基于標準差標準化的礦井瞬變電磁數據處理方法研究

周 彤

（中國煤炭地質總局普查隊，江蘇 徐州 221006）

瞬變電磁技術是一種在人工磁場的基礎之上，對礦井進行探測的物理探測方法。對礦井進行電磁探測，可得視電阻率斷面，根據視電阻率斷面可對礦井工作環境進行分析。而因礦井工作周圍環境復雜，裝備條件的不同，極易導致所得的視電阻率斷面特征異常，對后期的數據分析工作產生影響。

因此為提升資料分析精準度，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據擴散和疊加分析方法；借鑒地震資料處理辦法，將虛擬補償反演方法應用于礦井瞬變電磁法資料處理中；借助合成孔項技術將其應用于數據資料分析?？偟膩碇v，上述方法有利于提升數據資料分析精度，但處理方法復雜，普通技術人員在應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相關因素的影響，會得到解釋精度較低的電子平面圖。因此本文提出利用標準差標準化進行數據處理，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送磁場，進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，來對礦井工作環境進行測量。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導電體內部電流的損耗，二次磁場也會隨著時間的變化呈指數遞減，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行，瞬變電磁成全空間分布，此時得到的瞬變電磁響應為全空間效應。

1.2 工作方法

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

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巷道槽，并逐個進行探測。根據電磁產生的電磁波特性，可利用該技術對該地區的水文環境全方面檢測工作。一般情況下在進行水文監測時線圈的所在位置即為探測的主要方向，在實際工作中可根據探測對象地理位置的不同，將線圈調整到合理位置?？梢跃珳蕼y量巖石層的含水情況。在實際探測中一般在同一巷道上進行，并經過后期的數據處理，可以得到不同層面上的連電特性，視電阻率斷面圖，并根據水文地質資料，綜合分析該巖石層面的含水情況。

其次是前方地質的超前探測，進行前方地質的超前探測。主要目的是探測前方地質環境，確保前方地質環境符合況下工作需求，避免因地質條件的影響而產生礦下工作事故。在使用該方法進行前方地質條件測試時，一般將接收線圈接近掘進迎頭位置。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。首先，由左方向右方旋轉，依次偏轉50°、40°、30°、20°、10°。隨后由右向左偏轉，依次偏轉50°、40°、30°。在偏轉完成后，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，再次進行從右偏50到左偏的線圈偏轉，通過此種方式全方位得出該平面的地質情況。

2 標準差標準化

標準差標準化的工作方法，是對所得數據進行量化處理的一種方法，數據在標準差標準化處理后，可將數據轉換為變量，不再具有單位，進而消除因單位和外在條件對所得數據精準度產生的不良影響。使用標準差標準化數據處理方法進行礦井瞬變電磁探測數據處理時可按照如下方法進行，

首先按照一定深度間隔抽取某i點的等深度h數據，隨后求出每一組等深度數據Ci,h的平均值pi,h，其公式為，

其中a點為測試點數，最后求出數據標準差σi，其公式為。

在對等數據Ci,h進行標準差標準化后，得到數據，其計算公式為。

將Ci,h與數據進行替換，使用繪圖軟件來繪制深度，后面結合地質資料對該地區進行標準差標準化的數據分析。

3 數值模擬及工程驗證

為了有效驗證標準差標準化的數據處理效果，分別從數值模擬和工程實證兩個角度進行分析。

3.1 數值模擬

首先在數據模擬角度，應用瞬變電磁探測方法的數據模擬方法較多，其中瞬變電磁三維有限差分正演算法是應用較多的一種瞬變電磁數據分析方法。

在時域瞬變電磁探測方法的基礎之上結合，瞬變電磁探測實際建立起地質模型，并對瞬變電磁探測，磁場進行演算，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超前探測工作，將發射回線設置為2m×2m。

本次演算采用GPU演算方法，使用浪潮大型服務器，對視域電磁場數據進行計算，得出巷道迎頭方向的瞬變電磁數據，并使用常規方法對該數據進行模擬。

對比上述兩個圖可以看出，在標準差標準化基礎之上所得出的，異常體的解釋范圍向異常體的所處空間的靠近，與實際模擬中的異常體所處方位相吻合。這表明，在標準化標準化方法基礎之上，對數據進行處理，能夠消除單位以及外在因素對數據處理精確度產生的影響，提升數據處理質量，將異常體歸為真實空間位置，提升數據處理的解釋精度。

3.2 工程驗證

隨后是進行工程驗證，以保障此次結果的精準性。此次工程驗證，是在某礦進行。此次探測避開礦井的生產時間，利用礦井休息時間來進行，此時掘進機等設備一般處在離迎頭較遠的位置，處于工作停止的狀態。在進行檢測前期，要清除裝置附近的近鐵氣，減少鐵器對探測結果的干擾。在檢測過程中打開儀器的抗工頻干擾選項，在進行現場檢測時，選擇合適的疊加次數以及相關測試參數，最大程度上壓制環境對測試結果產生的干擾以提升數據的精準性。在后期對數據進行處理過程中，首先對數據進行預處理，剔除干擾因素。隨后對數據進行濾波，消除數據中的隨機干擾因素，隨后提升數據整體質量，利用關斷時間校正等方法，最后得出數據處理結果，生成數據處理圖，此次的工程實驗數據處理圖，如圖1~2所示。

圖1和圖2是利用常規方法和標準差標準化處理方法所得的數據結果，其中圖1是常規式的數據處理辦法，由圖1可以看出，該圖中的視電阻率呈等線呈現，以掘進工作面為中心點呈圓形狀。該圖中共有兩處異常體位置，1號異常體位置位于掘進工作面，2號異常體位置位于掘進工作面的圓心位置，1號異常體靠近掘進工作面的右側，異常的實際范圍相對較小。

圖1 現場實測數據

圖2 標準差標準化異常解釋

圖2是基于標準差標準化算法為基礎所得的數據異常處理圖，從該圖中可以看出共有兩處異常體位置，位于圖中的右側位置是已知的積水采空區。圖1中的1號異常體位置并未在圖2中發現，后經實際驗證可以得知，圖1中1號異常體位置為砂巖裂隙含水區。

對比圖1和圖2兩個數據圖可以得知，超前探測的水平方向大致位于均質分布的實體，視電阻率不應成同心圓狀分布。而且用標準差標準化進行數據處理，所得的地質結構大致與水文探測結果相一致，驗證了該方法的有效性。

4 結論與建議

采取瞬變電磁探測方法對所得結果進行分析，可在大程度上降低單位以及外因素對數據處理精準性產生的影響。因此在實際工作期間，利用外在手段來降低干擾因素對探測結果產生的影響之外，還可利用標準差標準化數據處理方法來對后期數據進行處理。采用標準差標準化數據處理方法，對所得數據進行處理，可以消除單位以及外界干擾因素對數據分析精準度產生的影響。經過數據模擬以及實際工程測量可以得知，利用標準差標準化數據處理方法，可在瞬變電磁超前探測時，消除不良因素對數據精確性產生的影響，監視視電阻率異常變化，精準突出異常體，且所得的異常體在后期的工作中也有所驗證。下一步將結合具體的工作面進行分析，進一步驗證標準差標準化數據處理方法對減少干擾因素對數據精確性產生影響的有效性。