矿井瞬变电磁超前探测干扰校正技术研究.pdf

第39卷第1期 2017年1月 物 採 化 採 计 异 技 木 COMPUTINGTECHNIQUESFORGEOPHYSICALANDGEOCHEMIC八LEXPLOR八TION Vol. 39 No. 1 Jan. 2017 文章编号1001-1749201701-0017-06 矿井瞬变电磁超前探测干扰校正技术研究 张 军 中煤科工集团西安研究院有限公司， 西安 710077 摘 要 介绍了矿井瞬变电磁井下探测金属体干扰因素， 分析了干扰校正的技术方法， 利用模型 模拟计算在不同情况下矿井瞬变电磁的响应信号， 运用矿井瞬变电磁干扰校正方法对有干扰的 信号进行分析并校正， 得到接近于无干扰情况下瞬变电磁响应数据， 通过对实测数据的处理以及 与现场验证的的对比， 证明了该校正方法的可靠性与有效性。 关键词矿井；瞬变电磁； 超前探测；干扰； 校正 中图分类号P 631.2 文献标志码A D O I 10. 3969/j. issn. 1001-1749. 2017. 01. 03 0 刖目 近年来， 频繁发生的矿井透水、 突水事故在很大 程度上影响了企业的发展。因此， 发展矿井物探新 技术、 新方法是提高其应用能力和应用效果的需 要[1 5]。矿井瞬变电磁法巷道探查赋水体的分布范 围和空间位置得到了广泛应用， 取得了良好的地质 效果[6 9]。 矿井瞬变电磁法勘探由于场的分布变化具有其 自身的特殊性， 要求资料处理与解释方法符合煤矿 巷道影响下空间瞬变电磁场的变化规律， 需要提出 新的瞬变电磁响应信息方法和技术[6 12]。 1矿井瞬变电磁超前探巷道影响因素 矿井瞬变电磁场的分布变化规律受巷道影响与 多种因素有关如装置形式、 围岩导电性以及发射源 的位置等） ， 研究巷道干扰因素对于资料的处理解释 具有重要意义[6 15]。瞬变电磁场的感应电动势与 视电阻率具有不同的响应特征， 巷道影响下的视电 阻率值小于均匀半空间视电阻率值。巷道影响使实 测的矿井瞬变电磁感应电动势增大， 使得探测视电 阻率低于真实值[16 19]。中心回线的探测结果随观 测时间的增加而增大， 重叠回线的观测结果受巷道 影响较大[2。 22]。 矿井瞬变电磁法探测巷道内的金属体干扰， 主 要包括工字钢支护、 金属锚网等金属体。由于电磁 场的感应， 这些金属体可能会产生一定的干扰感应 信号， 形成对探测结果影响较大的干扰源。因此， 研 究矿井巷道金属干扰体对瞬变电磁场分布规律的影 响 ， 具有一定的意义[23 28]。 2数值校正方法 数字滤波方法在瞬变电磁资料处理中得到应 用 ， 如多次三点滤波、 卡尔曼滤波、 小波滤波、 希尔伯 特黄滤波等， 在数据处理过程中能大大提高处理数 据的质量和效率， 因此各种滤波方法也应用与矿井 瞬变电磁数据处理中， 并且取得了较好的效果。对 于金属干扰环境下矿井瞬变电磁数据， 必须根据实 际探测环境进行分析校正。 收 稿 日 期 2016-01-26 改 回 日 期 2016-03-26 基 金 项 目 国家自然科学 基 金 项 目 （40774066 第 一 作 者 张 军（ 1981 ， 男 ， 硕 士 助 理 研 究 员 ， 主 要 研 究 方 向 为 电 磁 探 测 ，E-mailzjun0119。 18物 探 化 探 计 算 技 术3 9 卷 2. 1小波变换处理技术小波变换处理技术 瞬变电磁原始数据的圆滑预处理， 使用进行后 期校正， 这样由于一些复杂的人为因素， 使瞬变电磁 原始数据在数据处理中可能出现更大的误差， 产生 多解性问题。在这种情况下， 数据处理工作者关心 的瞬变电磁原始数据的圆滑质量得不到较好的效 果 ， 因此， 需要研究突出异常的解决办法。为了解决 上述技术中的不足之处， 提供一种瞬变电磁数据小 波变换进行数据圆滑的方法， 能够消除在瞬变电磁 原始数据圆滑中存在人为因素的影响。为实现上述 目的， 采用小波变换的预处理方法。 该方法首先通过在原始数据某个点的数值， 计 算出曲线在其他点处的近似值。具体方法是对瞬变 电磁原始数据进行线性插值。插值方法为对数据沿 X、Y方向按网络插值法插值， 插 值 后 得 到X、Y方 向上需要进行计算的若干条测线数据。 对插值后的数据进行小波基分解， 分解后得到 该数据的双对数坐标下的曲线值。方法为沿某一选 择方向对第z条测线数据采用小波基进行分解， 分 解方法为 烄 1 0 f 1/2 烅 一1 1 / 2 狋 1 1 烆0 其他 其中考狋为分解后结果狋为时间。 计算经过小波基分解后的数据两点之间的斜 率 。在双对数坐标中， 首先通过式2计算出统计斜 率的方差值。 其中 々为斜率;U为每个测点衰减电压值； （ 为时 间， 计算衰减曲线在每个测点不同测道的斜率， 从而 计算出各点斜率的平均值 o c 丄 （ 3 n 其中 狓为斜率值狀为需要计算的斜率的个数； 计 算出各点斜率的方差 狓 狓 2 s2 --------- 4 n 其中狊2 为方差值； 狓为斜率值n为需要计算的斜 率的个数。 根据斜率方差值， 判断是否进行数据圆滑。判 断各点方差是否超限， 要求方差值为 5 的数值则为超限， 此时更换测点进 行计算， 以此作为圆滑的标准。如果不超限则进行 数据圆滑。 根据圆滑标准， 使用校正系数圆滑数据。数据 圆滑方法为 当前时间道时间与前一道时间差值平 方的倒数的数值定义校正系数r1 ;当前时间道时间 与后一道时间差值平方的倒数的数值定义校正系数 r， 通过这两个系数与它们和的比值来调节圆滑。 本方法与现有技术相比具有如下优点①通过 用小波变换方法计算瞬变电磁原始数据； ②利用小 波计算对数据进行圆滑， 达到消除人为因素的影响， 突出数据原有基本特征的目的。 2. 2探测装置电感影响校正探测装置电感影响校正 根据矿井瞬变电磁理论及数值计算方法， 计算 的新感应电动势为[7 10]式（ 5 犈T 犈一犈 （5 其中为实际探测矿井瞬变电磁响应值犈为实 测矿井瞬变电磁响应值;槇为探测装置干扰影响值。 此时的瞬变电磁衰减曲线早期与晚期的斜率才能达 到基本一致， 这样才能取得较好的剔除效果。 2 .3矿井瞬变电磁数值校正矿井瞬变电磁数值校正 地面半空间瞬变电磁视电阻率公式为 Ps 6. 32 X 10 1 2 X SXNXsX. n2 / 3 X V/I2/3 X 5 / 3 6 其中狊为接受回线面积；S为单匣发射回线的面积; n为接收线圈匣数;N为发射回线匣数； （ 为感应电 位衰减时间；V/I为归一化感应电位。假设巷道内 无金属体影响和有金属体影响下的感应电位分别为 V。 和V1， 视电阻率分别为P。 和P1， 则 P1 V 1/I1 23 a P。 V〇 /I〇 2 / 3 其 中 为 校 正 系 数 。 7 根据井下实际测量结果就可以得到 ， 地面半 空间瞬变电磁响应数值与井下瞬变电磁响应值的差 异 ， 主要是感应电压与电流的比值， 利用这个结论可 以得到相应时间窗口的校正系数， 然后对有金属体 影响的数据进行校正， 得到的数据解释结果更为准 确、 可靠。 3数值模拟计算 基 于M axw ell方程组和有限差分原理， 根据有 限差分方程对巷道金属锚网和工字钢棚护影响下的 瞬变电磁场进行模拟， 绘制干扰影响下不同时刻全 空间瞬变电磁响应曲线， 对金属锚网和工字钢棚护 1 期张军 矿 井 瞬 变 电 磁 超 前 探 测 干 扰 校 正 技 术 研 究19 的影响进行分析。在金属锚网影响下测到的感应电 动势值衰减相对较慢， 同一时刻感应电动势相对较 高 。锚网干扰影响下的试验设计如图1 所示。设计 巷 道高为 3m， 宽 为 4m， 侧帮和顶板是锚网支护， 模型条件适合实验要求。共设置两种测量方式， 一 条为有锚网干扰成果曲线， 一条为没有锚网干扰成 果曲线， 分别对两个模型进行数据采集与处理。巷 道锚网计算模型如图1 所示， 数值模拟曲线成果图 如 图 2 所示。 巷 道 由 锚 网 支 护 图1 巷道锚网计算模型 Fig. 1 Calculation model of tunnel anchor net 107「 101-----------------------------------------------------------------------------------1----------------------------------------------------------------------------------1 100 1000 10000 图2 数值模拟曲线成果图 Fig. 2 Results of numerical simulation curve 由 图 2 可以看到， 在锚网处即1 号点所测感应 电位值在同一时间窗口处是2 号测点的几倍、 十几 倍甚至几十倍。这种影响主要集中曲线衰减的中后 期 ， 所以认为锚网对数据的影响主要集中在中期和 后期。模型实验表明， 金属锚网影响下可以探测到 异常反应， 但总体结果受锚网影响很大。对所测的 两个点的感应电位， 抽 取 5 1 道 至 70道的时间窗口 的感应电位值进行比较（ 总 道 数 为 100道） ， 结果如 表 1 所示。 从 表 1 可以看出， 在同一个时间窗口， 早期数据 相差较小， 而中期、 晚期数据相差较大。给出校正系 数对数据进行校正， 得到校正以后的视电阻率结果， 这样得出的结果就更加接近实际地下地质信息。 表1 衰减电压数据 Tab. 1 Voltage decay data 道数衰 减 电 压 （ 有 锚 网 ）衰 减 电 压无 锚 网 ） 513332． 481229． 488 523206． 550216.672 533087． 276205． 272 542973． 420193． 105 552863． 429182． 203 562756． 532171． 741 57 2653． 149162． 254 582553． 331152． 706 592457． 466143． 487 602366． 408135． 417 612278． 549127． 867 622193． 271120． 773 632109． 942113． 859 642029． 851107． 087 651952． 407101． 251 661876． 88795． 4811 671803． 30590． 356 681731． 78685． 419 691661． 67980． 224 701593． 35675． 847 通过对不同时间段取校正系数进行拟合， 得出 锚网影响下校正前、 后视电阻率曲线图4,因此可以 得出结论， 该校正方法在对于连续性支护情况下进 行校正是可行的， 同时通过该方法还可以为局部含 金属体干扰情况下数据进行处理。 10 - io6 - 10s - 104- 臼3 103 102 101 - 10 1001000 10000 t/ns 图3 校正后衰减电压曲线 Fig. 3 Corrected attenuation voltage curve 20物 探 化 探 计 算 技 术3 9 卷 4实测数据分析 由图5、 图 6 可以看出， 通过校正系数对矿井瞬 变电磁超前探测进行校正的对比结果， 在原始探测 数据中， 侧帮由于有锚网等支护， 导致侧帮锚网对探 测结果影响较大， 巷道空间的存在， 使瞬变电磁场感 应电动势值增大。巷道围岩导电性越强， 巷道及其 边界对瞬变电磁场的影响越大， 得到的成果比真实 地层视电阻率值低。通 过 图 6 可以看出， 数据校正 后极大地减小了侧帮干扰对探测成果的影响， 校正 后探测成果与实际掘进及钻探验证结果一致， 充分 说明了校正方法的有效性与可靠性。但由于该方法 刚刚进人研究阶段， 因此其校正效果还有待于进一 步提高， 更好地为生产服务。 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 Depth/m 图5 原始探测成果图 Fig. 5 Original detection results chart 5结论 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 Depth/m 图6 校正后探测成果图 Fig. 6 Corrected after the detection results chart 工及探测数据的资料解释提出可行性措施。对于工 作面内探测过程应尽量避开金属体， 做好记录， 对于 工字钢、 锚网等选择合适的背景场进行校正， 对于连 续金属支护下瞬变电磁探测， 金属体在很大程度上 影响了勘探深度的正确性， 应结合已知地层情况对 勘探深度进行校正。 参考文献 [ 1 ]李 貅.瞬 变 电 磁 测 深 的 理 论 与 应 用[M ].西 安 陕西科 学 技 术 出 版，2002. 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InChinese Research on the influence of the mine transient electromagnetic advanced detection tunne ZHANG Jun Xian Research Institute of China Coal Technology and Engineering Group Corp,Xian 710077，China Abstract The mine transient electromagnetic detection of underground metal body interference factor analysis ，in terference correction， using the model simulation of mine transient electromagnetic response signals in ditferent situations. Elec tromagnetic interference with mine transient correction to analyze signal interference and correction， get close to no in terference under the condition of transient the electromagnetic response data， by processing the measured data and verify the contrast with the scene， to prove the reliability and validity of this calibration . Keywords mine； transient electromagnetic； advanced detection； interference； correction