矿井瞬变电磁金属干扰响应特征与校正方法

周 金，程久龙，温来福(中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

矿井瞬变电磁金属干扰响应特征与校正方法

周 金，程久龙，温来福
(中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

为了消除巷道内金属干扰对矿井瞬变电磁探测的影响，以常见的铁轨干扰源为例，采用井下实验方法系统分析了铁轨影响下不同距离、不同方向和不同探测模式等情况的瞬变电磁响应特征和影响规律，发现铁轨的存在导致感应电动势幅值增大，且不同情况的探测响应差异较大。通过计算有无干扰的归一化感应电动势比值得到各时间窗的校正系数，在其基础上提出拟合函数校正法，并将其应用到某煤矿工作面顶板探测中。实际应用结果表明：基于拟合函数的校正方法能够较好的剔除干扰异常，准确反映煤层顶板含水异常区的范围和赋水程度，明显提高金属干扰下矿井瞬变电磁探测含水异常区的准确性。

矿井瞬变电磁；金属干扰；响应特征；拟合函数；干扰校正

0 引 言

我国国民经济的持续高速发展离不开能源和矿产资源的支撑，在未来较长一段时间内煤炭依然是我国能源结构中最重要的基础能源[1]。随着煤炭资源开采规模逐步扩大，开采深度逐渐加深，深部煤系地层赋存条件更为复杂，由于对工作面和煤层顶底板内存在的断层、老空区、陷落柱、富水区、导水通道等构造状况不明，导致矿井突水事故频发，严重影响和制约着煤矿安全生产[2]。矿井瞬变电磁法能够实现对工作面顶底板富水性构造和掘进迎头超前探测富水区进行针对性探查，成为矿井水害探测优先采用的物探方法。但井下巷道内存在掘进机、铁轨、锚网、锚杆等金属干扰，在不同程度上造成瞬变电磁信号的失真，因此分析干扰的作用特点，对存在金属干扰的瞬变电磁数据进行校正，提取异常的有效信号，是准确定位含水体空间位置和分布范围的关键[3]。目前对于矿井瞬变电磁金属干扰的校正没有比较成熟的方法，主要通过信号的接收以及后期的信号处理来解决。于景邨等[3]、王明明等[4]、周嗣辉等[5]、张军[6]采用物理模拟和井下试验方法，通过计算有无干扰条件下视电阻率比值得到校正系数，并提出了相应的校正方法；范涛等以衰减曲线斜率作为干扰判别机制，可以快速压制干扰，恢复原始信号[7]；胡雄武等采用数值模拟和物理模拟对锚杆的感应场响应特征进行了分析，并获得了相应的校正方法[8]；周璇等将井下巷道支护的金属棚架等效为金属薄层进行数值模拟，并计算不同厚度薄层的响应特征规律，得到校正参数对干扰数据进行校正[9]；孙怀凤等讨论了隧道瞬变电磁超前探测中强干扰源的响应规律，并根据叠加原理采用减除的方法进行了干扰校正[10]。本文以巷道内比较典型的金属干扰源——铁轨为例，对不同距离、方向和模式探测的全空间瞬变电磁响应特征进行分析，在校正系数的基础上提出拟合函数校正法，并将该方法应用于实际工程探测资料的校正处理，以期提高应用实效。

1 矿井巷道内金属干扰影响下的瞬变电磁响应特征

矿井瞬变电磁测量中的干扰因素较多，最为典型的是铁轨、锚网、锚杆、掘进机等井下人文设施。其中铁轨在矿井瞬变电磁法探测中属于线性低阻体，在巷道中延伸较长，具有连续性，因此分别测量与铁轨不同距离、不同方向以及不同探测模式等情况下瞬变电磁响应，分析干扰的响应特征和影响规律。

1.1 实验方案设计

受巷道空间的限制，采用边长2 m的线框作为收发装置，重叠回线装置测量，中间时间序列100个窗口采样，32次叠加，设计巷道超前探测和工作面顶底板探测两种方案进行实验。

1)巷道超前探测模式(探测线框不与铁轨接触)。如图1(a)所示，图中虚线表示探测线框位置，分别在距铁轨内2 m、0 m、铁轨外2 m、4 m、6 m五个位置采集，实线箭头表示每个位置的探测方向，分别为左侧帮-45°、正前方0°和右侧帮45°。

2)工作面顶底板探测模式(探测线框不与铁轨接触)。如图1(b)所示，图中虚线表示探测线框及其所在位置，分别在①、②、③、④、⑤位置进行探测，五个位置分别为探测线框右侧边距离铁轨内2 m、0 m，铁轨外2 m、4 m、6 m。

图1 不同探测模式示意图

1.2 金属干扰影响下响应特征分析

根据既定实验方案，在山东某矿巷道内进行了矿井瞬变电磁金属干扰现场实验，并获得了有效的实验数据。针对不同情况下干扰对感应电动势影响，通过数据成图对比分析干扰的响应特征。

图3 巷道超前探测模式铁轨外4 m距离不同角度感应电动势衰减曲线对比图

图4 工作面顶底板探测模式不同距离感应电动势测衰减曲线对比图

图2为巷道超前探测时线框位于铁轨内2 m、0 m，铁轨外2 m、4 m、6 m处不同方向的感应电动势衰减曲线，图3为超前探测模式下线框位于铁轨外4 m处±45°和0°方向的感应电动势衰减曲线，图4为工作面顶底板探测时位于不同距离处的感应电动势衰减曲线。从图2和图4可以看出，当探测线框位于铁轨内时，测点的感应电动势幅值明显大于线框位于铁轨外的三个测点，最大幅值高出两个数量级，干扰响应强度与铁轨外距离呈反相关关系，距离增大到一定程度后影响减弱，距离6 m时几乎无影响；此外，当采用工作面顶底板探测模式时，铁轨内与铁轨外测点的感应电动势幅值差距明显要大于超前探测模式，说明工作面顶底板探测模式受干扰影响更大。从图3可以看出±45°方向的感应电动势幅值明显大于0°方向，表明线框法线与铁轨呈一定角度探测时耦合较好，信号受干扰影响更强。

2 金属干扰校正方法

2.1 校正系数

由于金属干扰信号与有效信号相互叠加，不能简单地使用滤波、平滑等手段来压制干扰，不仅无法实现干扰压制和信噪分离，反而易造成有效信号失真，因此选择合适的干扰校正方法是能否有效提高信噪比的关键。

矿井瞬变电磁法视电阻率公式，见式(1)[11]。

(1)

式中：β为比例系数；ST、SR是发射和接收线框面积；NT、NR为发射和接收线框匝数；A0为校正后的归一化感应电动势；t为衰减时间。

在井下巷道工作装置和测量条件相同的情况下，没有金属体干扰和有金属体干扰的归一化感应电动势分别为A0和A1，令校正系数A=A1/A0，可根据A0=A1/A对含干扰的数据进行校正处理。

2.2 拟合函数校正法

根据井下实测数据对比分析，存在金属干扰时瞬变电磁感应电动势幅值变大，衰减变慢，A与时间t存在一定规律。选择适当阶数，经多项式拟合计算可获得校正系数A的拟合函数pn(t)。式(1)引入拟合函数pn(t)后，得出式(2)。

ρτ=6.32×10-12β(STNT)2/3(SRNR)2/3

(2)

由式(2)，根据不同金属干扰体(如掘进机、锚杆、锚网等)的校正拟合函数pn(t)和有干扰情况下的归一化感应电动势V1/I1，便可对有金属体影响的测量数据进行校正，够保证在不失真的条件下去除干扰因素，具有较高的可靠性。

以距离铁轨6 m探测的数据作为无干扰数据，采用最小二乘法计算铁轨内2 m、0 m，铁轨外2 m、4 m探测的多项式拟合函数pn(t)。

从图5中可知，多项式拟合函数曲线同前文所分析的干扰影响规律相对应，干扰响应强度随着线框与铁轨距离的增大而减小，到一定距离(4 m)后影响较弱，实际探测中应尽量使线框与铁轨的距离大于4 m，降低干扰影响。巷道超前探测模式中干扰主要影响衰减的中期30～50 ms段数据，对早期和晚期数据影响较小；工作面顶底板探测模式中干扰响应强度随着衰减延时而增大，使晚期数据产生畸变。

3 工程应用

采用式(2)拟合函数校正法对某矿工作面顶底板实测数据进行干扰校正，对比分析校正前后的视电阻率断面图，验证校正方法的有效性。该工作面地质构造较为复杂，在巷道掘进过程中共揭露落差不一的断层27条，对回采造成很大影响，且巷道底板铺设有铁轨，使探测的数据产生畸变。数据采集时使线框尽量处于巷道中间位置远离两侧帮的锚网支护，记录资料采集过程中线框与铁轨的距离和角度，以及其他干扰情况，保证实测资料的质量。以顶板90°方向探测为例，图6为校正前的视电阻率断面图，工作面有效信号被干扰响应所覆盖，显示为整体低阻异常，无法辨别实际低阻异常。

图5 铁轨拟合函数曲线

图7为经过校正之后的视电阻率断面图，图中顶板位置整体视电阻率较高，仅存在四处相对低阻区，顶板在此位置属于二叠系砂岩层，为相对弱含水区。金属干扰的响应得到剔除，校正后的视电阻率断面图可以反映巷道顶底板岩层的电性特征。经钻探验证，仅在3#和4#异常区的钻孔有少量出水，其他钻孔位置基本无水，取得了良好的探测效果。

4 结 论

1)金属体的存在导致瞬变电磁响应幅值增大，影响程度随距离的增大而减弱，在达到一定距离后影响不明显，能够反应真实地层的瞬变电磁响应特征。

图6 工作面顶板矿井瞬变电磁视电阻率断面图(校正前)

图7 工作面顶板矿井瞬变电磁视电阻率断面图(校正后)

2)不同探测模式下金属干扰影响差别较大，巷道超前探测模式中线框法线与巷道走向呈一定角度探测时受干扰更强，且干扰响应主要集中在中期30～50 ms内，早期和晚期数据受影响相对较小；工作面顶底板探测模式中干扰响应强度随时间延迟而增大，使晚期数据产生严重畸变。

3)采用拟合函数校正法能够在不失真的条件下剔除金属体干扰响应，较准确地还原地层的真实电性特征，提高了金属干扰下矿井瞬变电磁探测含水异常体的准确性。

本文仅仅从受金属干扰影响后的结果进行去干扰处理，没有研究金属干扰本身的瞬变电磁响应机制，且井下实际环境更为复杂，如何对同时存在多种干扰的资料进行校正处理还有待进一步探讨。

[1] 薛国强，于景邨.瞬变电磁法在煤炭领域的研究与应用新进展[J].地球物理学进展，2017，32(1)：319-326.

[2] 张欢，彭刘亚.矿井瞬变电磁场井下人文噪声干扰物理模拟[J].工程地球物理学报，2010，7(6)：679-683.

[3] 于景邨，刘树才，王扬州.巷道内金属体瞬变电磁响应特征及处理技术[J].煤炭学报，2008，33(12)：1403-1407.

[4] 王明明，刘志新，雷枫.铁轨影响下煤层底板瞬变电磁探测技术应用[J].煤矿安全，2013，44(4)：162-164.

[5] 周嗣辉，于景邨，常江浩，等.锚网支护下矿井瞬变电磁响应特征及处理技术研究[J].矿业安全与环保，2014，41(3)：17-23.

[6] 张军.矿井瞬变电磁超前探测干扰校正技术研究[J].物探化探计算技术，2017，39(1)：17-22.

[7] 范涛，安绍鹏，王秀臣，等.煤矿采空区探测中的瞬变电磁干扰压制[J].物探与化探，2012，36(6)：1006-1009.

[8] 胡雄武，张平松，成桦，等.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.

[9] 周璇，刘树才，常江浩，等.金属棚支架对矿井瞬变电磁探测影响及校正技术[J].煤炭科学技术，2014，42(11)：101-104．

[10] 孙怀凤，李貅，卢绪山，等.隧道强干扰环境瞬变电磁响应规律与校正方法：以TBM为例[J].地球物理学报，2016，59(12)：4720-4732.

[11] 于景邨.矿井瞬变电磁法理论与应用技术研究[D].徐州：中国矿业大学，2001.

Response characteristics of metallic facilities and correction method on mine transient electromagnetic surveying

ZHOU Jin，CHENG Jiulong，WEN Laifu
(College of Geoscience and Surveying Engineering，China University of Mining and Technology (Beijing)，Beijing 100083，China)

In order to eliminate the effect of metal facilities in the roadway on mine transient electromagnetic surveying，take trail interference sources for example，the transient electromagnetic response characteristics were analyzed by method of field experiment，with different distance，direction and modes between the wire-frame and tracks.It showed that the induction electromotive force amplitude increased under the influence of the tracks，and there was great difference of the response characteristics obtained in different condition.By calculating the induction electromotive force ratio of different time windows in interference and non-interference environment，the correction method of fitting function was proposed，and was used to correct the disturbed data of practical engineering.The results show that the fitting function correcting method can remove the abnormal interference in disturbed data，and better reflect the feature of abnormalities in coal seam roof，improving the detection accuracy of water anomaly by method of mine transient electromagnetic survey.

mine transient electromagnetic method；effect of metallic facilities；response characteristics；fitting function；correction method

2017-03-05 责任编辑：宋菲

国家自然科学基金项目资助(编号：51574250)

周金(1991-)，男，重庆人，硕士研究生，研究方向为矿井瞬变电磁理论与应用研究，E-mail：zhoujin628@163.com。

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1004-4051(2017)08-0146-04