矿井瞬变电磁法干扰源测试研究

安晋松,寇子明,孟巧荣

(1.太原理工大学 机械工程学院,太原 030024;2.晋煤集团 技术研究院,山西 晋城 048000)

矿井瞬变电磁法干扰源测试研究

安晋松1,2,寇子明1,孟巧荣1

(1.太原理工大学 机械工程学院,太原 030024;2.晋煤集团 技术研究院,山西 晋城 048000)

矿井巷道掘进过程中,为了最大限度地剔除各种干扰源的瞬变电磁场的干扰,得到准确的探测结果,针对井下的主要干扰源如大型铁器、电力系统、锚网等进行了瞬变电磁法现场测试,并对不同干扰源的干扰特征进行了详细的分析研究。测试结果表明:顺层探测,大型铁器需退后10 m,而顶底板测量6 m后已基本没有影响;电力系统干扰只对10 μV/A以下探测数据有影响;锚网探测，测试线框要放在距锚网1 m左右的距离,锚网主要影响10 ms之前的测量结果。本结果可为井巷掘进超前探水提供详细的技术资料。

矿井掘进;瞬变电磁法;干扰源

瞬变电磁法也称时间域电磁法，是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场,在一次脉冲磁场间歇期间,利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。瞬变电磁法在高阻地区寻找低阻地质体比较灵敏且不受地形影响,可以提高探测深度，异常响应分辨能力强,几乎涉及物探工作的各个领域。最近几年,瞬变电磁法被应用在煤矿井下巷道及隧道超前探测方面,对巷道四周和工作面前方进行超前探测,预测可能存在的含水(层)、断层和陷落柱等,取得了较好的效果[1-6]。在煤矿井下瞬变电磁勘探中,存在大量强干扰体,像大型的采掘运输机械、锚杆支护、锚网、电缆、巷道侧帮排水管道等,这些金属设施会产生很强的瞬变电磁响应,是矿井瞬变电磁法勘探的主要噪声,对资料处理和解释结果的准确度具有较大影响,必须对这些人为设施产生的噪声影响进行校正处理,以便得出正确的解释结果[7]。文献[8]研究了在瞬变电磁法应用过程中,铁轨、金属管路对探测结果的影响特征,提出了视电阻率校正值的计算方法;文献[9]以锚杆作为主要干扰源,利用模型试验,分析锚杆对瞬变电磁探测的干扰程度及特征,初步确定锚杆的最大干扰距离为3 m,1.5 m内具有强干扰；文献[10]引入了用MT 正演改正法反演深度的方法，在反演计算的过程中,利用Bostick反演构造初始模型,通过比较初始模型视电阻率与实测视电阻率曲线,依次改正每一个电性层的电阻率和厚度。笔者较系统研究了矿井瞬变电磁法测量中各种噪声的瞬变电磁响应特征和处理方法,为现场勘探、数据采集、资料处理和解释工作提供一定指导。

1 大型铁器干扰测试

1.1 试验方案

本测试在晋煤集团苇町煤矿的某掘进煤巷中进行，以综掘机为测试对象。矿井不存在顶板淋水、底板积水现象,不存在地面高压线干扰,矿方可以提供停电条件,能切断施工区域100 m范围之内电力。瞬变电磁仪采用飞翼YCS160,2 m×2 m的多匝重叠回线装置,发射线框为26匝,接收线框为60匝。

在掘进头处做正前方的顶板45°、顺层和底板45°三个角度的探测。首先让掘进机距离线框2 m,做一组三角度测量;然后将综掘机向后移动,每移动2 m做一组测量。本次实验共测量8组,掘进机最终退至距线框16 m处。

1.2 实验结果及分析

图1 大型铁器干扰源试验中视电阻率深度等值线图

图1是8次测量的视电阻率深度曲线，并以等值线图的形式在一张图上表现出来。横向表示发射线框与综掘机之间的距离(m),纵向为探测深度(m)。其中图1-a为顶板45°的8次测量结果的成图,图1-b为顺层,图1-c为底板45°。

由图1-a和图1-c可知,在顶板45°和底板45°的实验中,从第3次测量开始,即发射线框距离综掘机6 m处,视电阻率值的变化趋缓，可以认为当距发射线框6 m时,综掘机对探测结果已基本没有影响。在顺层的实验中(如图1-b),从第5次测量开始,即发射线框距综掘机10 m处,视电阻率值的变化趋缓;但相对于顶底板的实验,此时的视电阻率值变化依然存在。由此可以看出,当距发射线框10 m时,综掘机对探测结果影响减小。

从实验结果可以看出,在实际测试中最常见的大型铁器——综掘机对顺层探测影响最大,要退后10 m才能减小影响；而顶底板测量6 m后已基本没有影响。所以在实际测试中,如条件允许,尽量还是将掘进机退后10 m以上，以保证数据质量。

由于本次实验过程中未能排除电力干扰的情况,所以在深度较大的探测区域存在大量跳点,故在视电阻率-深度等值线图中主要关注80 m内深度的视电阻率值。

2 井下电力系统干扰测试

2.1 试验方案

测试地点位于苇町煤矿的某条巷道中,巷道侧帮有一条电缆线,将测量线框放置在井下电缆经过的区域。在巷道中布置一条测线,测线长35 m,共8个测点,点距5 m,分别测量顶板45°、顺层0°、底板45°三个角度,在巷道内电缆断电前后分别测量两次,对比前后两次的测量数据及处理结果。

2.2 实验结果及分析

2.2.1 电位曲线对比

图2为测线上某测点的断电前后测量的电位曲线对比图。由图可知,两条曲线(除了无关计算的早期场)形态基本相似,但是在晚期场中,没有断电时存在明显的晚期场跳点(如图3所示)。

图2 井下电力干扰试验电位曲线对比图

图3 电流晚期场放大示意图

从图2图3中可以看出,电力干扰对电位曲线的基本形态不会造成影响。本次试验中的井下电力干扰产生的电场电位在1×101μV/A数量级上,从而对早期场能够产生的影响有限；但当仪器线圈接收到的感应电场电位下降到1×101μV/A数量级时,井下电力产生的电磁场就不再能被压制,所以电位曲线表现出两者叠加的形态(一条衰减曲线与一条或数条周期变化曲线的叠加),故在电位曲线晚期会表现出跳点。

在实际测试中,跳点虽然在理论上不会对所探测的异常分布产生影响,但是会对反演软件的计算造成干扰,导致深度计算错误甚至无法计算。如此情况只能靠人为修改数据,以使软件能够正常计算,这样就对结果产生了不确定性。

2.2.2 电阻率剖面图

图4-a、图4-b、图4-c为该条测线3个探测方向的电阻率剖面图的对比,横坐标为探测线长度8个探测点,纵坐标为探测深度。从图中可以看出，电力系统加电和不加电所显示的3种方向电阻率等值线图，除顶板45°方向15号点无电时测量的视电阻率偏高外,其余各点测量值基本相同。

3 井下锚网干扰测试

3.1 试验方案

井下掘进工作面侧帮有锚网支护,将发射线框垂直地面,与侧帮的锚网平行,依次测量。第一次紧贴锚网,随后每次后退20 cm,共测量12次。巷道中间有一道镏子,所以12次之后没有继续后退。

图4 井下电力系统干扰3种方向电阻率等值域图

3.2 实验结果及分析

3.2.1 电位曲线对比

图5为锚网干扰电位曲线对比图,图中12条曲线在一起不好分辨,在此取出曲线差异较大而又受电力干扰较小的1～30 ms区域放大对比,如图6所示。

图5 锚网干扰试验电位曲线对比

图6 电位曲线1～30 ms局部放大图

从图6可以看出，从40 cm曲线开始,曲线间的变化开始减小；80～160 cm的曲线基本相同；在160 cm之后,由于受到镏子影响,线圈接受到的感应电场电位又开始增大。

3.2.2 视电阻率对比

图7是几次测量的视电阻率-深度等值线图。横坐标表示线框与锚网的距离,纵坐标为探测深度。图中可知，同电位曲线所表现出的差异类似,80～160 cm几次测量的视电阻率值大致相当,变化较小。在此之前受锚网影响较明显,之后受镏子影响。

从实验结果看出,在距锚网80 cm后,发射线框受到锚网的影响比较小,所以建议以后工作中存在锚网时,将发射线框放在距锚网1 m左右的距离测量。

另外，从电位曲线看出,锚网影响主要位于10 ms之前,和镏子影响的几乎覆盖二次场全程还是略有区别。

4 结论

矿井瞬变电磁法是探查巷道掘进工作面前方水害的主要技术之一。由于井下巷道内的各种金属设施的干扰，严重影响探测效果。所以在矿井瞬变电磁法实际测量中,根据探测任务的要求和井下实际环境设施情况，选择合理的施工方法,不仅能有效完成探测任务,同时还可提高探测工作效率和减小测量中的劳动强度。笔者针对煤矿井下主要的干扰源进行了实体测试研究,获得如下结论:

图7 锚网干扰试验视电阻率-深度等值线图

1)在实际探测工作中，对于大型铁器(如综掘机)对顺层探测影响最大,要退后10 m才能减小影响,而顶底板测量6 m后已基本没有影响。

2)电力干扰对电位曲线的基本形态不会造成影响,只会影响到10 μV/A以下的数据。

3)锚网距测量线框80 cm后,对测量结果影响较小,所以建议将发射线框放在距锚网1 m左右的距离测量,锚网对测量结果影响主要位于10 ms之前。

[1] 韩德品,赵镨,李丹.矿井物探技术应用现状与发展展望[J].地球物理学进展,2009,24(5)：1839-1849.

[2] 李玉宝.煤矿井下物探技术发展回顾与展望[J].中国矿业,2012(8):449-453.

[3] 黄晓容.矿井瞬变电磁法在水害超前探测中的应用[J].矿业安全与环保,2013,40(3):77-83.

[4] 程久龙,李文,王玉和.工作面内隐伏含水体电法探测的实验研究[J].煤炭学报,2008,33(1):59-62.

[5] 唐新功,胡文宝,严良俊.瞬变电磁法找水研究[J].工程地球物理学报,2005,2(3):181-184.

[6] 张 军,赵 莹,李 萍.矿井瞬变电磁法在超前探测中的应用研究[J].工程地球物理学报,2012,9(1):49-53.

[7] 汤金云,于景郝.矿井瞬变电磁人噪声干扰及处理技术研究[J].煤矿开采,2008,13(2):32-34.

[8] 李智文.矿井瞬变电磁探测噪音特点及处理方法[J].河北煤炭,2010(1):18-19.

[9] 胡雄武,张平松.井下瞬变电磁法超前探测中锚杆干扰定量评价[J].岩石力学与工程学报,2013,32(S2):3275-3282.

[10] 范 涛,李文刚.瞬变电磁拟MT深度反演方法精细解释[J].煤炭学报,2013,38(S1):129-135.

(编辑：庞富祥)

The Experiment of Interference Sources to Transient Electromagnetic Method in Mine

AN Jinsong1，2，KOU Ziming1，MENG Qiaorong1

(1.CollegeofMechanicalEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China；2.TechnologyInstitute，JinchengMiningGroupCo.Ltd,Jincheng048000，China)

During the process of roadway construction in mine,the effect of advanced water exploration using transient electromagnetic method is often poor because of the interferences of electromagnetic field，So,the study on the interference characteristic and treatment methods has an important significance to improve the technology of advanced water exploration.In this article，in order to make the transient electromagnetic method to furthest eliminate the interference and accurately detect,we did some field tests of the main interference sources such as large iron，power disturbance，anchor net and conveyer,analyzed the interference characteristics in detail，and got a reasonable testing program which is instructive to the actual advanced detection.The test results show that：large iron has no effect on measure out of 10 m in the bedding detection and out of 6 m in the top and bottom of detection;the power interference has only effects on detection below 10 μV/A;the test wire frame should be put in the anchor net about 1m away，the anchor net only affects the measurement results within 10 ms.

mine; transient electromagnetic method; interference source

2014-08-19

国家十二五科技支撑计划资助项目:煤矿透水快速救援排水设备研究(SQ2012BAJY3504)

安晋松(1972-)，男，山西晋城人，在读硕士，工程师，主要从事煤矿井下超前物探研究，(Tel)18903569166

寇子明，教授，博导，(E-mail)zmkou@163.com,(Tel)13513604768

1007-9432(2015)01-0040-05

TH763

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.01.008