錨網(wǎng)支護(hù)對礦井瞬變電磁響應(yīng)的影響與校正

時志浩，程久龍，2，董 毅，溫來福

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

煤炭資源在我國能源結(jié)構(gòu)中仍占主導(dǎo)的地位。近年來，隨著我國對深部復(fù)雜賦存煤層的大力開采，水害已成為威脅煤礦生產(chǎn)的重大安全隱患[1]。礦井瞬變電磁法采用小回線裝置，具備施工高效、對低阻靈敏等優(yōu)點(diǎn)[2]，在煤礦防治水工作中得到廣泛的應(yīng)用，已發(fā)展成預(yù)防礦井水害的重要技術(shù)之一。其中的金屬錨網(wǎng)用于支護(hù)巖體滑落并固定在巷道側(cè)幫及頂板上，干擾瞬變電磁探測信號，給后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和資料的準(zhǔn)確解釋帶來很大困難。

目前，錨網(wǎng)支護(hù)等金屬體造成的礦井瞬變電磁信號失真處理方面，主要是通過對后期受干擾的數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列校正來還原真實(shí)信號。如于景邨等[3]、張軍[4]、胡雄武等[5]、周嗣輝等[6]采用物理模擬和井下試驗(yàn)方法，研究礦井巷道各金屬體干擾下的瞬變電磁響應(yīng)特征，分別獲得無金屬體影響和有金屬體影響下的視電阻率，通過相互比值得到每個時間窗口的校正系數(shù)，然后對有金屬體影響的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，效果明顯。周璇等[7]通過數(shù)值模擬的方法，將井下巷道支護(hù)的金屬棚架等效為金屬薄層，通過改變金屬薄層的厚度來計算其響應(yīng)特征規(guī)律，得到校正參數(shù)后對金屬棚架支護(hù)的金屬干擾處理校正，提高了解釋精度。前人對礦井中的鐵軌和巷道等干擾的響應(yīng)特征做了大量研究，并給出了校正方法，但沒有針對施工中金屬錨網(wǎng)引起的干擾特征做深入研究。為此針對巷道內(nèi)固定的金屬錨網(wǎng)干擾源為例，通過COMSOL數(shù)值模擬和井下實(shí)驗(yàn)的途徑，研究在錨網(wǎng)支護(hù)的影響下，不同探測方向和不同距離時的瞬變電磁響應(yīng)特征，并給出井下金屬干擾的瞬變電磁數(shù)據(jù)校正方法及施工建議。

1 錨網(wǎng)干擾下礦井瞬變電磁響應(yīng)特征

金屬錨網(wǎng)是目前礦井必不可少的支護(hù)方式，在礦井瞬變電磁探測中屬于面積較大但體積較小的金屬干擾，鋪設(shè)于巷道整體，不可移動，具有連續(xù)性。采用COMSOL軟件模擬與井下試驗(yàn)相結(jié)合的方法，通過研究線框距錨網(wǎng)不同位置和不同探測方向時的礦井瞬變電磁響應(yīng)特征，分析施工中錨網(wǎng)干擾源的影響規(guī)律。

1.1 COMSOL數(shù)值模擬

COMSOL Multiphysics軟件是一款大型多物理場建模與仿真的軟件，具有友好的可視化操作界面，且軟件集成高精度的數(shù)據(jù)提取分析工具，通過軟件仿真模擬能夠更加準(zhǔn)確的分析礦井瞬變電磁波場的傳播規(guī)律[8]。先借助軟件建立巷道全空間模型，設(shè)置巷道寬5 m，高6 m，長200 m，巷道中介質(zhì)設(shè)為空氣，在巷道側(cè)幫以及迎頭設(shè)置層厚為0.1 m的鐵質(zhì)錨網(wǎng)。然后對設(shè)置的三維模型進(jìn)行非均勻四面體網(wǎng)格剖分。通過引用step1階躍函數(shù)，建立峰值電流5 A，關(guān)斷時間0.1 ms的階躍電流函數(shù)，以向發(fā)射線圈中加載階躍電流的方式模擬發(fā)射線圈中瞬變電磁場的建立過程。

1）有無錨網(wǎng)支護(hù)瞬變電磁響應(yīng)對比。有錨網(wǎng)支護(hù)與無錨網(wǎng)支護(hù)下的感應(yīng)電位衰減曲線如圖1?？梢钥闯?，在錨網(wǎng)支護(hù)條件下可以探測到異常反應(yīng)，但測點(diǎn)的感應(yīng)電位幅值明顯大于無錨網(wǎng)支護(hù)下的感應(yīng)電位，其最高幅值高出約2個數(shù)量級，錨網(wǎng)造成的干擾嚴(yán)重掩蓋了有用信號，給反演解釋帶來困難。

圖1 有無錨網(wǎng)支護(hù)瞬變電磁衰減曲線

2）不同探測距離下響應(yīng)特征對比。發(fā)射線框與錨網(wǎng)不同探測距離時的礦井瞬變電磁響應(yīng)衰減曲線如圖2，不同的探測距離下受干擾程度不同。探測距離小，干擾影響大;隨著探測距離增大，干擾影響呈數(shù)量級減小，當(dāng)增大到一定程度時，其影響基本可以忽略。錨網(wǎng)干擾體的瞬變電磁響應(yīng)程度隨著探測距離的變化呈現(xiàn)反相關(guān)關(guān)系。

圖2 錨網(wǎng)支護(hù)下不同距離瞬變電磁衰減曲線

根據(jù)COMSOL模擬結(jié)果可得，礦井瞬變電磁響應(yīng)信號受錨網(wǎng)支護(hù)的干擾影響較大，容易使實(shí)測數(shù)據(jù)失真，偏離礦井真實(shí)電性特征，直接將受干擾的數(shù)據(jù)用于反演解釋，可能得出錯誤的結(jié)論。

1.2 井下瞬變電磁干擾試驗(yàn)

為獲取不同探測方向時錨網(wǎng)支護(hù)對礦井瞬變電磁響應(yīng)的影響規(guī)律，根據(jù)井下實(shí)際的探測條件，采用澳大利亞Terra-TEM型瞬變電磁儀，2 m×2 m邊長線框的重疊回線裝置，疊加次數(shù)32次?？紤]錨網(wǎng)支護(hù)具有較大的面積，認(rèn)為當(dāng)探測線框與其成不同的探測方向時，受到的影響理論上應(yīng)該有所不同。本次試驗(yàn)中金屬錨網(wǎng)巷道支護(hù)位于右側(cè)幫及頂板處，左側(cè)幫為塑料錨網(wǎng)支護(hù)。因此設(shè)計以下2組試驗(yàn)方案：①線框法線垂直于巷道方向：巷道寬度5 m，分別探測線框中心距右側(cè)幫 0、1、2、3、4、5 m 共 5 組,設(shè)計試驗(yàn)點(diǎn)6個，數(shù)據(jù)采集量6個;②線框法線平行于巷道方向：巷道寬度5 m，探測線框2 m，分別探測線框中心距右側(cè)幫1、2、3、4 m共4組,設(shè)計試驗(yàn)點(diǎn)4個，數(shù)據(jù)采集量4個。金屬錨網(wǎng)感應(yīng)電動勢衰減曲線對比圖如圖3。

圖3 金屬錨網(wǎng)感應(yīng)電動勢衰減曲線對比圖

從圖3中可以看出，2種不同探測模式下的衰減曲線特征與COMSOL軟件模擬結(jié)果相近，當(dāng)探測線框距離巷道錨網(wǎng)支護(hù)的側(cè)幫越近時，感應(yīng)電動勢越高，衰減越慢，符合低阻體對二次場衰減的響應(yīng)規(guī)律。從圖3（a）可以看出，當(dāng)探測線框距離巷道錨網(wǎng)支護(hù)的右側(cè)幫距離0～4 m時，其感應(yīng)電動勢與錨網(wǎng)距離呈現(xiàn)正相關(guān)。但距離達(dá)到5 m時，感應(yīng)電動勢反而增大，這說明錨網(wǎng)支護(hù)在距離線框大于5 m后的影響已經(jīng)很微弱，從而表現(xiàn)出來的是原有地質(zhì)體的響應(yīng)特征。圖3（b）中，線框距離右側(cè)幫在1～3 m時，感應(yīng)電動勢衰減曲線幅值隨距離增大而減小，當(dāng)達(dá)到4 m時，感應(yīng)電動勢升高，說明此距離之下錨網(wǎng)的影響已經(jīng)極弱。此外，當(dāng)探測線框法線垂直于巷道方向時，感應(yīng)電動勢幅值明顯要高于探測線框法線平行于巷道方向，故認(rèn)為線框平面正對錨網(wǎng)平面時受到的干擾更大。

2 錨網(wǎng)干擾壓制技術(shù)

錨網(wǎng)支護(hù)對礦井瞬變電磁實(shí)測數(shù)據(jù)干擾影響大。因此在對原始數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理時很有必要對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，從而更加真實(shí)的體現(xiàn)出目標(biāo)地質(zhì)體的電性特征。礦井瞬變電磁視電阻率ρτ公式為[9]：

式中：C為全空間響應(yīng)系數(shù)；S、s為發(fā)射和接收回線面積；N、n為發(fā)射和接收回線匝數(shù)；A0為校正后的感應(yīng)電動勢，A0=A1/A；A為校正系數(shù)，是巷道有金屬干擾體和無金屬干擾體的比值；A1為校正前的感應(yīng)電動勢；t為衰減時間。

用校正系數(shù)A的擬合函數(shù)Pn（t）對實(shí)測數(shù)據(jù)校正，引入校正擬合函數(shù)得到的視電阻率公式為[10]：

式中：V1/I1為干擾情況下的歸化感應(yīng)電動勢。

根據(jù)錨網(wǎng)干擾體的校正函數(shù)Pn（t），對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，能夠?qū)崿F(xiàn)對有效信號的提取，從而確保對目標(biāo)地質(zhì)體的空間位置以及分布范圍較準(zhǔn)確地進(jìn)行定位。

3 應(yīng)用實(shí)例

通過對巷道中金屬錨網(wǎng)支護(hù)對礦井瞬變電磁影響規(guī)律的研究分析發(fā)現(xiàn)，響應(yīng)值會顯著增大。對受干擾的實(shí)測數(shù)據(jù)直接進(jìn)行處理，得到的視電阻率會產(chǎn)生大的偏差。因此采用校正擬合函數(shù)法對榆林某煤礦超前探測實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行校正處理，并對結(jié)果進(jìn)行對比分析。

某煤礦被第四系松散沉積物覆蓋，堆積物主要有全新統(tǒng)風(fēng)積沙、沖、洪積層，上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組，中更新統(tǒng)離石組等。鉆孔揭露的地層還有：新近系上新統(tǒng)靜樂組，侏羅系中統(tǒng)直羅組、延安組，下統(tǒng)富縣組等。該礦2301工作面回風(fēng)巷迎頭（1 971 m）侏羅系延安組地層中，可采煤層為3煤。礦區(qū)裂隙較發(fā)育且構(gòu)造較多，易造成片幫冒頂事故，故巷道頂板以及側(cè)幫都設(shè)有金屬錨網(wǎng)支護(hù)，對實(shí)測數(shù)據(jù)影響較大。本次探測為驗(yàn)證性探測，是在迎頭位置針對錨網(wǎng)干擾體進(jìn)行的巷道超前探測。金屬錨網(wǎng)干擾校正前后對比圖如圖4。

圖4（a）中掘進(jìn)工作面前方右側(cè)部分區(qū)域視電阻率明顯偏低，推測是由于金屬錨網(wǎng)的存在導(dǎo)致左側(cè)幫-40°到右側(cè)幫45°的50～120 m探測范圍內(nèi)顯示相對低阻區(qū)，異常范圍大。圖4（b）是采用多項(xiàng)式擬合函數(shù)進(jìn)行校正處理后繪制的視電阻率斷面圖，掌子面前方不再是大片低阻區(qū)，只在右側(cè)幫15°～30°的80～120 m探測范圍內(nèi)存在低阻分布，金屬錨網(wǎng)造成的影響得到有效消除。后經(jīng)鉆孔驗(yàn)證，校正后的處理成果與實(shí)際水文地質(zhì)情況相吻合。

圖4 金屬錨網(wǎng)干擾校正前后對比圖

4 結(jié)語

1）巷道中金屬錨網(wǎng)支護(hù)的存在使礦井瞬變電磁實(shí)測相應(yīng)值顯著增大，反演出的視電阻率值明顯偏小，掩蓋有效信號，無法準(zhǔn)確預(yù)測地質(zhì)異常體的位置與范圍。

2）礦井瞬變電磁線框距金屬錨網(wǎng)一定距離范圍內(nèi)，受干擾程度與距離遠(yuǎn)近呈反相關(guān)關(guān)系。隨距離增大，錨網(wǎng)的影響逐漸變?nèi)踔敝帘粚?shí)際地層二次場響應(yīng)覆蓋，此時接受的信號可以看作不受錨網(wǎng)干擾影響，并能夠反映真實(shí)視電阻率分布規(guī)律。探測線框平面正對金屬體時受到的干擾響應(yīng)大于其他探測方向。

3）采用多項(xiàng)式擬合函數(shù)能較好校正錨網(wǎng)造成的干擾，提取有效信號。在實(shí)際井下探測中，可將探測線框布置距錨網(wǎng)支護(hù)4 m外，降低探測數(shù)據(jù)受錨網(wǎng)影響程度，提高礦井瞬變電磁數(shù)據(jù)的反演解釋精度。