率不應(yīng)成同心圓狀分布。而且用標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，所得的地質(zhì)結(jié)構(gòu)大致與水文探測結(jié)果相一致，驗(yàn)證了該方法的有效性。

4 結(jié)論與建議

采取瞬變電磁探測方法對所得結(jié)果進(jìn)行分析，可在大程度上降低單位以及外因素對數(shù)據(jù)處理精準(zhǔn)性產(chǎn)生的影響。因此在實(shí)際工作期間，利用外在手段來降低干擾因素對探測結(jié)果產(chǎn)生的影響之外，還可利用標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)處理方法來對后期數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。采用標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)處理方法，對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以消除單位以及外界干擾因素對數(shù)據(jù)分析精準(zhǔn)度產(chǎn)生的影響。經(jīng)過數(shù)據(jù)模擬以及實(shí)際工程測量可以得知，利用標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)處理方法，可在瞬變電磁超前探測時，消除不良因素對數(shù)據(jù)精確性產(chǎn)生的影響，監(jiān)視視電阻率異常變化，精準(zhǔn)突出異常體，且所得的異常體在后期的工作中也有所驗(yàn)證。下一步將結(jié)合具體的工作面進(jìn)行分析，進(jìn)一步驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)處理方法對減少干擾因素對數(shù)據(jù)精確性產(chǎn)生影響的有效性。