礦井瞬變電磁原始數據質量提升措施研究

閆圓圓 王 文 張玉梁

（北京探創資源科技有限公司，北京 100067）

1 序論

為了保證礦井安全生產，在煤炭礦井勘探水害防治中，瞬變電磁法具有對低阻體反應靈敏、分層性好、施工方式高效簡單、探測精度高等優勢，但當施工環境中存在金屬、其他水體等自然或人文低阻體干擾時，原始數據會因受到干擾而使探測效果大打折扣。為盡量提高原始數據質量，文章將全面分析干擾因素和影響機制，從而提出降低干擾、提高數據質量的措施。

2 技術原理

礦井瞬變電磁法遵循電磁感應原理，工作機制是導電介質在階躍變化的電磁場激發下而產生的渦流場效應，也就是利用一個不接地的回線或磁偶極子向地下發射脈沖電磁波作為激發場源（即“一次場”），圍巖或探測目標體在激發場的作用下，在內部會產生感生渦流，實用專門儀器觀測這種渦流產生的電磁場（即“二次場”）的強弱、空間分布和時間變化特性，利用該二次場的信息數據分析得到相關的水文地質信息。與地面瞬變電磁法不同的是，礦井中的激發場呈全空間分布，因此另外受到全空間效應的干擾影響。

3 干擾因素及數據采集提升措施

從提供低阻干擾體的來源來看，主要包括地質因素、人文干擾和其他因素等方面。

3.1 地質因素的干擾

在理想狀態下，煤層本身及頂底板巖層均為均一巖性，由此得出的視電阻率等值線為互相平行的曲線，反演得到含水的結構體邊緣清晰。然而實際情況中，煤層和周圍的巖層均具有不均一性，煤的煤質、礦化程度、厚度、結構和夾矸等因素決定其視電阻率的變化范圍為101～102Ω·m，巖層的成分、結構、構造、裂隙發育等因素導致其視電阻率值也與其理論值有較大不同。為了降低這些自然因素的干擾，可在相同施工環境中選擇較為地質條件簡單，煤層和頂底板巖層較為穩定的地段，均勻設置試驗點，剔除跳點選取平均值，以減小偶然地質因素的干擾。

3.2 人文因素的干擾

在巷道中，人文干擾因素從成分上可以分為導體干擾和水體干擾兩種，其中水體包括：防爆水槽、水倉、沉淀池和局部淋積水等，瞬變電磁探測過程中，與探測距離相比，以上人工水體會呈點狀干擾電磁波的傳播，但又因其視電阻率與目標水體相差較小，其影響結果通常為延長感應電磁場傳播時間[1]，因而只需適當延長觀測時間，便可得到較為準確的探測結果。

導體干擾的種類就更為多樣，包括局部的綜掘機、工字鋼、錨桿支護等金屬和發電機等動力設備，整條巷道的電纜、導線、鐵軌、單軌吊車等和局部的水管、風管等金屬，錨網等金屬。金屬的電阻率通常為10-2Ω·m，而目標水體為0.1～50Ω·m，因而其人工導體的干擾作用不可忽視。從探測方式上，常規包括超前探測和工作面頂底板探測兩種。

3.2.1 超前探測

一般認為瞬變電磁探測線框平面的法線方向即為瞬變探測方向。巷道迎頭做超前探測具體施工時，測點從巷道迎頭的一側開始，首先使發射、接收回線裝置的法線垂直巷道側面進行測量，然后旋轉回線裝置，使裝置的法線方向與巷道的側幫分別呈一定、逐漸增大的夾角進行探測；當回線裝置的法線方向與巷道迎頭界面垂直時，根據其主迎頭斷面的寬度布置2～3 個測點；到巷道迎頭另一側時再同剛才一樣旋轉回線裝置，使回線裝置的法線方向完成180°的旋轉角度。同時還可以將回線裝置的法線方向分別向上和向下與水平面成大約45°角，然后在進行如上的旋轉探測。這樣就可以得到一個以巷道迎頭位置為中心的，向掘進方向的成半球體探測范圍，從而可以全方位的確定巷道前方及其周圍是否有低阻異常的存在（圖1）。

圖1 礦井瞬變電磁超前探測測點布置及探測范圍示意圖

在以上探測過程中，綜掘機、錨桿和錨網分別以點狀和面狀的形式構成金屬干擾。

3.2.1.1 綜掘機會因全空間效應，在迎頭正前方順層探測方向形成低阻干擾，在現場施工時，掘進機后退至迎頭后方20m 或更遠時，現場探測受到干擾較小，在后期數據處理時需結合頂底板其他探測角度的結果和地質資料對其影響進行剔除。

3.2.1.2 錨桿錨網會對頂板探測形成一定程度干擾，前人研究表明，當線框平行錨網時對測量結果影響很小，可以忽略不計[2]，但在實際生產時，數據量過少可能會丟失地質信息，因此需找到錨網與線框的合適角度，在降低干擾的同時得到盡可能全面的信息。在保證簡便易行的前提下，經過多次現場施工試驗后可知，在錨網和線框達到45°夾角時，能達到干擾較小和數據量多的平衡。

3.2.2 工作面頂底板探測

礦井瞬變電磁法在煤礦井下巷道內進行，測點間距一般2～20m之間（常用10m）。將發射接收線框平面分別對準煤層頂板、底板或平行煤層方向進行探測，就可反映煤層頂底板巖層或平行煤層內部的地質異常。影響工作面頂底板含水構造的導體干擾包括工字鋼、錨桿支護等金屬形成局部干擾，整條巷道的鐵軌、單軌吊車等和局部的水管、風管等金屬，錨網等金屬等。

3.2.2.1 金屬管、工字鋼。根據前人研究及實際施工經驗可知，水管、風管等金屬體內的電磁場分布是以管為中心的同心圓，以金屬管附近有場強最大值，隨距離向周圍逐漸衰減[3]，且為避免其因全空間效應，對探測結果產生影響，因此當探測工作面頂板時，應將金屬管沿巷道放到內幫底板正對位置的4m 以外，探測位置設置于外幫底板；當探測工作面底板時，應將金屬管沿巷道擺放到外幫底板，探測位置設置于內幫底板正對位置4m以外，以將干擾降至最低。工字鋼無法移動且由于一般巷道高度為4m 左右，所以主要對巷道頂板探測具有干擾影響，當探測位置位于附近2m 范圍內無工字鋼時，其干擾作用可以忽略。

3.2.2.2 鐵軌、單軌吊車。鐵軌、單軌吊車等都是存在于整條巷道的干擾，通常情況下，鐵軌鋪設在巷道底板，主要對巷道底板影響較大；單軌吊車布置于巷道頂板，主要對巷道頂板影響較大。前人研究結果顯示，當線框法線與鐵軌方向呈0°時信號受干擾影響最弱，夾角呈±45°時信號干擾最強；當線框距鐵軌0m 時干擾影響最大，當距離4m 以上時，鐵軌對數據采集的影響最小[4]。因此為保證數據采集質量，線框盡量位于巷道中心位置，當存在單軌道車探測頂板異常時，線框盡量貼地；當存在鐵軌探測底板異常時，線框盡量舉高，人為加大線框與鐵軌之間的距離，同時記錄好采集過程中線框與鐵軌之間的距離和夾角，以便后期進行干擾校正。

3.2.2.3 電纜及其他金屬導線。當巷道中存在通電的電纜或其他金屬導線時，探測結果會受到嚴重干擾而在成果圖件中顯示大片的低阻區域范圍；而在其斷電情況下，對探測結果的影響較小[5]，可以等同于條狀金屬對其干擾影響，結合實際巷道情況，可以將探測位置盡量靠近對幫，使其間距大于1m，同時記錄好采集過程中線框與鐵軌之間的距離和夾角，以便后期進行干擾校正。

3.2.2.4 錨桿錨網。同超前探測施工方式時受到的干擾情況類似，錨桿錨網會對頂板探測形成一定程度干擾，當探測頂板時，線框應盡量靠近底板；探測順層時，根據線框平行錨網時對測量結果影響很小的原則，線框可放置于貼近工作面的位置，可獲得最大的數據量；在探測底板異常時，保證獲得最大數據量即可，但在數據處理時應注意頂板錨網在全空間效應下對底板的干擾影響。

4 數據質量檢測軟件

為保證數據質量，現開發瞬變電磁法數據質量檢測帶檢測點集成分析軟件對單點數據和整體數據質量進行把控。該軟件的主要用途是通過對采集到的瞬變電磁原始數據進行檢測，定位數據質量不合格位置，對該位置的現場環境進行回顧或回訪以便綜合分析后排除人為干擾因素，并對排除后采集到的數據進行不斷檢測，直到達到合格標準，軟件使用流程見圖2。

圖2 數據質量檢測軟件使用流程

5 應用案例

5.1 工作面示例

使用該軟件對內蒙某煤礦回風順槽數據進行檢測，對其原始數據質量進行把控。該順槽共布置物理測點61 個，質量監測點12 個。

第一步，數據格式化，將sir 格式數據轉變為txt 文件格式（圖3），后導入txt 格式數據自動定位檢測點位置，輸出文件名_1 和文件名_2 兩個文件，依次查看檢測點兩次探測的對比曲線（圖4）。

圖3 數據格式化界面

圖4 單點兩次探測曲線

第二步，按照《煤炭電法勘探規范》（MT/T 898-2000）分別計算單點均方相對誤差和全區均方相對誤差，導入文件名_1 和文件名_2 兩個文件，計算結果見圖5a，數據質量不合格位置生成文件error.txt（圖5b），公式如下：

圖5 初始數據計算結果界面

（1）單點均方相對誤差

其中Vj（ti）、V'j（ti）分別表示第j 點第i 道的原始觀測和檢查觀測值，n 為參加計算的道數，Mj為單點的平均均方相對誤差。檢測單點均方相對誤差應不超出復測允許的±15%的范圍。

（2）全區均方相對誤差

式中Vj（ti）、V'j（ti）分別表示第j 點第i 道的原始觀測和檢查觀測值，m為檢查點數，n 為參加計算的道數，M為總的平均均方相對誤差。對全部檢查點進行統計，檢測總均方相對誤差應不超出復測允許的±15%的范圍，參與統計計算的受檢查點甩點率不超過總檢查點數的1%。

圖6 排除干擾后數據計算結果界面

第三步，依據計算結果error 文件中的數據和定位信息，對第2、5、6、9 測點處進行干擾排除，后重新計算見圖8，兩次結果在surfer 中對比見圖7，由圖中結果可知，排除干擾后減少了一處干擾低阻異常區。

圖7 工作面等值線斷面成果圖

5.2 超前探示例

又在內蒙另一煤礦巷道迎頭超前探測時進行了數據檢測，對其原始數據質量進行把控，兩次探測結果圖件見圖8。

圖8 超前探等值線斷面成果圖

依據計算該次結果error 文件中的數據和定位信息，對第右幫位置處測點處進行干擾排除，移除施工現場的金屬水管，后重新計算，兩次結果在surfer 中對比見圖8，由圖中結果可知，排除干擾后減少了右幫干擾低阻異常區。

6 結論

6.1 在礦井瞬變電磁法施工時，會受到地質因素、人文干擾和其他因素等不同來源的低阻干擾體干擾，使原始數據質量有所下降，在最終成圖解釋時出現假異常。

6.2 迎頭超前探測和工作面探測的不同方式探測時，不同干擾體的影響方式不同。

6.3 自主開發的數據質量檢測軟件可以有效定位數據采集時受到人文干擾的位置，輔助排除現場干擾，減少最終成果中的假異常。