强干扰环境下煤矿井下巷道瞬变电磁探测研究与应用

赵永亮

（1.河北煤炭科学研究院有限公司，河北 邢台 054000；2.矿井水害探测与防控国家矿山安全监察局重点实验室，河北 邢台 054000；3.矿井物探河北省工程研究中心，河北 邢台 054000）

0 引言

近年来在煤矿巷道掘进及工作面回采过程中，突水事故是安全生产的主要障碍。然而，随着煤矿开采深度和难度的增加，地下地质情况不明的老空水及高承压奥灰水发育区成为水害多发的源头，水害造成的损失仍然居高不下。在瞬变电磁水害探测过程中，井下巷道的交变电磁场受所存在的金属物及带电体，如铁轨、金属管路、电缆、工字钢、锚杆锚网和运输设备等的影响，电磁探测设备接收的电磁响应受到强烈干扰，现有基于理想电磁环境建立的瞬变电磁响应关系和处理解释算法难以适用，甚至出现错误的处理解释结果。另外，探测环境的复杂性与仪器设备的多样性使瞬变电磁数据质量参差不齐，数据处理方法各异。针对煤矿井下巷道环境对瞬变电磁探测干扰强，需要对瞬变电磁测量的采集观测系统进行优化设计，对探测的电磁数据质量进行评估，结合瞬变电磁数据正反演算法软件的处理与校正，提高对含水异常体的解释精度。

1 掘进前方超前探测

1.1 矿井水文地质条件

西庞矿位于华北煤田，主采煤层为9 号煤，在综采工作面巷道掘进过程中瞬变电磁超前探测和钻探是煤矿防治水最为常见的技术手段。

9303 工作面布置于井田北翼，东南至F28 断层防（隔）水煤（岩）柱线，北至扩延区三采区皮带下山，西至9301 工作面采空区（图1），根据工作面附近钻孔资料分析，该工作面煤层结构复杂，沉积稳定，一般含多层夹矸。

图1 9303 皮带巷掘进工程平面示意Fig.1 Plane of No.9303 belt roadway excavation project

工作面主要冲水水源为顶板大青灰岩水和底板奥陶系灰岩水。大青灰岩位于9 号煤顶板上平均12.3 m 左右，厚度4.41 m，是工作面顶板淋水的主要水源。大青灰岩层位稳定，但含水性不均一，易疏放，为局部富水性强的溶洞裂隙承压含水层，掘进过程中对工作面影响不大。

奥陶系含水层是威胁9 煤开采的主要含水层，具有出水水量大，难于治理的特点。该工作面9 煤底板距奥陶系含水层39.69 m。9 号煤层底板下伏奥陶系灰岩含水层，其厚度大，富水性强，是上覆煤层开采最危险的底板突水水源，奥灰突水一般具有发生突然、来势迅猛、涌水量大、持续时间长等特点，因此奥灰水是影响9 号煤开采安全的主要水害因素。

1.2 矿井巷道条件

现场在9303 皮带巷D43 点前103.2 m 处对目标位置进行探测。探测位置为掘进迎头处，现场采用锚网支护，左帮挂有风筒；右帮挂有管路及电缆若干，掘进机、皮带机头距迎头20 m，迎头处低洼积水，以上条件对电磁探测设备接收的电磁响应具有较大干扰。

1.3 探测工作布置

水平方向探测角度为巷道前方左90°～右90°，间隔15°；垂向探测角度为+40°、+20°、0°、-20°、-40°、-60°共6 个角度（图2），此次探测共完成物理测点78 个。

图2 瞬变电磁超前探测工作设计示意Fig.2 Design of transient electromagnetic advanced detection work

2 数据质量分析

瞬变电磁首先对原始数据进行预处理，然后采用专用的TEMINT 处理软件对现场实测原始二次磁场数据经室内专用瞬变电磁数据处理与解析软件计算，转换为电位信号。

将现场探测数据导入专用处理软件，得到不同方向一次场变化曲线，如图3 所示，依据图3 显示，当接收线框接收方向在正前方向时，一次场场强值最高，接收线框接收方向为巷道外帮时，一次场场强值最小，变化曲线呈抛物线对称状，结合现场条件，迎头位置两侧清理干净，探测外帮时影响较小，掘进机位于探测位置正后方，正前方向干扰最强，对一次场干扰最为明显。

图3 不同方向一次场变化曲线Fig.3 Variation curves of primary field in different directions

图4 为水平探测方向，不同方位各个测线原始数据频点变化情况，依据图4 显示，各个测线存在不同程度频点不规律变化，井下巷道现场对方的金属物及带电体，如铁轨、金属管路、电缆、工字钢、锚杆锚网和运输设备等均会对接收信号产生干扰，导致原始数据中出现极值变化以及无规律性跳点，在数据处理过程中对跳点进行估计计算，估计计算偏差会对最终结果产生影响。

图4 原始数据频点变化Fig.4 Frequency change of original data

3 数据处理

3.1 复杂电磁环境的参数模型与高效电磁响应模拟方法

铁轨、金属管路等电磁参数异常体，用离散介质模型表征为电磁参数模型，采用等效介质模型将离散介质模型变换为电磁参数模型；用三维有限差分方法实现瞬变电磁响应正演模拟与响应特征分析，用3D 交错网格有限差分解麦克斯韦（Maxwell）方程，导出复杂介质的电磁响应离散关系，用于分析三维电磁测量中非均匀分布典型电磁参数异常体对电磁响应异常的影响；为了提高复杂模型的计算精度和速度，需要建设多源数据处理中心，以利用更多的计算机资源，进行基于GPU 加速和MPI并行计算，同时，采用高效谱分解并行计算方法用于提高多源响应计算效率，实现多源模型的瞬变电磁响应的计算。

3.2 建立实测电磁数据质量评价标准与量化指标体系

以正演计算为基础，对电磁数据进行频域反演数据的反演算法测试。具体包括：以正演计算为基础，用高斯-牛顿法实现3D 电磁数据反演方法及软件，根据3D 电磁数据的时间域特征，对比不同空间范数定义的正则化因子的迭代收敛速率，建立高斯-牛顿法迭代正则化因子加速收敛方法，保证迭代反演的每一步具有一定的误差减小，实现对电磁数据进行频域反演数据的反演算法测试，为区分凫水层提供方法。

3.3 实测电磁数据质量评价标准与量化指标体系

将从正演和实际资料出发，以物理模拟、数值模拟等理论方法为基础，对瞬变电磁测量的采集观测系统进行优化设计，实现瞬变电磁探测数据质量评估与干扰分析评价，能够利用正演模拟算法及缩比物理模型测量，自动选择合理的仪器型号及探测环境，对探测数据进行自动分析、筛选。

4 成果解析

通过对西庞矿9303 工作面皮带巷的超前探测数据进行反演测试，将反演结果与实际地质信息分布进行对比，来验证对超前探测的正演模拟和反演计算的可靠性。

此次探测中的数据共有8 组，将其按时间变化和按测点位置变化进行排列绘制响应曲线图如图5所示。

图5 西庞矿9303 工作面皮带巷水平0°探测数据Fig.5 The 0°level detection data of belt roadway in No.9303 Face of Xipang Mine

该超前探测数据同样存在因低阻或良导干扰导致的早期响应曲线平缓的特征，采用前面说明的校正方法对其进行校正处理，得到的响应曲线如图6所示，校正后的结果在保留了原本响应曲线的变化趋势的同时也消除了低阻干扰的影响。

图6 校正后的数据Fig.6 The corrected data

经解析软件对原始数据的分析处理，绘制出瞬变电磁超前探测视电阻率对数等值线断面图如图7所示。

图7 水平0°方向视电阻率对数等值线断面图Fig.7 The 0°level direction apparent resistivity logarithmic contour section diagram

图7 中瞬变电磁沿探测方向有效解析距离均为150 m，盲区20 m。

在垂向水平0°探测方向测得的水平各角度探测数据，可以看到探测数据的幅值从近到远逐渐降低，在70 m 处达到最低点，随后缓慢变高，掘进机的存在使得正前方向测得的瞬变电磁响应幅值在近处出现明显的上升，这充说明了瞬变电磁对近处大型金属体的敏感性强，抗干扰能力差。经超前探测的正演模拟和反演计算，以及与实际地质信息分布进行对比，最后得出探测范围内的区域视电阻率对数曲线整体呈规律性分布，整体上比较高，视电阻率对数等值线连续延展较好，探测范围内岩层整体含水性弱，没有大的含水异常体存在。

5 结语

巷道中分布的铁轨、钢架支护等良导体会对探测的数据造成较强的干扰，在响应曲线上最直观的表现就是早期的响应曲线较为平缓、衰减缓慢，且持续较长时间。若将存在干扰的数据直接进行反演，数据拟合的难度非常大，反演收敛的速度也非常缓慢，所以在对实际数据进行处理之前需要对其进行干扰校正。首先模拟无干扰体存在的响应，再模拟存在干扰的响应，或者从实际数据中选取一道无异常体响应特征的数据作为校正的基准，求取校正系数并将其应用到实际数据的校正中。校正后的数据在保存异常响应特征的同时，也基本消除了干扰对响应的影响，虽然异常体的响应特征被一定程度的削弱，但仍与原始数据有较好的对应性。

模拟计算与分析不同电性异常体的瞬变电磁响应特，研究瞬变电磁响应与矿区地下富水区分布状态的关系，区分富水区瞬变电磁响应异常与巷道导轨、机械、钢铁支护等造成的干扰异常的异同。并通过正演模拟验证不同观测系统获取数据的质量，对矿区瞬变电磁探测中的观测系统进行设计和优化，以期获得较高质量的数据，提高对含水异常体的解释精度，及时预报掘进前方或侧帮的隐伏导含水构造，为煤矿能安全掘进提供有力技术保障。