0 引 言
矿井音频电透视法是根据异常地质体与围岩间的电性差异来识别异常区域，主要用于工作面内部的水文探测。煤(岩)层之间的电阻率差异是开展矿井音频电透视法的物性前提。对煤系地层而言,由于沉积作用，煤(岩)层之间纵向电阻率呈现规律性变化，横向上电阻率相对均匀。矿井音频电透视法就是通过仪器探测分析工作面附近电流场的分布变化规律来研究矿井地质问题的地球物理方法[1]。根据我国煤矿生产的发展趋势看，地质构造及煤层顶、底板水问题是当前煤矿深部开采中所面临的主要地质问题[2]。矿井水防控与资源化利用仍然面临着挑战，今后创新研究仍有许多重大科学问题需要解决[3]。
1)在矿井电法理论研究方面，张彦湘等[4]指出矿井电磁勘探技术在探明巷道前方与及工作面两侧与顶底板内的含导水构造、断层、破碎带、岩溶等方面具有独特优势。刘盛东等[5]提出对复杂采空区、灰岩水、煤与瓦斯突出等灾害源的探测是矿井物探面临的任务和关键问题。张军等[6]研究认为音频电透视探测的煤层工作面综合视电导率高异常与岩层的裂隙性及其充水程度具有很强的关联性。王程[7]研究了音频电透视在陷落柱底板发育相对富水异常区，认为音频电透视成果在平面和垂向范围均较准。鲁晶津等[8]针对巷道直流电阻率法超前探测的三维数值模拟，应用代数多重网格快速算法对二次场的有限差分问题进行求解。许新刚等[9]论述了矿井电阻率成像技术发展现状，研究了井下勘探主要方法和数值模拟技术,提出了基于异常体空间形态先验约束的三维电阻率反演成像。利用已知异常体边界的三个正交方向向量及各向异性的权重系数来控制异常体边界区域的法方向及切方向电阻率差异，实现已知异常体边界空间形态的刻画[10-11]。
2)在数据处理及数值模拟方面，黄俊革等[12]利用有限元数值模拟技术分析并消除坑道空腔对视电阻率的影响，采用最小二乘法对超前探测视电阻率曲线进行快速反演。刘斌等[13]提出了突水灾变过程电阻率约束反演成像实时监测方法。 张成乾等[14]通过对构建的三维地质模型体进行数值模拟和物理模拟，研究认为双巷并行三维电法对地质异常体可以进行有效的探查并获得良好的探测效果。有学者提出了矿井电法的优化计算方法，即在每次迭代时自适应地更新松弛因子。求解多维瞬态非线性导热反问题的方法，并对以往工作中出现的不稳定性问题进行了研究[15-16]。
3)在电法施工方法研究方面，刘志新等[17]提出了利用环工作面电磁法对煤层底板突水进行监测的方法技术。研究了全空间条件下采煤工作面底板不同空间位置异常体在环工作面电磁法观测方式下的响应特征。吴荣新等[18]在工作面高抽巷中布置电法监测系统，采用并行电法仪采集数据，进行高分辨地电阻法反演成像。孙希奎等[19]为解决煤层底板突水的难题，采用电阻率法动态监测、现场观测及理论分析的方法对工作底板应力分布及底板破坏规律进行研究。鲁晶津等[20]研究了电法监测系统，提高监测设备的抗干扰能力，采用时移电阻率成像提高解释精度。
高小青[21]通过采用井下综合物探技术对该工作面进行了采前立体探测，资料处理分析，较好的解决了工作面回采过程中面临的水文地质问题。代凤强[22]通过地面瞬变电磁法与井下音频电透视技术探查了内蒙古平庄某矿工作面顶板上方富水异常区的分布范围及相对强弱。邢楷等[23]对复采工作面进行探测并对结果进行分析，认为采用矿井坑透技术及音频电透技术综合探测的方法对复采区域的探测效果较好。邢修举等[24]采用矿井音频电透视技术对工作面顶底板内导含水地质构造体进行普查，为后续治理工作提供精确参考资料。骆彬等[25]通过构建坑道掘进前方含水断层的理论地电模型，计算了不同参数条件下的视频散率的分布曲线。
矿井音频电透视探测一般在工作面运输巷和回风巷等工作面两侧巷道中开展，具体施工方法为在一条巷道中布置发射电极，在与之相对的另一条巷道中布置接收电极，发射电极逐个供电，使用接收电极观测对应的电位数据，通过对发射电流和接收电位数据的计算，可转换为视电导率数据，以便对地层电性异常进行分析解释。在对矿井音频电透视数据资料进行分析时，每一个发射电极都对应一条接收曲线，将接收数据绘制成曲线图，曲线图主要为电位曲线和视电导率曲线。数值模拟结果以及现场探测数据表明，当巷道围岩低阻体在接收电极附近时，接收曲线会在干扰位置附近出现畸变；当巷道围岩低阻体在发射电极附近时，则该发射电极对应的接收曲线发生整体的数值上或下的偏移。干扰常导致真实的异常信号信噪比较低，给数据处理带来困难。
由于存在以上问题，在分析矿井音频电透视理论与探测方法的基础上，研究了矿井音频电透视数据的巷道围岩低阻体干扰校正方法。对巷道存在的低阻体干扰进行了数值模拟，确定使用小波变换的数据降噪方法进行数据处理，通过数值模拟及实测数据的分析，说明该校正方法的有效性与可靠性。
1 矿井音频电穿透原理
矿井音频电穿透勘探是通过电极把电流供入大地，而另一对电极测量电位或电位差信息。供电与测量电极通常布置在巷道顶底板，从不同位置测量巷道周围电流场的变化及分布规律，从而了解工作面煤(岩)层内地质电性情况。
矿井音频电穿透探测通过供电电极和接收电极进行测量，因此，巷道空间的各种干扰对电流场分布以及探测结果的影响不可避免。需要深入分析巷道干扰影响，对正确区分探测资料中“畸变”影响与正常地质异常具有重要的作用。在数据处理中有效解决巷道干扰影响具有十分重要的意义。
在巷道周围，导电介质内的任意一点电流场具有如下特征：电场强度与电流密度成正比关系；在恒定电流场中，除点源外任一点电流密度的散度均为零；恒定电流场在空间的分布不随时间变化。在均匀全空间中点电源的电场分布特征，用如下关系式表示[20]，即
UM=Iρ/(4πR)
(1)
EM=Iρ/(4πR2)
(2)
式中：UM 为电位， μV；I为电流强度， mA；EM为电场强度， V/m；ρ为均匀介质电阻率， Ω·m；R为接收点到发射点电源的距离， m。
煤层顶、底板一般由泥岩，砂岩组成，因此，矿井工作面内的煤层与巷道顶、底板电性不同，煤层相对顶、底板为高阻层。根据煤层及其顶、底板岩性视电阻率特征建立三层地电模型，如图1所示。
L—供电点到观测点的距离；D—煤层厚度；d—接收点到
观测点的距离；A—观测点位置；M—供电点位置；Z—接收
点位置；ρ1—顶板岩层视电阻率；ρ2—煤层视电阻率；
ρ3—底板岩层视电阻率
图1 三层水平地电模型
Fig.1 Three- level geoelectric model
根据电场原理，全空间内任意点电位表达式为
(3)
式中:Ui,j为位于i点的发射点源在j位置的电位，μV；ρi为发射点位置的电阻率，Ω·m；kn(i,j)=F(L,d,θ,ρ)为反射系数函数。
对于矿井工作面内局部地质体的干扰影响，可以近似为电偶极子异常，即电流场中导体的畸变效应。其可以表示为[20]
ΔU=ρ0I(r2-r1)/(2πr1r2)
(4)
式中：ρ0为异常体视电阻率；r1为接收点到异常体的距离；r2为供电点到异常体的距离
在有干扰影响下的点源场电位表达式则为
U=U0+ΔU
(5)
其中，U0为无局部地质体时的电位，ΔU为局部干扰引起的异常场。干扰引起的异常场幅度与干扰源的大小有关，围岩与干扰场的电性差异与收发距离等有关。干扰异常体范围越大，与围岩的电性差异就越大；收发距越小，干扰异常幅度就越大。
2 巷道围岩低阻体影响数值模拟
在矿井音频电透视施工时，由于巷道环境复杂，存在金属体、积水等距离电极很近的干扰源，在干扰源影响下，发射电极或接收电极的接地条件存在较大差异，使探测数据出现明显的畸变，导致数据处理结果不准确，影响数据解释。巷道围岩低阻体位于发射电极时，主要是锚网等巷道支护条件影响，当巷道围岩低阻体位于发射电极附近时，发射电极对应的接收曲线会发生明显的整体偏移；巷道围岩低阻体位于接收电极时主要是巷道内不均匀水体或其他金属体等条件影响，当巷道围岩低阻体出现在接收电极附近时，在巷道围岩低阻体附近的接收曲线会出现明显的畸变异常。由于巷道围岩低阻体接近发射电极或接收电极，干扰信号往往比正常信号大，信噪比降低，给异常的解释带来困难。总结巷道围岩低阻体的影响特征规律，对于数据校正方法的研究是十分必要的。影响矿井音频电透视探测的巷道围岩低阻体主要为浅表低阻干扰体，主要研究低阻干扰体对探测结果的影响。
2.1 发射信号干扰模拟
设计水平三层地层地电模型，分别在上平巷布置接收点，接收点电极为M、N；在下平巷布置发射点，发射点电极为A；O为M、N中点位置，即接收电压测量点位置。每组发射电极距为50 m，共设置9组发射电极发射供电电流；每组接收电极之间距离为10 m，每组发射电极对应设置11个接收点。设置工作面宽度300 m，巷道宽度5 m。巷道低阻干扰体位于发射源附近，低阻干扰体主要是巷道锚网支护等低阻干扰体，由于巷道支护贯穿巷道的顶板与侧帮，这里选取对探测结果影响较大的区域(发射电极附近)进行分析，因此设计巷道低电阻率正方形块，低阻干扰体边长为3m，设计施工布置模型，如图2所示。模型中正方形低电阻率体X位于发射电极A附近，接收电极M、N在对面巷道接收。巷道岩层电阻率为ρ1，ρ1=500 Ω·m；工作面煤层电阻率为ρ2，ρ2=2 000 Ω·m；低阻异常体X电阻率为ρ3，ρ3=50 Ω·m。
图2 发射点附近干扰体施工布置模型示意
Fig.2 Schematic of construction layout model of
interference body near launch points
图2中空心圆圈O为黑色圆圈接收电极M、N的中点位置，即测量M、N之间的电位差，通过有限元方法进行数值模拟计算，分别计算发射端附近没有低阻干扰体与有低阻干扰体情况下接收电压的数值，对比两种不同情况下干扰体对测试结果的影响，数值模拟结果，如图3所示。
图3 发射点附近低阻干扰体数值模拟结果
Fig.3 Numerical simulation results of low impedance
jammers near launch points
由图3可以看出，当浅部存在和没有低阻干扰体对比时，由于浅部低阻干扰体的存在，使接收到的测量电位差数据偏离真实值。当发射端附近有低阻干扰体时，接收电位差数据呈现整体偏移现象。有干扰体与没有干扰体时测量数据差距较大，造成曲线畸变，对测量结果有比较大的影响。
2.2 接收信号干扰模拟
设计水平三层地层地电模型，同样分别在上平巷布置接收点，接收点为O，O为测量电极中点位置，即接收电压测量点位置；在下巷布置发射点，测量电极发射点为A。每组发射电极距为50 m，共设置5组发射电极发射供电电流；每组接收电极之间距离为10 m，每组发射点对应设置11个接收点。设置工作面宽度300 m，巷道宽度5 m。巷道低阻干扰体位于接收源附近，低阻干扰体主要是巷道中的积水等引起的干扰体，由于这种干扰往往不均匀且偶然发生，这里选取接收点附近作为低阻干扰体异常点进行计算。巷道设计低电阻率正方形块，低阻干扰体范围与巷道范围相同，即设计边长为5 m的巷道低阻干扰体，设计施工布置模型，如图4所示。模型中正方形低电阻率体Y位于发射电极A附近，接收电极M、N在对面巷道接收。巷道岩层电阻率为ρ1，ρ1=500 Ω·m；工作面煤层电阻率为ρ2，ρ2=2 000 Ω·m；低阻异常体Y电阻率为ρ3，ρ3=50 Ω·m。
在分别计算接收端附近，没有低阻干扰体与有低阻干扰体情况下接收电压的数值，对比2种不同情况下干扰体对测试结果的影响，数值模拟结果，如图5所示。
图4 接收点附近干扰体施工布置模型示意
Fig.4 Schematic of construction layout model of
interference body near receive points
图5 接收点附近低阻干扰体数值模拟结果
Fig.5 Numerical simulation results results of low
impedance jammers near received points
由图5可以看出，当浅部存在或没有低阻干扰体对比时，由于浅部低阻干扰体的存在，使接收到的测量电位差数据偏离真实值。当接收端附近有低阻干扰体时，在干扰体附近的接收电位差出现部分减小偏移现象，造成曲线失真畸变。对测量结果有比较大的影响。
通过对不同位置低阻干扰体对探测结果的数值模拟发现，当发射端附近有低阻干扰体时，接收电位差数据呈现整体偏移现象；当接收端附近有低阻干扰体时，接收电位差数据在干扰体附近的接收电位差出现部分偏移现象。这两种情况都会对测量结果造成曲线失真畸变。所以在进行矿井音频电透视探测时需要详细记录探测位置附近的干扰情况，以便在数据处理时进行校正。巷道高阻干扰对探测结果影响较小，这里不进行讨论。
3 数据校正方法
3.1 探测施工注意事项
在进行矿井音频电透视施工时，巷道常常存在积水、电源线、大型金属等干扰体，且这些干扰体具有一定的随机性。因此，在探测施工中需要尽量避开这些干扰因素的影响。在发射端，避免接地电源及铁轨的影响；在接收端，每组接收电极之间不能有积水、接地金属体或电源的影响。同时，在探测时需要详细记录巷道中低阻干扰体的状态、位置、性质类别等信息，以便后期进行数据处理时使用。在这些干扰体无法避开的情况下，可以将其作为随机噪声附加到观测数据上进行处理。
3.2 发射端干扰数据校正方法
将矿井音频电透视数据根据发射点不同进行分组，同一发射点的数据定为一组，绘制接收曲线数据图，横坐标为接收点位置，纵坐标为电位差值。当不同发射点对应的接收数据在同一接收点附近出现整体偏移时，将不同发射点数据按照发射点坐标不同位置进行排序。
利用小波变换方法，对数据进行平滑滤波。小波变换平滑滤波流程，如图6所示。
图6 小波变换平滑滤波流程
Fig.6 Wavelet transform smoothing filter flow chart
在小波变换滤波方法中，首先对含噪信号进行预处理，并进行小波分解，选择小波，确定分解的层数N，然后对信号进行N层分解；对第1层到第N层高频系数选择软阈值或硬阈值进行量化处理；根据小波分解的第N层低频系数和第1层到第N层的高频系数进行一维重构。小波变换方法变换式为
(6)
其中，a为尺度变化量，τ为平移变化量。尺度变化量a控制小波函数的伸缩，平移变化量τ控制小波函数的平移。尺度变化量与频率对应，平移变化量与时间对应。
根据接收点不同，将平滑滤波后的数据重新进行分组，这里将同一接收点，不同发射点的数据定为一组，绘制接收曲线，横坐标为数据发射点位置、纵坐标为测量电位差。当不同接收点对应的接收曲线在同一发射点附近出现整体偏移时，根据接收点不同进行重新分组，利用小波变换对数据进行滤波，消除发射端附近干扰造成的假异常。
重复上述步骤，直到接收曲线相对其它曲线没有整体偏移现象时，绘制处理后的接收曲线，完成音频电透视数据发射端一致性校正。
通过以上的数据校正方法，可以使矿井音频电透视数据出现畸变的位置重新回归正常数据值，发射端干扰体数据校正效果对比，如图7所示。其中设置9个发射点，发射电极点间距50 m，接收电极点间距10 m。
图7 发射端干扰数据校正效果对比
Fig.7 Comparisons of interference data correction
effects at transmitter
由图7可以看出，在数据校正前，在发射端附近由于受到巷道低阻干扰体的影响，接收电位差数据结果产生了较大偏差，校正后数据回归真实反映，说明该校正方法可靠并且有效。
3.3 接收端干扰数据校正方法
将矿井音频电透视数据根据发射点不同进行分组，同一发射点的数据定为一组，绘制接收曲线数据图，横坐标为接收点位置，纵坐标为电位差值。当不同发射点对应的接收数据在同一接收点附近出现畸变点时，将不同发射点数据按照接收点坐标位置进行排序。利用小波变换方法，对数据进行平滑滤波。
根据接收点不同，将平滑滤波后的数据重新进行分组，将同一接收点，不同发射点的数据定为一组绘制接收曲线，横坐标为数据发射点位置、纵坐标为测量电位差值。当不同接收点对应的接收曲线在同一发射点附近出现畸变点时，根据接收点不同进行重新分组，利用小波变换对数据进行滤波，消除接收端附近干扰造成的假异常。
重复上述步骤，直到不同接收点曲线在同一发射点附近均没有出现畸变点，绘制处理后的接收曲线，完成音频电透视数据接收端一致性校正。
图8 接收端干扰数据校正效果对比
Fig.8 Comparisons of interference data correction effects at receiver
通过以上的数据校正方法，可以使矿井音频电透视数据出现畸变的位置重新回归正常数据值，接收端干扰体数据校正效果对比，如图8所示。其中设置3个发射点，发射电极点间距50 m，接收电极点间距10 m。
由图8可以看出，在数据校正前，在接收端附近由于受到巷道低阻干扰体的影响，接收电位差数据结果产生了较大偏差，校正后数据回归真实反映，说明该校正方法可靠并且有效。
以上的数据干扰校正方法可以实现数据的自动化处理，矿井音频电透视数据主要为原始测量电位数据与经过计算的视电导率数据两种，该校正方法可以同时适用于原始电位数据和经过计算后的视电导率数据的校正。
4 应用实例
4.1 测区地质与地球物理特征
井田有下侏罗统延安组，中侏罗统直罗组，新第三系及第四系地层。下侏罗统延安组岩性为灰黑色泥岩与灰白色细砂岩互层。
勘探区域煤(岩)层主要由粗砂岩、细砂岩、粉砂岩、泥岩及煤层组成，煤层电阻率相对较高。不同岩性的地层在电性上有一定差异，规律为煤层电阻率值相对较高，泥岩等较低，其它类岩石在两者之间。各种岩石地层与煤层的电阻率差异明显。
由于煤系地层的沉积比较规律，煤(岩)石导电性在纵向上有固定的规律，在横向上比较均匀。当探测时存在局部低阻干扰体时，由于低阻干扰体具有良好导电性，会与正常围岩产生明显的电性差异，导致探测数据产生畸变，造成探测成果出现解释“假”异常现象。
4.2 施工设计
探测任务为在工作面施工条件较好的情况下，利用矿井音频电透视方法采集数据。为验证校正方法的有效性，分别在发射端和接收端人为设置了干扰体。发射端干扰体为大型接地金属体，接收端干扰体为巷道内积水。
设置发射点距为50 m，接收点距为10 m，接收电极组M、N之间的距离为3 m，发射电极与接收电极组均固定于巷道底板。
4.3 资料处理与分析
矿井音频电透视探测区域巷道条件相对简单，工作面内部经过打钻没有发现明显水文及地质构造异常，且该区域岩性赋存条件较好，煤(岩)层结构简单，这为验证性试验提供了很好的施工前提条件。
对发射端和接收端分别设置巷道中常见的性质不同的干扰体，利用音频电穿透探测方法分别测量接收到的信号响应，分析探测结果中位于发射端和接收端干扰体的影响。
发射端干扰体试验探测距离200 m，探测方法为发射端布置三组发射电极，从左至右分别定为1、2和3号发射电极。1和3号电极正常发射，中间的2号电极附近布设低阻干扰体，2号发射电极在100 m位置。每组发射电极对应布设11组接收电极接收信号。通过对原始电位数据进行滤波处理，并完成发射端干扰体的校正。发射端干扰体校正结果对比，如图9所示。
图9 发射端干扰体校正前后电位差曲线对比
Fig.9 Comparison of potential difference curves before and
after correction of interference body at transmitter
由图9可以看出，通过对发射端干扰体数据校正前后的对比，校正前由于受到发射端干扰体的影响，数据整体出现“台阶式”畸变，这对数据处理会有较大影响；校正后数据更加符合矿井音频电透视探测的地层规律，使探测结果能够更加准确地反映地层真实情况。校正后曲线中不存在畸变点干扰造成的异常，表明数据校正效果良好。
接收端干扰体试验探测距离200 m，探测方法为发射端布置三组发射电极，从左至右分别定为1、2和3号发射电极。对面巷道每组发射电极对应布设11组接收电极接收信号。其中在2号发射电极对应巷道接收位置布设低阻干扰体，低阻干扰体位于100 m位置。通过对原始电位数据进行滤波与校正处理，完成接收端干扰体的校正。接收端干扰体校正结果对比，如图10所示。
图10 接收端干扰体校正前后电位差曲线对比
Fig.10 Comparison of potential difference curves before and
after interference correction at receiver
由图10可以看出，校正前由于受到接收端干扰体的影响，干扰体附近数据出现阶跃式畸变，这对数据处理会有较大影响；通过校正使数据符合音频电透视探测的规律。校正后曲线中不存在畸变点干扰造成的异常，表明数据校正效果良好。
经过校正前后的对比，可以看出校正后数据质量良好，利用校正后数据绘制巷道探测结果，本次探测工作面宽度为200 m，探测工作面长度为350 m。探测校正前后对比如图11所示。由图11a与图11b对比可以看出，由于发射电极附近低阻干扰体影响，导致采样电位数据整体偏移，使探测成果图发生整体视电导率畸变。由于接收电极附近干扰体影响，视电导率拟断面图中数据误差引起数据严重畸变，测点间存在浅部低阻干扰体影响造成畸变。
图11 干扰校正前后探测结果对比
Fig.11 Comparison of detection results before and
after interference correction
通过对原始有畸变现象的探测数据进行校正处理，如图11b为校正后处理效果图。可以看出，对原始数据进行校正处理后，畸变现象消失。
在横坐标距离为0～50 m，校正后使原始视电导率曲线平稳的过渡，校正前后的对比可以明显看出，由于发射端低阻体干扰导致的视电导率畸变得到了很好的校正，工作面回采后也验证了校正成果的正确性。
在横坐标距离为100、150 m处，校正后使原始视电导率曲线更加圆滑，没有出现畸变点，校正前后的对比可以明显看出，由于接收端低阻体干扰导致的视电导率畸变得到了很好的校正，工作面回采同样验证了校正成果的正确性。
通过对探测结果的数据分析，可以看出该校正方法对干扰体的影响校正达到了预期效果，既对低阻干扰体影响做了校正，又保留了探测成果中可能存在的其他异常，该校正方法可以很好地在资料处理中推广应用。
5 结 论
1)在矿井音频电透视勘探中浅部低阻干扰体的影响是普遍存在的，浅部低阻干扰体的影响及校正问题研究具有理论意义与实际应用价值。通过分析模拟数据与野外实测数据，总结常规数据处理中存在的问题，对浅部低阻干扰体影响及校正做了研究。
2)对浅部低阻干扰体影响的校正，首先进行干扰的判断与分析，通过“小波变换”的滤波算法，可有效地滤除随机干扰，突出有效异常。采用正演数据模拟校正对比，对数据的分析与整理，实现了对发射端电极或接收端电极低阻干扰体的定位，为校正不均匀体影响提供了条件。
3)通过对实测数据进行校正，对比校正前后结果，并对实测数据校正成果进行验证，证明该方法的实用性，达到了预期的校正效果。
4)数值模拟部分所做模型为二维模型，若能建立三维模型，对低阻干扰体进行空间精确定位，将会为采空区、溶洞、砂岩含水体等的探测提供更加有利的技术支持。
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