矿井全空间瞬变电磁法应用及其消噪研究.pdf

2 0 1 2年第 1 1期 煤炭工程 矿井全 空间瞬变 电磁法应 用及 其消噪研 究 李 宇 ，童 兵。 ，郭昌放 ，赵 锋 1 ．中国煤炭进出口公司，北京1 0 0 1 2 0 ； 2 ．中国矿业大学 矿业工程学 院 ，江苏 徐州2 2 1 1 1 6 摘要 结合矿 井全空间瞬变电磁 法在 山西郭 家山矿巷道超前探水中的实际应用，在相同空 间环境下采用多方向对比优化探测方案，并建立相应的全空间消噪数学模型，利用消噪函数对探 测数据进行 消噪 归一化处理。研究结果表明全空间电磁 消噪归一化后 ，更能突出探测 区域存在 的异常差异，进一步提 高了探 测结果解释的准确性和可靠度 ，对井下超前预测及安全生产具有重 要 的指导 意 义。 关键词矿井瞬变电磁法；超前探 测；全空间效应 ；低 阻值 区；消噪 函数 中图分类号 T D 7 4 5 ． 2 文献标识码 B 文章编号1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 2 1 1 - 0 0 2 9 - 0 3 St ud y o n Ap pl i c a t i o n a n d De n o i s i ng o f M i ne Fu l l S pa c e Tr a ns i e n t El e c t r o ma g n e t i c M e t h o d L I Yu ， T ON G B i n g ， GUO C h u gf a n g ，Z HAO F e n g 1 ． C h i n a N a t i o n a l C o al I mp o r t a n d E x p o r t C o r p o r a t i o n ，B e i j i n g 1 0 0 1 2 0，C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f Mi n i n g E n g i n e e r i n g ，C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y ，X u z h o u 2 2 1 1 1 6 ，C h i n a Abs t r ac t I n c o mbi n a t i o n wi t h t he a c t u al a p pl i c a t i o n o f t h e mi ne f u l l s p ac e t r a ns i e n t e l e c t r o ma g ne t i c me t ho d t o t he a d va nc e wa t e r d e t e c t i o n o f a mi n e r o a d wa y i n a mi n e o f S h a n x i ，i n a s a me s p a c e e n v i r o n me n t ，a mu l t i d i r e c t i o n a l c o mp a r i s o n o p t i mi z e d d e t e c t i o n p l a n w a s a p p l i e d， a r e l a t e d f u l l s p a c e d e n o i s i n g ma t h e ma t i c s mo d e l w a s e s t a b l i s h e d a n d t h e d e n o i s i n g f un c t i o n wa s a p pl i e d t o t h e n o r ma l i z a t i o n pr o c e s s i n g o f t h e d e n o i s i ng f or t he d e t e c t e d d a t a． The s t u dy r e s u l t s s h o we d t h a t a f t e r t h e n o r ma l i z a t i o n p r o c e s s i n g o f t h e f u l l s p a c e e l e c t r o ma g n e t i c d e n o i s i n g c o n d u c t e d，t h e a b n o r mal d i f f e r e n c e s e x i s t e d i n t h e de t e c t i o n r e g i o n wo u l d b e mo r e o b v i o us，t h e a c c ur a c y a n d r e l i a b i l i t y o f t h e d e t e c t i o n r e s ul t s e x p l a na t i o n c o u l d b e f ur t h e r i mpr o v e d a n d c o u l d h a v e t he i mp o rta n t g ui da nc e s i g ni fic a n c e s t o t h e a dv a nc e d e t e c t i o n a n d t he s a f e t y pr o d u c t i o n i n t h e u nd e r g r o un d mi ne ． Ke ywo r ds mi n e t r a n s i e n t e l e c t r o ma g n e t i c me t h o d； a dv a n c e de t e c t i o n； f ul l s p a c e e f f e c t ； l o w r e s i s t a n c e v a l u e z o ne； d e n o i s i ng f un c t i o n 煤矿水害是仅次于瓦斯灾害 瓦斯煤尘爆炸、煤与瓦斯 突出 的第二大煤矿灾害性事故。地表水、构造水、老空 水、孑 L 隙水 、裂隙水和岩溶水等都可能对煤矿造成严重影 响，给矿井安全生产带来极大的威胁，矿井水害已经成为 制约煤矿高产高效 的主要因素之一 。J 。随着我国煤炭资 源整合的不断深入，有效的水害预测与防治一直是矿井生 产中亟待解决的技术难题。 矿井瞬变 电磁法是 近几 年来 发展起 来 的在煤 矿井下 巷 道内探查其周围空间不同位置、不 同形态含水构造 的矿井 物探方法之一，瞬变电磁法具有测距大 1 5 0～2 0 0 m 、对 水敏感 、定向性好等优点 ，能够有效超前探测井下隐伏含 水异常体 ，为矿井生产提供地质保障 。但由于矿井瞬变 电磁法探测是在 地下几 百米 深度 的井下 巷道 内进行 的 ，其 瞬变 电磁测量装置接 收 回线 中的感应 电位 为巷道 周 围全空 间有效探测范 围内所 有岩 层导 电性及 相关 电磁噪 声 的综合 响应 ，解释 出的低 阻异 常区域 范 围往 往偏 大 。井下施 工 时，测量数据容易受到金属物 采煤机械、锚索网、金属线 路等电磁噪声的干扰，需要在数据处理解释中进行校正 或剔除，增强信噪比，提高异常体的识别。因此，论文结 合矿井全空 间瞬 变 电磁 法 的实际应 用 ，采用 消噪 函数 进行 归一化处理，突显异常区域 ，其研究成果对指导煤矿安全 生产具有重要 的理论 和实 际意义 。 收稿 日期 2 0 1 1 1 2～ 2 1 基金项目国家 自然科学基金项 目 5 1 0 0 4 1 0 2 ，5 1 1 7 4 1 9 3 作者简介 李字 1 9 8 5一 ，男 ，山西朔州人 ，工程师 ，2 0 0 8年毕业于 中国矿业大学 ，现在 中国煤 炭进 出 口公司从事 科技管理工作 。 2 9 煤炭工程 2 0 1 2年第 1 1 期 l 矿 井 瞬变 电磁 法 1 ． 1 基本 原理 瞬变电磁法简称 T E M，它是以地壳中岩 矿 石的导电 性与 导磁性差 异为 主要 物质基 础 ，根据 电磁感应 原理 ，利 用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲电磁场 ，在 一 次脉冲电磁场间歇期问，利用线圈或按地电极接收观测 地质体产生的二次涡流场的方法 ] 。二次磁场主要来源于 良导电矿体内的感应电流，包含着与良导体有关的地质信 息，经过数据处理和分析后 ，可以解释地下 良导体，并提 供有关物理参数，从而达到解决地质问题的目的，该方法 对低阻值充水区域反映较为灵敏。矿井瞬变电磁法相对地 面瞬变电磁法存在全空间效应特征，任意时刻发射线圈前 方的涡旋电流在发射位置处产生的磁场可以等效为一个水 平环状线电流的磁场 ，等效电流环很像从发射回线 中 “ 吹 出”来的一系列 “ 烟圈” ，即 “ 烟圈效应” _ 7 。 1 ． 2 探测深度及视 电阻率的计算 瞬变电磁场在岩层中主要以 “ 烟圈”扩散形式传播，由 于趋肤效应，高频部分主要集中在岩层较浅处，且其分布范 围是源附近的局部，较低频部分传播到深处，且分布范围逐 渐扩大。“ 烟圈”的半径 r 、传播深度 h的表达式分别为 ] r ／ 8 c 2 t ／ o I z 0 口 1 h 7 2 √订 式中，t 为传播时间；o r 为介质电导率； 。为真空中的 磁导率 ；n为发 射线圈半 径 ；c 一2 。当发射 线 圈半径 相对于 “ 烟圈”半径很小时，可得 t a n O 一1 ． 0 7 ，0 4 7 。 ，故 “ 烟圈”将沿4 7 。 倾斜锥面扩散，其传播的速度为 O h 2 ， 、 一 O t 由 2 式得 2 1 T1 0 一 h 4 在中心回线下 ，时间与表层电阻率、发送磁矩之间的 关 系为 f ⋯ M ⋯ ／ ⋯ ／ 2 3] 5 其中， 为发送磁矩；P 1 为表层电阻率；叼为最小可 分辨电压 ，它的大小与目标层几何参数、物理参数及观测 时间段等有关 。联 立式 4 、式 5 ，可 得 出实 际探测时 用 来计算最大探测深度的公式 h 矿井瞬变 电磁视 电 映，视电阻率计算公式 P t 3 0 一 o ． s 5 ㈦ 阻率为全空间岩层导电性的综合反 为 土 一 4 I- ％ 耵＼ 5 2 t 1 o S N ， I ， 7 式中，C为全空间响应系数；S为接受回线线圈面积 Ⅳ为线圈匝数；t 为二次场衰减时间；V ／ I 为归一化二次场 电位值 。 2 工 程应 用实例 山西郭家山矿是煤炭资源整合后的矿井，其 2号煤层 某采 区平巷掘进 前方赋水 情况 不明。为 防治未 知小窑及 老 空水等水害隐患，保证煤矿安全生产 ，需进行超前探测查 明掘进巷道前方是否存在积水 区。 2 ． 1 探 测 方向设计 由瞬变电磁 “ 烟圈效应”可知，其电磁场等效 电流环 即 “ 烟圈” 将沿 4 7 。 倾 斜锥 面扩 散 。因此 ，一次 电磁 场 向 远处传播范围为一个锥体，如图 1 a 所示，其中箭头所指 方向为探测方向。在巷道内布置探测方向即线框的法线方 向主要是依据探测距离和煤层倾角来确定，同时根据仪器 的探测深度范围来确定测点相隔距离，在保证勘探精度的 同时应尽量减少工作量。探测锥体切面示意图如图 1 b 所 示，箭头所指方向为探测方向，虚线部分为探测范围，其 有效探测范围边界与探测方向为4 7 。 夹角。 图 1 探测锥体示意图 2 ． 2施 工现场 布置 受煤矿井下实际空间条件制约，为达到增加线圈发射 、 接收有效面积以及提高信噪比满足探测深度要求，采用多 匝数 、小 回线组合 装置进 行超前 探测 ，设计 探测 方 向为顺 巷道掘进方向和与巷道掘进方向所在岩层呈4 5 。 夹角斜向上 和斜向下探测。 本次现场施工是 在相 同地质 噪音和 电磁背 景下 ，针 对 掘进巷道前方顶板 、煤 层及底 板 的赋水状 况进行 瞬变 电磁 法探测 ，在巷道迎 头 附近布 置测线 ，根据 现场情 况 和探测 要求 ，把探测 的点 间距设置为 1 m。 3 探 测结 果分析 3 ． 1 数 据 处理 由现场实测数据 ，结合矿井瞬变电磁仪解析软件分析， 经过数据转换和滤波处理，最后由克里格差值法拟合得到 矿井瞬变电磁法全空间视电阻率等值剖面图，如图2所示。 由图2分析 ，在相同地质噪音和空间电磁背景下 ，对 比该掘进巷道前 方顶板 、顺 层及底 板探测 结果 可知 ，该 掘 进巷道前方斜向上4 5 。 方向顶板约6 0～1 l O re处存在较大范 围低阻值异常区 ，如图 2 a 所示。 3 ． 2消噪 归一 化 处理 为降低全空间效应造成的不利噪音干扰 ，提高信噪比，