摘 要：矿井巷道掘进过程中，利用瞬变电磁法超前探水因易受电磁干扰而使测试效果变差，尤以金属干扰最突出。因此，研究金属干扰特征对于井下水害超前探查技术的提高具有重要意义。针对超前探测情况，以锚杆作为主要干扰源，按现场实际干扰情况，设计井下实体模型试验。分析测试数据认为：锚杆对瞬变电磁探测的干扰程度及特征主要受其自身空间状态(x，y，L)决定；初步确定锚杆的最大干扰距离d为3m，其中，1.5m内具有强干扰，1.5～3.0m区域干扰较弱；划定锚杆外露长度L在0.5m内为干扰程度变化敏感区，0.5～1.7m以上基本持水平状态。通过2根锚杆测试数据的对比，近似认为组合干扰信号为2根锚杆单独响应信号的垂直叠加，该结果为金属干扰的校正技术研究提供可循规律。最后，指出受金属干扰的数据需研究其有效性。
    关键词：采矿工程；巷道掘进；瞬变电磁超前探测；实体模型试验；锚杆干扰；信号垂直叠加
1 引言
    矿井防治水是矿井安全生产保障的一项重点工作。近15a来，矿井瞬变电磁法在探测巷道掘进前方如构造含水性、异常富水区等地质问题方面发挥了重要的作用^[1-5]。随着该方法的不断发展，研究力度不断加大^[6-9]，但仍存在许多棘手问题，其中电磁干扰是关系到现场测试信号有效性的重点问题，尤以金属干扰问题最为突出^[10-11]。因此，解决金属干扰问题，实现探测数据的有效校正，可提高探测的准确度，这将对煤矿井下探水具有重要的应用价值。
    针对巷道掘进工作面瞬变电磁超前探测情况，分析主要的金属干扰源为锚杆。因此深入研究锚杆干扰情况对于超前探测至关重要。数值模拟和物理相似模拟是物探研究的重要手段，因巷道条件下的感应电磁场极为复杂(除受金属干扰外，还与环境电磁噪声、一次场干扰、接收线圈暂态过程等影响因素有关^[12-13])，且受锚杆分布体积小等受限，使得数值模拟和物理相似模拟难以高度仿真。考虑研究成果的真实、适用性，本文选择井下巷道试验场，按照完全相同的实体模型及现场实际状态特征，采用瞬变电磁仪采集感应场数据并分析二次场响应特征数据，深入认识锚杆感应场响应特征并分析其规律，力求获得有效的干扰校正方法，为矿井瞬变电磁超前探水提供有效的手段，提高地质解释精度。
2 测试系统
2.1 井下测试条件
    在福建将乐县矿井物探试验基地一号井下，选择水仓引到巷道作为试验地点。巷道顶标高175m，巷道截面宽3m、高4m，两帮为泥岩，较平整，顶、底板分别为砂岩和粉砂岩，属于二叠系下统童子岩组地层，海陆交互相含煤沉积。为提高试验结果精度及可靠性，试验前清除巷道内堆积金属设备、巷道电缆断电及停止周边生产作业活动等不利因素。
2.2 系统构建
(1) 观测方法
    将瞬变电磁线圈法向垂直于巷道的一帮并固定，其上边和下边距离工作面顶板和底板均为1m，左、右边距离巷道两端较远。如图1所示，在均匀介质条件下，法向距离回线中心为Z的水平切面内，回线激励磁感应强度B(单位为T)呈对称分布，因此选择回线的1/8个扇区作为锚杆响应特征研究范围。为使锚杆呈实际探测时状态，即模拟回线周边不同位置且嵌入不同深度情况，以井下常用外径φ30±0.5mm，长度为2m的锚杆为研究对象，在研究范围内施工18个锚杆嵌入孔，单孔直径φ36mm、深2m。其中，1～3号孔位于回线内部；4～6号孔位于回线边界；7～18号孔位于线圈外部；图2为锚杆布置图，图中，d为任意孔至回线中心的距离。除此之外，针对每个干扰点，分别设计锚杆外露长度L=1.7，1.4，1.1，0.8，0.5，0.2和0.0m进行测试(见图2(b))。 (2) 数据采集
    试验以国内YCS40(A)矿用瞬变电磁仪器为数据采集平台，完全按照其井下探测方形重叠回线装置完成数据测试，该装置发射和接收线圈边长均为2m，发射和接收匝数分别为9和18匝^[14]。仪器发射电压7.0V，发射电流约为2A，叠加次数128次，40个时间测道，与实际探测一致。为便于分析锚杆响应信号，首先在工作面未嵌入锚杆条件下，采集数据作为瞬变电磁背景场；其次，针对各锚杆分布点，采集7个不同L值的锚杆干扰瞬变场数据。最后，按照18个孔的排列组合方式，完成2根锚杆组合干扰下的瞬变电磁场数据采集。
3 瞬变电磁场分析
    瞬变电磁场穿过接收线圈时，其磁通量不断发生变化，因此可测试感应电动势U。为避免脉冲电磁场随周期次数增加，将感应电动势对发射电流做归一化处理，即U_I=U/I，单位为μV/A，其中，I为供电电流。图3为无锚杆影响下的瞬变电磁场衰减曲线，即背景曲线。从图3中可见，在时间窗口1459μs以前，U_I受回线电感影响大，处于饱和状态；1459～3230μs时间段内，回线电感影响逐渐减弱，UI快速衰减；3230μs以后，U_I＜1μV/A，且上下振荡，分析此时U_I值已不受回线电感影响，仅为地质体响应信号微弱，信噪比低的表现特征。综上分析，应以晚期3230～35039μs时间段研究锚杆响应特征，这样可避免其他因素干扰，结果更加可靠、实用。
3.1 一根锚杆干扰情况
    根据试验测试分析，锚杆干扰程度受其自身分布状态影响而表现不一，主要有相对回线中心的平面位置分布(x，y)、出露孔外的长度L。要定量评价锚杆的干扰程度需要确定锚杆的响应幅值U_I。由于井下试验装置采用重叠回线，其测量值U_I为感应场的垂直分量，且方向相同，各分量为线性相加关系。此外，在瞬变电磁场的衰减过程中，记录时间t不同，也表现出不同的响应值，因此，在回线周边，晚期记录时间ti的锚杆响应幅值U_I可以表达为     图4为L=0.0，1.1，1.7m的感应电动势多测道剖面，代表了3种井下实际探测时常见的锚杆状态。可见，在回线内部、边界及外部，锚杆干扰下响应电动势UI差异明显。回线内部及边界处U_I值高，回线外并远离回线边界，电磁场快速衰减，U_I响应逐渐较小。13号孔(即d≥3m)以后的锚杆干扰数据基本与背景测试信号水平相当，可以认为距离回线中心3m以上，晚期瞬变电磁场的锚杆干扰可忽略。因此，本文重点分析d≤3m范围的锚杆干扰特征。
(1)UI随(x，y)变化的特征关系
    为获得U_I随(x，y)变化的特征关系，按照井下试验锚杆分布位置，将1～18号孔转换为x和y坐标，且定义回线中心为坐标原点(0，0)，其中，x表示沿巷道走向，以回线右侧为正轴；y表示巷道顶底板方向，顶板为正，底板为负。按照锚杆与回线中心的对称关系，将实测锚杆响应值从1/8区域拓展到整个回线区域，以记录时间3230μs时刻瞬变电磁场值的分布为例，绘制等值线图加以阐述。
    图5为不同L条件下平面位置(x，y)处锚杆与其瞬变电磁场响应值U_I之间等值线分布图。可见，不同的L，U_I随(x，y)变化的分布特征存在较大的差异，当L≥0.2m时，UI随(x，y)改变，总体分布趋势一致，以回线中心为圆点，半径为R的圆向外递增扩散，当R=1.12m时，U_I达到最大，约为102.3μV/A，其分布范围延展至回线边界。越过边界并远离时，U_I快速衰减，其衰减形态与回线形状相似，当时，U_I≈10⁰=1。随着d的增大，U_I逐渐减小，最终为0。当L=0m时，UI响应趋势与L≥0.2m时相比有一定变化，首先，其最大幅值为10^1.5μV/A，位于回线中心；其次，从中心扩展至回线外侧，幅值保持衰减状态，其形态为圆形，与回线形状不同。但总体而言，其强弱干扰的分布范围基本与L≥0.2m时一致。因此，分析确定锚杆在坐标范围(-1.5≤x≤1.5，-1.5≤y≤1.5)时，有强干扰；而坐标范围(1.5≤|x|≤3，1.5≤|y|≤3)为锚杆弱干扰范围。
(2) U_I随L变化的特征关系
    通过U_I与(x，y)关系的分析，可以看出，不同L引起锚杆干扰幅值U_I及其随时间t延长的衰减趋势不同。为表明U_I与L的特征关系，选择回线中心(见图6(a))、边界(见图6(b))和外部(见图6(c))3处U_I随L变化的响应情况加以分析。可见，3个不同位置处具有相似的变化规律，即在L=0m时，U_I最小；随L变大，U_I上升，至1.4m，U_I达到最大；L继续增大，U_I略微下降。但随L从0.0～1.7m，U_I在3个区域上升或下降幅度不等。在3230μs时刻，以上述三处的UI随L的变化特征(见图7)为例，对回线内部、边界及外部U_I值变化情况加以描述。
    从图7可见，L=0.0～0.5m段，回线边界UI值呈直线上升；而在回线内部和外部，上升相对缓慢；当L从0.5m增大至1.4m，U_I值均非常缓慢上升；当L=1.7m时，U_I值缓慢下降。总而言之，当L从0增大至0.5m，锚杆响应U_I值上升快，为U_I值响应敏感范围，其中锚杆位于回线边界处，U_I上升最快；0.5m以后，随L增大，U_I变化很小，相对不敏感。
    井巷瞬变电磁实际探测时，在回线周边存在2根及以上的锚杆干扰是常见的。井下试验完成了多种2根锚杆组合干扰的情况，在对一根锚杆干扰分析的基础上，获得了具有一定规律的特征关系。为便于对比分析不同状态下的锚杆组合响应特征，限于篇幅，此处根据其组合关系给出部分测试数据加以说明。表1为一根锚杆响应的瞬变电磁场值。根据表1，将空间状态为(x=0，y=0，L=0)的锚杆分别与空间状态为(x=-0.5，y=0，L=1.1)，(x=-1，y=0，L=1.1)及(x=-0.5，y=0.5，L=1.1)的锚杆进行组合，然后将2根锚杆单独引起的瞬变电磁场值进行线性相加，即     再与2根锚杆组合干扰下的实测值(U_I)实测值进行比较分析。由表2可见，
    (1)(U_I)实测值与(U_I)叠加值在记录时间3230～35039μs段，两者比值为0.93～1.00，其中在测试信号的尾部偏离1.00相对较远，考虑忽略信号采集过程中存在的环境电磁噪声、一次场干扰和接收线圈的暂态过程以及瞬变电磁场信号的动态范围大等因素，可近似认为     (2)根据式(4)，可以近似计算出在回线周边干扰区内任意2根锚杆的组合响应特征，这为受2根锚杆干扰的数据体校正提供了一个可循规律。
4 结论与讨论
    矿井瞬变电磁是探查巷道掘进工作面前方水害的主要技术之一。应用过程中必须解决金属干扰问题，才有可能取得良好的探测效果。本文针对锚杆干扰的相关问题进行了井下实体试验研究，获得如下结论：
    (1)经井下试验分析，锚杆对井下瞬变电磁超前探测有干扰，其干扰程度及特征主要受锚杆自身所处的空间状态(x，y，L)决定。
    (2)测试数据表明：锚杆干扰的最大距离d=3m。大于该距离，锚杆干扰可忽略；在该距离之内，当1.5m≤d≤3.0m时，干扰较弱；而当0.0m≤d≤1.5m，UI有大幅提高，干扰较强，其中从回线中心向回线边界呈圆形递增，从回线边界向回线外侧呈方形梯度下降，在回线边界处最大，可达102.3μV/A。而且锚杆响应还与锚杆的外露长度L有一定的规律：L=0m时干扰最小，L=1.4m时干扰最大，当L从0变化到0.5m时干扰信号幅值提升较快，而当L从0.5m增大至1.7m时，干扰基本处于最强状态。
    (3)在忽略测试装置自身的因素情况下，通过对2根锚杆组合干扰的数据分析，近似认为组合干扰信号为该2根锚杆单独响应信号的垂直叠加，该结果为矿井瞬变电磁探测数据的锚杆干扰校正提供了一种可循规律。
    本次试验研究仅属初步，其结果还不能满足实际探测应用，需不断深入研究。但其中尚有一问题值得探讨，比如：在研究过程中发现，真正的地质体响应信号与锚杆等金属感应信号相比，甚为微弱，且其响应时间较短；考虑激励场受锚杆等金属影响，电磁场的传播规律势必发生变化，尤其是在多于2根以上锚杆干扰的情况下，这种现象将更为明显。因此，金属干扰下瞬变电磁测试信号中是否仍有分辨地质体信号的能力需进一步研究，只有确定有效信号的存在，针对金属干扰校正技术的研究才有意义，笔者及课题组正在深入研究。
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