移动扫码阅读
移动扫码阅读
瞬变电磁法是一种利用人工场源激发的电磁场进行探测的地球物理勘探方法，其以电磁感应理论为基本探测原理。根据工作空间的不同，可分为航空、地面、矿井瞬变电磁法。矿井瞬变电磁法主要应用于井下勘探，其中在煤矿井下巷道顶底板、掘进工作面超前探测及工作面探测等方面应用广泛。对矿井瞬变电磁探测数据进行视电阻率计算和时空变换，得到深度-视电阻率断面。因工作环境复杂，装置影响或背景场影响等原因，导致视电阻率断面特征复杂多变，容易对分析解释工作造成困难，为了提高资料解释精度，科研人员提出了多种处理方法。胡雄武等[1]提出了矿井瞬变电磁超前探测资料视电阻率数据扩散及叠加分析解释方法；范涛等[2]借鉴地震资料处理思想，将虚拟波场反演方法应用于矿井瞬变电磁资料处理。张军[3]将合成孔径成像技术应用于矿井瞬变电磁资料分析。李飞等[4]对矿井瞬变电磁探测资料电阻率偏低问题进行了分析并提出了校正方法。总起来说，上述针对矿井瞬变电磁数据处理改进的方法在一定程度上提高了资料解释精度。但对于工程资料处理而言略显复杂，普通技术人员应用有一定的难度[5]。尤其对于矿井瞬变电磁超前探测，由于体积效应及干扰等影响，常规处理手段得到的电阻率剖面图往往解释精度不高，且会存在假异常现象。这些影响因素在数据体中以某种形式存在，直接对数据成图解释，效果往往较差。本文借鉴统计学理论中对数据分析的成熟算法，从数据间关系角度研究提高瞬变电磁解释水平的方法。通过对电阻率数据进行标准差标准化处理，消除数据中的背景效应及干扰因素，凸显出异常信息，提高对异常的解释精度。
瞬变电磁法是一种电磁感应类勘探方法，本质上属于时间域电磁法[6]。其探测原理是以不接地回线或接地线源作为发射源，向发射源中输入一稳定电流，发射源在周围空间产生稳定的一次场，某个时刻突然切断电流，一次场随之消失，根据电磁感应定律，周围介质中将产生感应二次场，感应二次场的大小与介质的电性参数有关，利用接收装置接收此感应二次场，通过数据处理解释便可以间接得到介质的电性特征[7-8]。目前常用的矿井瞬变电磁一般选用2 m×2 m的方形回线作为发射线圈，为了增大发射磁矩，可以绕制多匝回线，与之匹配的接收装置可以选择回线或磁探头；其次应用于煤矿井下探测时，还要考虑防爆等因素，故其发射功率不能太大[9]。
作为电磁类勘探方法的理论基础，麦克斯韦方程由以下基本方程组成，即
·B=0；·D=ρ
式中：B为磁感应强度；E为电场强度；D为电通量密度；j为电流密度；H为磁场强度；ρ为电荷密度。
视电阻率计算是数据处理工作的重要一环，鉴于矿井瞬变电磁探测范围为包围探测装置的地下全空间环境，不能简单照搬地面瞬变电磁视电阻率计算公式[10-11]。杨海燕等[12]根据磁场强度表达式进一步推导，给出了全空间条件下视电阻率的近似计算表达式为
式中：μ为地下介质的磁导率；S0为发射框的等效面积；t为对应的时间道；I0为发射电流；H为接收装置接收到的感应磁场信号，即磁场强度。
常规数据处理中，计算完视电阻率后，进行时深转换，然后利用深度-视电阻率值成图解释[13-15]，解释图件包括断面图或平面图等[16-18]。常规数据处理方式原理简单，但在某些情况下难以将异常突出显示，给资料解释工作带来一定困难，为了提高资料解释精度，需要寻找更优的数据处理解释方法[19]。
标准差标准化是一种对数据进行统计处理的方法。原数据经标准差标准化后变为标量，经过此种变换可以消除量纲(单位)和数据自身变异的影响。
对矿井瞬变电磁数据进行标准差标准化的流程如下：
1)按一定深度间隔抽取某i点等深度h数据Ci，h。
2)求取每一组等深度数据平均值Pi，h，其公式为
式中：n为测点数。
3)求取数据标准差σi，其公式为
4)对等深度数据Ci，h进行标准差标准化后得到
其对应的计算公式为
5)将数据Ci，h用
替换。
6)基于绘图软件绘制深度
剖面图，结合地质资料对图件进行分析解释。
为了验证标准差标准化的处理效果，分别从数值模拟和工程实例角度进行计算分析。
应用于瞬变电磁数值模拟的算法比较多，其中时域瞬变电磁三维有限差分正演算法是应用较多的一种[20-22]。时域瞬变电磁三维有限差分采用Yee式晶胞进行三维模型网格离散。单个Yee晶胞如图1所示。
Ex、Ey、Ez—x、y、z方向电场强度；Hx、Hy、Hz—x、y、z方向磁场强度
图1 时域瞬变电磁三维有限差分计算采用的Yee晶胞
Fig.1 Yee Cell used for three-dimensional finite difference of time domain transient electromagnetic
在定义单个晶胞格式基础上，构造整个空间三维模型，基于Yee晶胞剖分的三维模型空间如图2所示。
图2 网格剖分示意
Fig.2 Mesh generation diagram
在时域瞬变电磁三维有限差分算法基础上，结合矿井瞬变电磁探测模拟实际，建立地质模型，进行矿井瞬变电磁超前探测电磁场响应试算。模型包含均匀半空间、巷道和低阻异常体3部分，模拟煤矿巷道掘进前方存在含水低阻异常体的情形。其中异常体为位于前方50 m的正方体状低阻体，其几何尺寸为30 m×30 m×30 m。围岩电阻率设为100 Ω·m，异常体电阻率为1 Ω·m，巷道中空气为高阻，其电阻率设置为10 000 Ω·m。模拟在巷道掘进掘进工作面进行超前探测，发射回线尺寸设定为2 m×2 m，装置类型为中心回线。巷道及异常体示意如图3所示：
图3 巷道与异常体相对位置示意
Fig.3 Relative position of roadway and abnormal body
采用GPU并行计算技术，基于浪潮大型服务器进行时域电磁场传播数值模拟计算，得到巷道迎头处瞬变电磁场响应值。按照常规处理步骤，利用数值模拟磁场响应值计算视电阻率结果如图4所示。
图4 常规处理视电阻率
Fig.4 Apparent resistivity diagram of conventional treatment
图4中黑色实线框为异常体位置，虚线框为根据电阻率成图绘制的异常解释范围。从图中可以看出异常体位置为低阻反映，但模拟得到的低阻范围远大于异常体范围。且等值线绕探测点近似呈圆弧状分布，这与模型实际情况不符。利用本文提出的标准化标准差方法处理结果如图5所示。
图5 标准差标准化异常解释
Fig.5 Anomaly interpretation based on standard deviation standardized
对比图4、图5可以看出，经标准差标准化变换后，异常解释范围向异常体真实空间位置聚焦，与模型中异常体位置基本吻合。表明标准差标准化异常处理解释方法能够消除背景场对解释的干扰影响，将异常归位到真实空间位置，提高解释精度。
在某矿巷道掘进头进行瞬变电磁超前探测，发射回线尺寸为2 m×2 m，施工时避开生产时间，利用检修班时间施工，这样掘进机等设备一般离迎头较远且处于停工状态。施工前清除装置附近铁器，减少铁器干扰，施工过程中打开仪器抗工频干扰选项，进行现场试验，选择合适的叠加次数等参数，压制环境干扰，提高数据质量。后期数据处理时首先对数据进行预处理，踢除跳点等，然后进行数据滤波，消除随机干扰，进行关断时间校正等提高数据整体质量，利用常规视电阻率成图和标准差标准化异常成图方法对实测超前探测资料分别进行处理成图，结果如图6和图7所示。
图6 现场实测数据视电阻率
Fig.6 Apparent resistivity diagram of field data
图7 现场实测数据标准差标准化异常解释
Fig.7 Anomaly interpretationoffield data basedonstandard deviation standardized
图6和图7为2种方法分别处理结果。图6为常规视电阻率计算成图，视电阻率等值线大致呈以掘进工作面为中心点的同心圆状，共解释两处异常，A异常位于掘进工作面附近，异常呈以掘进工作面为圆心的同心圆状分布，B异常位于掘进工作面前方右侧，范围较小。图7为标准差标准化后异常图，共圈出2处异常。两图中右侧帮位置实线方框为已知积水采空区范围，可以看出，图6中B异常范围小于采空区范围，图7中2号异常与采空区范围吻合较好；图6中对应图7中的1号异常位置未发现明显异常，但经对图7中1号异常打钻验证，出水5.8 m3/h，后经水文地质验证，此处为砂岩裂隙含水区。
对比图6和图7解释结果可以发现，超前探测范围内水平方向大部分区域应为均质分布的实体煤，其实际电阻率不应该是同心圆状分布，用图4难以对前方水文地质情况进行准确解释，而标准差标准化异常解释结果与实际地层结构及水文地质情况吻合较好，验证了该处理方法的有效性。
1)针对瞬变电磁探测体积效应及干扰因素影响大的问题，除在施工时采用相关技术手段提高数据质量之外，可在后期数据处理过程中采取合理算法，提高成图及解释效果。
2)基于统计学理论，采用标准差标准化算法，对矿井瞬变电磁电阻率数据进行处理及分析，可有效消除体积效应及干扰因素带来的影响。经数值模拟和工程实测数据验证，针对矿井瞬变电磁超前探测资料，采用标准差标准化异常解释方法可以消除背景场影响，减弱电阻率曲线环状畸变，有效突出异常，且异常得到了钻探验证。
3)当前仅研究了矿井瞬变电磁超前探测中标准差标准化算法的处理效果，下一步将结合工作面及顶底板探测，进一步验证算法的有效性。加强对干扰因素的模拟研究，如考虑加入铁器等强低阻干扰源，研究干扰特征及消除方法。
[1] 胡雄武,张平松,严家平,等.矿井瞬变电磁超前探测视电阻率扩散叠加解释方法[J].煤炭学报,2014,39(5):925-931.
HU Xiongwu,ZHANG Pingsong,YANJiaping,et al.Spread stack interpretation means of apparent resistivity in roadway advanced detection with transient electromagnetic method[J].Journal of China Coal Society,2014,39(5):925-931.
[2] 范 涛,鲁晶津,王冰纯,等.瞬变电磁虚拟波场反演法在井下超前探测中的应用[J].煤炭科学技术,2017,45(10):8-15,47.
FAN Tao,LU Jingjin,WANG Bingchun,et al.Inversion method of transient electromagnetic virtual wave-field applied to advance detection in underground mine[J].Coal Science and Technology,2017,45(10):8-15,47.
[3] 张 军.矿井瞬变电磁合成孔径成像处理系统研究[J].地球物理学进展,2016,31(5) :2255-2262.
ZHANG Jun.Research on electromagnetic synthetic aperture imaging processing system in mine[J].Progress in Geophysics,2016,31(5):2255-2262.
[4] 李 飞,程久龙,温来福,等.矿井瞬变电磁法电阻率偏低原因分析与校正方法[J].煤炭学报,2018,43(7):1959-1964.
LI Fei,CHENG Jiulong,WEN Laifu,et al.Reason and correction of low resistivity problem in mine transient electromagnetic method[J].Journal of China Coal Society,2018,43(7):1959-1964.
[5] 薛国强,于景邨.瞬变电磁法在煤炭领域的研究与应用新进展[J].地球物理学进展,2017,32(1):319-326.
XUE Guoqiang,YU Jingcun.New development of TEM research and application in coal mine exploration[J].Progress in Geophysics,2017,32(1):319-326.
[6] 牟 义.浅埋采空区瞬变电磁法响应特征试验研究[J].煤炭科学技术,2018,46(10):203-208.
MU Yi.Experimental study on response characteristics of transient electromagnetic method in shallow gob[J].Coal Science and Technology,2018,46(10):203-208.
[7] 张永超,贾新果,陈 凯,等.瞬变电磁法探测超高水材料注浆治理采空区效果[J].煤炭科学技术,2017,45(3):174-178,100.
ZHANG Yongchao,JIAXinguo,CHEN Kai,et al.TEM inspecting of goaf treatment effect with grouting super high water material[J].Coal Science and Technology,2017,45(3):174-178,100.
[8] 孙怀凤,程 铭,宿传玺,等.隧(巷)道掘进工作面-钻孔瞬变电磁超前探测方法物理模拟试验研究[J].煤炭学报,2017,42(8):2110-2115.
SUN Huaifeng,CHENG Ming,SU Chuanxi,et al.Tunnel face-borehole transient electromagnetic method and its physical experimental studies[J].Journal of China Coal Society,2017,42(8):2110-2115.
[9] 李术才,李 凯,翟明华,等.矿井地面-井下电性源瞬变电磁探测响应规律分析[J].煤炭学报,2016,41(8):2024-2032．
LI Shucai,LI Kai,ZHAI Minghua,et al.Analysis of grounded transient electromagnetic with surface-tunnel configuration in mining[J].Journal of China Coal Society,2016,41(8):2024-2032.
[10] 邢修举,蒋齐平,吴正飞,等.全空间定点三维瞬变电磁探测技术研究及应用[J].煤田地质与勘探,2018,46(S1):60-65.
XING Xiuju,JIANG Qiping,WU Zhengfei,et al.Three-dimensional transient electromagnetic detection technology of fixed point in full space[J].Coal Geology & Exploration,2018,46(S1):60-65.
[11] 程久龙,李明星,肖艳丽,等.全空间条件下矿井瞬变电磁法粒子群优化反演研究[J].地球物理学报,2014,57(10):3478-3484.
CHENG Jiulong,LI Mingxing,XIAO Yanli,et al.Study on particle swarm optimization inversion of mine transient electromagnetic method in whole-space[J].Chinese Journal of Geophysics,2014,57 (10):3478-3484.
[12] 杨海燕,邓居智,张 华,等.矿井瞬变电磁法全空间视电阻率解释方法研究[J].地球物理学报,2010,53(3):651-656.
YANG Haiyan,DENG Juzhi,ZHANG Hua,et al.Research on full-space apparent resistivity interpretation technique in mine transient electromagnetic method[J].Chinese Journal of Geophysics,2010,53(3):651-656.
[13] LI Gang,LI Yuguo.Joint inversion for transmitter navigation and seafloor resistivity for frequency-domain marine CSEM data[J].Journal of Applied Geophysics,2017,136,178-189.
[14] 程久龙,邱 浩,叶云涛,等.矿井瞬变电磁法波场变换与数据处理方法研究[J].煤炭学报,2013,38(9):1646-1650.
CHENG Jiulong,QIU Hao,YE Yuntao,et al.Research on wave field transformation and data processing of the mine transient electromagnetic method[J].Journal of China Coal Society,2013,38(9):1646-1650.
[15] 李 文.煤矿采空区地面综合物探方法优化研究[J].煤炭科学技术,2017,45(1):194-199.
LI Wen.Optimization study of surface comprehensive geophysical detection methods of coal mine goafs[J].Coal Science and Technology,2017,45(1):194-199.
[16] 路 拓,刘盛东,王 勃.综合矿井物探技术在含水断层探测中的应用[J].地球物理学进展,2015,30(3):1371-1375.
LU Tuo,LIU Shengdong,WANG Bo,et al.Application of integrated mining geophysical method in detection of water-bearing faults[J].Progress in Geophysics,2015,30(3):1371-1375.
[17] 程久龙,李 飞,彭苏萍,等.矿井巷道地球物理方法超前探测研究进展与展望[J].煤炭学报,2014,39(8):1742-1750.
CHENG Jiulong,LI Fei,PENG Suping,et al.Research progress and development direction on advanced detection in mine roadway working face using geophysical[J].Journal of China Coal Society,2014,39(8):1742-1750.
[18] 张文伟,真齐辉,底青云.多通道瞬变电磁法频率域比值算法及视电阻率计算研究[J].地球物理学报,2018,61(10):4171-4181.
ZHANG Wenwei,ZHEN Qihui,DI Qingyun.Study on MTEM frequency-domain ration method and apparent resistivity calculation[J].Chinese Journal of Geophysics,2018,61(10):4171-4181.
[19] 王恩营,刘山清,高荣斌,等.基于瞬变电磁法探究中高阶煤层瓦斯含量与视电阻率关系的试验[J].煤田地质与勘探,2017,45(6):149-153.
WANG Enying,LIU Shanqing,GAO Rongbin,et al.Transient electromagnetic exploration based experiment on the relationship between the level of gas content and apparent resistivity in high rank coal seam[J].Coal Geology & Exploration,2017,45(6):149-153.
[20] 余 翔,王绪本,李新均,等.时域瞬变电磁法三维有限差分正演技术研究[J].地球物理学报,2017,60(2):810-819.
YU Xiang,WANG Xuben,LI Xinjun,et al.Three-dimensional finite difference forward modeling of the transient electromagnetic method in the time domain[J].Chinese Journal of Geophysics,2017,60(2):810-819.
[21] WANG Tao,TAN Handong,LI Zhiqiang,et al.3D finite-difference modeling algorithm and anomaly features of ZTEM[J].Applied Geophysics,2016,13(3):553-560.
[22] 姚伟华,王 鹏,郭 恒,等.煤矿井下瞬变电磁超前探测数值模拟研究[J].物探化探计算技术,2018,40(3):353-357.
YAO Weihua,WANG Peng,GUO Heng,et al.Numerical simulation of transient electromagnetic advance detection in coal mine[J].Computing Techniques for Geophysical and Geochemical Exploration,2018,40(3):353-357.