锚网支护对矿井瞬变电磁响应的影响与校正

时志浩，程久龙，2，董 毅，温来福

（1.中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京100083；2.中国矿业大学（北京）煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083）

煤炭资源在我国能源结构中仍占主导的地位。近年来，随着我国对深部复杂赋存煤层的大力开采，水害已成为威胁煤矿生产的重大安全隐患[1]。矿井瞬变电磁法采用小回线装置，具备施工高效、对低阻灵敏等优点[2]，在煤矿防治水工作中得到广泛的应用，已发展成预防矿井水害的重要技术之一。其中的金属锚网用于支护岩体滑落并固定在巷道侧帮及顶板上，干扰瞬变电磁探测信号，给后续的数据处理和资料的准确解释带来很大困难。

目前，锚网支护等金属体造成的矿井瞬变电磁信号失真处理方面，主要是通过对后期受干扰的数据进行一系列校正来还原真实信号。如于景邨等[3]、张军[4]、胡雄武等[5]、周嗣辉等[6]采用物理模拟和井下试验方法，研究矿井巷道各金属体干扰下的瞬变电磁响应特征，分别获得无金属体影响和有金属体影响下的视电阻率，通过相互比值得到每个时间窗口的校正系数，然后对有金属体影响的测量数据进行校正，效果明显。周璇等[7]通过数值模拟的方法，将井下巷道支护的金属棚架等效为金属薄层，通过改变金属薄层的厚度来计算其响应特征规律，得到校正参数后对金属棚架支护的金属干扰处理校正，提高了解释精度。前人对矿井中的铁轨和巷道等干扰的响应特征做了大量研究，并给出了校正方法，但没有针对施工中金属锚网引起的干扰特征做深入研究。为此针对巷道内固定的金属锚网干扰源为例，通过COMSOL数值模拟和井下实验的途径，研究在锚网支护的影响下，不同探测方向和不同距离时的瞬变电磁响应特征，并给出井下金属干扰的瞬变电磁数据校正方法及施工建议。

1 锚网干扰下矿井瞬变电磁响应特征

金属锚网是目前矿井必不可少的支护方式，在矿井瞬变电磁探测中属于面积较大但体积较小的金属干扰，铺设于巷道整体，不可移动，具有连续性。采用COMSOL软件模拟与井下试验相结合的方法，通过研究线框距锚网不同位置和不同探测方向时的矿井瞬变电磁响应特征，分析施工中锚网干扰源的影响规律。

1.1 COMSOL数值模拟

COMSOL Multiphysics软件是一款大型多物理场建模与仿真的软件，具有友好的可视化操作界面，且软件集成高精度的数据提取分析工具，通过软件仿真模拟能够更加准确的分析矿井瞬变电磁波场的传播规律[8]。先借助软件建立巷道全空间模型，设置巷道宽5 m，高6 m，长200 m，巷道中介质设为空气，在巷道侧帮以及迎头设置层厚为0.1 m的铁质锚网。然后对设置的三维模型进行非均匀四面体网格剖分。通过引用step1阶跃函数，建立峰值电流5 A，关断时间0.1 ms的阶跃电流函数，以向发射线圈中加载阶跃电流的方式模拟发射线圈中瞬变电磁场的建立过程。

1）有无锚网支护瞬变电磁响应对比。有锚网支护与无锚网支护下的感应电位衰减曲线如图1。可以看出，在锚网支护条件下可以探测到异常反应，但测点的感应电位幅值明显大于无锚网支护下的感应电位，其最高幅值高出约2个数量级，锚网造成的干扰严重掩盖了有用信号，给反演解释带来困难。

图1 有无锚网支护瞬变电磁衰减曲线

2）不同探测距离下响应特征对比。发射线框与锚网不同探测距离时的矿井瞬变电磁响应衰减曲线如图2，不同的探测距离下受干扰程度不同。探测距离小，干扰影响大;随着探测距离增大，干扰影响呈数量级减小，当增大到一定程度时，其影响基本可以忽略。锚网干扰体的瞬变电磁响应程度随着探测距离的变化呈现反相关关系。

图2 锚网支护下不同距离瞬变电磁衰减曲线

根据COMSOL模拟结果可得，矿井瞬变电磁响应信号受锚网支护的干扰影响较大，容易使实测数据失真，偏离矿井真实电性特征，直接将受干扰的数据用于反演解释，可能得出错误的结论。

1.2 井下瞬变电磁干扰试验

为获取不同探测方向时锚网支护对矿井瞬变电磁响应的影响规律，根据井下实际的探测条件，采用澳大利亚Terra-TEM型瞬变电磁仪，2 m×2 m边长线框的重叠回线装置，叠加次数32次。考虑锚网支护具有较大的面积，认为当探测线框与其成不同的探测方向时，受到的影响理论上应该有所不同。本次试验中金属锚网巷道支护位于右侧帮及顶板处，左侧帮为塑料锚网支护。因此设计以下2组试验方案：①线框法线垂直于巷道方向：巷道宽度5 m，分别探测线框中心距右侧帮 0、1、2、3、4、5 m 共 5 组,设计试验点6个，数据采集量6个;②线框法线平行于巷道方向：巷道宽度5 m，探测线框2 m，分别探测线框中心距右侧帮1、2、3、4 m共4组,设计试验点4个，数据采集量4个。金属锚网感应电动势衰减曲线对比图如图3。

图3 金属锚网感应电动势衰减曲线对比图

从图3中可以看出，2种不同探测模式下的衰减曲线特征与COMSOL软件模拟结果相近，当探测线框距离巷道锚网支护的侧帮越近时，感应电动势越高，衰减越慢，符合低阻体对二次场衰减的响应规律。从图3（a）可以看出，当探测线框距离巷道锚网支护的右侧帮距离0～4 m时，其感应电动势与锚网距离呈现正相关。但距离达到5 m时，感应电动势反而增大，这说明锚网支护在距离线框大于5 m后的影响已经很微弱，从而表现出来的是原有地质体的响应特征。图3（b）中，线框距离右侧帮在1～3 m时，感应电动势衰减曲线幅值随距离增大而减小，当达到4 m时，感应电动势升高，说明此距离之下锚网的影响已经极弱。此外，当探测线框法线垂直于巷道方向时，感应电动势幅值明显要高于探测线框法线平行于巷道方向，故认为线框平面正对锚网平面时受到的干扰更大。

2 锚网干扰压制技术

锚网支护对矿井瞬变电磁实测数据干扰影响大。因此在对原始数据数据处理时很有必要对实测数据进行校正，从而更加真实的体现出目标地质体的电性特征。矿井瞬变电磁视电阻率ρτ公式为[9]：

式中：C为全空间响应系数；S、s为发射和接收回线面积；N、n为发射和接收回线匝数；A0为校正后的感应电动势，A0=A1/A；A为校正系数，是巷道有金属干扰体和无金属干扰体的比值；A1为校正前的感应电动势；t为衰减时间。

用校正系数A的拟合函数Pn（t）对实测数据校正，引入校正拟合函数得到的视电阻率公式为[10]：

式中：V1/I1为干扰情况下的归化感应电动势。

根据锚网干扰体的校正函数Pn（t），对实测数据进行校正，能够实现对有效信号的提取，从而确保对目标地质体的空间位置以及分布范围较准确地进行定位。

3 应用实例

通过对巷道中金属锚网支护对矿井瞬变电磁影响规律的研究分析发现，响应值会显著增大。对受干扰的实测数据直接进行处理，得到的视电阻率会产生大的偏差。因此采用校正拟合函数法对榆林某煤矿超前探测实测数据进行校正处理，并对结果进行对比分析。

某煤矿被第四系松散沉积物覆盖，堆积物主要有全新统风积沙、冲、洪积层，上更新统萨拉乌苏组，中更新统离石组等。钻孔揭露的地层还有：新近系上新统静乐组，侏罗系中统直罗组、延安组，下统富县组等。该矿2301工作面回风巷迎头（1 971 m）侏罗系延安组地层中，可采煤层为3煤。矿区裂隙较发育且构造较多，易造成片帮冒顶事故，故巷道顶板以及侧帮都设有金属锚网支护，对实测数据影响较大。本次探测为验证性探测，是在迎头位置针对锚网干扰体进行的巷道超前探测。金属锚网干扰校正前后对比图如图4。

图4（a）中掘进工作面前方右侧部分区域视电阻率明显偏低，推测是由于金属锚网的存在导致左侧帮-40°到右侧帮45°的50～120 m探测范围内显示相对低阻区，异常范围大。图4（b）是采用多项式拟合函数进行校正处理后绘制的视电阻率断面图，掌子面前方不再是大片低阻区，只在右侧帮15°～30°的80～120 m探测范围内存在低阻分布，金属锚网造成的影响得到有效消除。后经钻孔验证，校正后的处理成果与实际水文地质情况相吻合。

图4 金属锚网干扰校正前后对比图

4 结语

1）巷道中金属锚网支护的存在使矿井瞬变电磁实测相应值显著增大，反演出的视电阻率值明显偏小，掩盖有效信号，无法准确预测地质异常体的位置与范围。

2）矿井瞬变电磁线框距金属锚网一定距离范围内，受干扰程度与距离远近呈反相关关系。随距离增大，锚网的影响逐渐变弱直至被实际地层二次场响应覆盖，此时接受的信号可以看作不受锚网干扰影响，并能够反映真实视电阻率分布规律。探测线框平面正对金属体时受到的干扰响应大于其他探测方向。

3）采用多项式拟合函数能较好校正锚网造成的干扰，提取有效信号。在实际井下探测中，可将探测线框布置距锚网支护4 m外，降低探测数据受锚网影响程度，提高矿井瞬变电磁数据的反演解释精度。