瞬变电磁金属干扰特征及校正方法研究.pdf

山东工业技术2 0 2 3年第4期（总第312 期）瞬变电磁金属干扰特征及校正方法研究周健，王芒（山东鲁岩勘测设计有限公司，山东济南2 5 0 0 2 2）【摘要】金属体对瞬变电磁法探测结果的影响较大，研究其影响规律并对干扰数据校正是瞬变电磁法资料解释及处理中的重要内容。论文首先在全空间瞬变电磁场的理论基础上，研究了均匀介质中全空间条件下瞬变电磁场的传播规律和视电阻率计算。然后设计井下金属体干扰实验方案，根据实际情况在井下进行现场探测实验，根据实际探测数据，总结了特定地质条件下瞬变电磁场的分布规律，并分析了金属体对于全空间瞬变电磁场响应的影响规律。根据其影响规律推导金属体干扰的校正函数，并对干扰数据进行校正。最后结合实际探测进行应用，得到校正成果并分析校正效果及其意义。研究表明：金属体对瞬变电磁响应的干扰存在一定规律，通过对金属体干扰的数据进行校正处理能够得到较好的探测效果。【关键词瞬变电磁法；金属体干扰；现场试验；干扰校正【中图分类号】P631.3+4【文献标识码】AD01I:10.16640/ki.37-1222/t.2023.04.014【文章编号10 0 6-7 5 2 3（2 0 2 3）0 4-0 0 7 9-0 8源 4。金属体的二次场响应对实际测量工作的干引言扰不容忽视，探测位置距离干扰体越近，所采集大地瞬变电磁探测勘察目标是地面以下，地面以上空气可以当作无穷大的电阻率，所以得到的信息是地面以下地质体的响应。但矿井瞬变电磁是和它有区别的，因为煤矿巷道中探测施工，所以相应的探测信号是空间内的所有地层的响应。全空间正演理论 2 研究得还不够深入，主要是因为没有半空间的研究开始的早，而且更加复杂，探测的信号为探测线框两侧的地质体的叠加信号，使矿井瞬变电磁测深资料解释增加了难度。当进行矿井瞬变电磁探测工作时，井下存在的干扰因素是无法避免的，干扰的校正成为一项必要的工作 3。掘进机等金属体是主要干扰的有效信息越少，甚至完全被干扰信息淹没，这与探测线框电磁场分布特征规律也是符合的。本文通过研究金属体干扰影响特征，以便得到有效的校正方法对数据进行处理，希望能够使瞬变电磁探测成果真实地反映实际地层的地质条件。一、瞬变电磁场基本理论与方法1.瞬变电磁的原理及特点矿井瞬变电磁法与大地瞬变电磁法具有类似的基本原理 5 ，但是也有很大的区别，在矿井巷道中施工探测时，瞬变电磁响应为巷道顶、底板以及探测位置周围全空间内的综合瞬变电磁响应收稿日期】2 0 2 2-11-2 3【作者简介】周健（198 9一），男，硕士，山东鲁岩勘测设计有限公司，工程师；王芒（198 9一），男，山东鲁岩勘测设计有限公司，工程师。-79-瞬变电磁金属干扰特征及校正方法研究结果，见图1。这时测量得到的瞬变响应为全空间响应。由“烟圈”理论 6 可知，瞬变电磁场的产生主要分为两个阶段，第一阶段首先在建场时间对发射线圈中通以电流（见图2），第二阶段在关断时间将通入的电流迅速关掉，当供电的阶跃电流突然断开时，在那一瞬间一次磁场产生了猛烈的变化，这种变化首先传播到距离发射线框较近的地层中，在距离发射线框较近的地层中感应电流最强，随着时间的逐渐变化，这种感应电流也随之变化，使得本来在距离发射线框较近的地层中的感应电流慢慢地向地层深处传播，在这个传播的过程中，感应电流的大小也慢慢地变小，逐渐变为平均地散布于地层之中。早期的瞬变场是由紧靠发射回线的地层所产生感应电流产生，早期的瞬变场能够反应浅层的视电阻率区域分布规律；晚期的瞬变场主要为距离发射线圈较远的导电介质所产生感应电流生成的，反应远距离区域电性分布。同样的道理，晚期瞬变场的变化（即衰减规律）可以用来探测线圈远处地层电性垂向变化，达到探测的目的。探测方向顶板工作面底板探测方向图1全空间瞬变电磁信号扩散示意图发射电流建场时间记录时间关断时间二次磁场二次电位场-80-2.瞬变电磁法视电阻率计算瞬变电磁法勘探都是以视电阻率来作为瞬变电磁法勘探的常用参数，用来表示地层介质的分布特征，地面半空间的瞬变电磁法的理论已经相对较成熟，而矿井瞬变电磁法是在全空间条件下的探测手段，二者的基本原理具存在较大差异，由于全空间情况下无法得到简单的表达式，去推导全空间的瞬变电磁场理论，因此只能基于半空间的情况在有限条件下得到P,的简化公式。均匀全空间层状介质中瞬变电磁响应为：(1)2r元2式中edx，可以近似为真空中的磁导率。定义全空间瞬变电磁法视电阻率P,为：PtaB,P1t式中aBz/at表示不均匀介质情况下半空间晚期垂直磁偶极子场的z分量对时间的偏导数，aBz/at表示电阻率为Pi的均匀介质情况下半空间晚期垂直子偶极子场的z分量对时间的偏导数；C是校正系数。又由于LuMBz=30元元/3/2aB,P,at(a)式中M=SNI表示发射回线的磁偶极矩；S表示发射线圈的面积；N表示发射线圈的匝数；I表示供电电流强度。因此代人电磁场(b)的基本方程可得：aB,P一at4元t(5toB,/at(c)当接收线圈的面积为S，接收线圈的匝数为记录的二次场n，接收线圈产生的感应电位为：记录的二次场aB,V=-sn图2 TEM信号的产生原理示意图at2ue2(Bz/at）2/3aBz/at2/32uM一4元(5taB,/at)2uoMu221Vpt，（2）（3）（4)2/3（5)(6)山东工业技术2023年第4期（总第312 期）将式VD=0代入入到以下视电阻率公式迎头位置8mP,=6.32 10-(e()/)3-/2(7)6m4m式中L表示接收线圈的边长；(t)/I表示归2m一化的感应电位值；t为观测门时间。代入后可0m掘进机得全空间瞬变电磁法视电阻率的表达式为：72/3P,=BCx4o2oSNsn4元 5 t(V/)=BC6.32 10-2(S N)/3 式中B表示全空间情况下与半空间情况下工作装置间的比例系数，大小一般取在5 0 2 0 0 间；C表示煤矿井下巷道顶底板岩层瞬变电磁响应的校正系数，根据顶底板岩层电阻率不同其值取在3 10 间 18.9 。二、瞬变电磁干扰实验1.实验方案设计掘进机一般位于掘进巷道的迎头位置，属于体积较大的低阻体干扰源，在进行巷道瞬变电磁法超前探测时，会对探测成果造成很大的影响，因此设计以下实验方案，以研究其影响规律。将探测线框置于掘进机前方，在距离掘进机不同位置处分别采集数据。由于掘进机无法移动，因此通过移动探测位置实现与掘进机不同距离的实验。如图3所示为探测位置与探测方向俯视图，分别在0 m、2 m、4m、6 m、8 m 处采集（图3a1.E+061.E+051.E+04(V/A辉申酒1.E+031.E+021.E+011.E+001.E-010.1迎头位置探测方向0-45全探测线框与掘进机掘进机距离(a）探测位置图3掘进机探测位置与探测方向示意图探测位置），图中虚线表示探测线框的位置，(8)以及与掘进机的不同探测距离；在每个位置探测5 个方向的扇形面，分别为左侧帮-45、左侧帮-30、正前方0、右侧帮30、右侧帮45（图3b为其中一个探测位置探测方向示意图，其他位置同），图中虚线箭头表示探测角度所对应的方向。设计实验点5 个，数据采集量2 5 个。2实验数据分析图4中，（a）、（b）、（c）分别表示探测线框距掘进机0 m、2 m、4m、6 m、8 m 位置不同探测角度的探测成果。由图中可以看出，当探测位置距离掘进机较近时，各个方向的探测曲线相差较大，随着探测位置逐渐远离掘进机，探测曲线逐渐归于一致，可见前方各个方向地层视电阻率变化不大，而当近距离受到掘进机的影响后，两侧45 方向受全空间效应更大，而0 方向受掘进机影响更大，使得不同方向视电阻率差异变大。-451Time(ms)（a）左侧45 方向45(b)探测方向-0m2m一4m*6m*8m10100-81-瞬变电磁金属干扰特征及校正方法研究一0 m01.E+061.E+051.E+041.E+031.E+021.E+011.E+001.E-010.11.E+061.E+051.E+041.E+031.E+022m一4m*6m8m10100Time(ms)(b)0 方向450m2m4m6m*-8m1.E+011.E+001.E-010.1此外，在0 m位置的感应电动势远远大于在两侧45 方向比其他几个探测位置，而且其他几个位置的探测结果差别很小，这说明两侧45 方向，在离开掘进机一定距离后由于探测方向的原因，受掘进机影响变小，而0 m处因距离太近，即使有一定探测角度也受较强烈影响。仅分析0 探测方向可见，随着与掘进机的距离变化，感应电动势呈阶梯状分布，按理论上来说，探测结果应为0m2m4m6m8m，但实际探测结果为0m2m4m，6 m 8 m 两组没有按理论规律分布，这说明在这两个位置所受的掘进机影响已经很小，基本为全空间地层的响应结果。三、瞬变电磁金属体干扰校正方法矿井瞬变电磁法视电阻率计算公式：-82-1（c）右侧45 方向图4感应电动势衰减曲线对比图式中，是全空间影响因子；Sr、SR 是单匝发射、接收线框的面积；NT、Nr 为发射、接收匝数；A。为校正后归一化感应电动势；t为感应电动势衰减时间。在井下巷道工作装置的测量条件相同的情况下，没有金属体和归一化感应电动势的金属条件下分别：Ao=Vo/loA,=V,/l令A=A,/Ao，根据井下实测数据对比分析，存在金属干扰使瞬变电磁感应电动势幅值变大，衰减变慢，其比值A与时间t存在一定规律，经10Time(ms)4t元1002MS.N.S.NR235t(V/1)(10)(11)(9)山东工业技术2 0 2 3年第4期（总第312 期）多组探测获得A/A。的拟合函数p.(t)，p,(t)为90方向、顶板仰角45 方向、底板俯角45 多项式函数，根据精度要求选择适当阶数，则方向三个探测方向。实际资料现场采集所使用的Ao=A/p,(t)(12)(13)A。为校正所得感应电动势，根据矿井视电阻率计算公式获得校正后视电阻率：(14)利用这一结论根据不同金属干扰体的校正拟合函数p,(t)，依次对每个时间窗口的感应电动势校正值，然后对有金属体影响的测量数据进行校正。那么我们需要做的就是通过A,/A。的规律，得到准确的多项式拟合函数p.(t)。通过对实验数据分析处理，得到A,/A。的规律，并利用多项式拟合得到该规律曲线函数，如下图所示。图5 为掘进机拟合函数曲线图，可见在探测线框紧靠掘进机时的曲线值远远高于其他位置，且整体趋势符合掘进机干扰影响规律，这说明，通过离开一定距离可有效减小影响。该曲线规律同前文所分析的干扰影响规律相对应。那么在校正的时候就应当选择对应距离位置的校正函数，依据此原则进行校正具有较高的可靠性，因为所选择的校正函数是通过距离异常点较近的无干扰位置对比所得，并不会因为地层的地质条件剧烈变化导致影响原来数据的变化规律，所以能够保证在不失真的条件下去除干扰因素，这次是所要达到的最佳效果。1210864200四、工程应用实际资料采集时探测起点设为0 号测点，测点间距10 m，测点终点为93号测点，测点总数为9 4个，总探测长度为9 30 m，共探测顶板仰角仪器是澳大利亚-Geolnstruments公司生产的Terra-TEM瞬变电磁仪，仪器采用重叠回线装置进行发射和接收，发射线框和接收线框都是2m2m的多匝矩形线圈，数据采集时的时间V门数为10 0。实际资料采集过程中，将固定发射线框和接收线框的矩形框架抬离巷道底板且使框架保持水平不动，尽量使瞬变电磁仪和电源远离线框，还要避免线框下面巷道底板铺设的铁轨，使线框尽量处于巷道中间位置远离两侧帮的锚网索支护。据图6 未校正前探测成果图中可见，各探测方向成果整体被干扰响应覆盖，显示为整体低阻异常，无法辨别实际低阻异常，为了能够对探测成果进行准确的解释，需要对其干扰数据进行校正。图7 为经过校正之后的探测成果图，金属干扰所造成的影响基本已经剔除，实测资料经过金属体干扰校正后得到的视电阻率断面图基本可以反映巷道顶底板岩层的电性特征。顶板位置整体视电阻率较高，为不含水或弱含水性，仅在桩号100130m，顶板以上6 0 10 0 m；桩号40 0 490 m，顶板以上6 0 10 0 m；桩号5 10 5 8 0 m，顶板以上60100m；桩号6 2 0 930 m，顶板以上6 0 10 0 m位置视电阻率相对较低，顶板在此位置属于二叠系砂岩层，为相对弱含水区。底板整体视电阻率较高，为不含水或弱含水性，仅在桩号440 48 0 m，底板以下6 0 10 0 m桩号6 2 0 6 30 m，底板以下拟合函数（0 m）餐数（2 m）登数（4m）拟答函数（6 m）2040Time(ms)图5掘进机拟合函数曲线60100m；桩号7 5 0 7 7 0 m，底板以下6 0 10 0 m;桩号8 90 92 0 m，底板以下6 0 10 0 m位置视电阻率相对较低，底板在此位置属于三灰岩层，为相对弱含水区。结合地质情况对比分析实际资料全空间瞬变电磁金属体干扰校正前后的视电阻率断面图可以6080100得到：相对于未校正的结果，校正结果中的低阻异常体具有成层特性，且具有一定的连通性，更能反映层状地层以泥岩为主的岩性结构特征及含水特性，而校正前整体呈低阻反应无法区分实际低阻异常；经过校正后可以大体确定低阻异常体的范围，较为准确的确定低阻异常体的范围和规模。校正处理成果与实际水文地质、钻孔资料结-83-瞬变电磁金属干扰特征及校正方法研究2.m010080604020001008060402000-20-40-60-80-1000010080604020001008060402000-20-40-60-80-1000果基本吻合。说明本次瞬变电磁法探测在经过金属干扰校正后，真实地反映出实际地层的视电阻-84-100100100100100100100100100100100100200200（a）仰角90 方向矿井瞬变电磁探测视电阻率断面图200300200300(b）仰角45 方向矿井瞬变电磁探测视电阻率断面图200300200300（c）俯角45 方向矿井瞬变电磁探测视电阻率断面图图6未校正成果图200300200300(a)仰角90 方向矿井瞬变电磁探测视电阻率断面图200300200300(b）仰角45 大方向矿井瞬变电磁探测视电阻率断面图200300200300（c）俯角45 方向矿井瞬变电磁探测视电阻率断面图图7校正后成果图率分布情况，校正的效果较好。这说明该校正方法可以在工作面探测中取得良好的效果。300300400400400400400400400400400W400500400500400500500500500500500500500500500WWW10080604020600700600700600700600600600600600600600600600700700700700700700700700700800800800800800800800800800800800800900900900900900-20-40-60-80-10090090090090090090090010080608407620432-02.m1008060940202.m504012105432-01008060402050-20-40-60-80-10010山东工业技术2 0 2 3年第4期（总第312 期）正对金属体时，其干扰响应要大于其他探测方向。五、结论3、对金属干扰体不同的距离参数，计算得本文是基于现有瞬变电磁理论的基础上，进到相对应的拟合校正函数，实际应用证明该校正行了多次金属干扰实验，研究了金属体在瞬变电方法能够较好地剔除金属体异常干扰，获得较好磁响应影响规律，并提出了使用拟合函数校正干的校正效果。扰数据。六、展望1、阐述了瞬变电磁法的根本理论，通过分析瞬变电磁法的激发响应特征及井下全空间视电阻率计算方法，研究了瞬变电磁法金属干扰校正的方法，基于瞬变电磁场响应，即二次场感应电动势衰减规律进行校正，提出使用多项式拟合函数对二次场感应电动势校正，并对校正结果进行常规瞬变电磁数据处理，计算视电阻率值。2、研究剖析了瞬变电磁法探测中金属干扰体的瞬变电磁响应特点，针对实际探测中的金属干扰体设计多组对比试验方案。对试验成果进行详细的对比分析研究，归纳干扰影响规律，试验成果表明：（1）瞬变电磁探测中，距离较近的金属体会对探测结果造成较大影响，使二次场感应电动势衰减变慢，幅值增大，对应的视电阻率值偏低；（2）金属干扰体距离越远其影响越小，当达到一定距离后其影响逐渐变弱至被实际地层二次场响应覆盖，可以看作基本不受影响，能够反映真实视电阻率分布规律；并且当探测线框平面通过现场实验研究分析，并在实际探测工程中应用该校正方法，得到了较好的效果。但瞬变电磁法金属干扰校正理论尚不完善，井下实际环境更为复杂，还有很多问题呕待解决，研究中的有些理论和试验还存在不完善之处，希望能够进一步探讨研究：1、本文只是从金属干扰影响后结果来进行单纯的去干扰计算处理，并没有研究金属干扰体本身的瞬变电磁响应特征，如果能够对金属干扰体本身的响应与正常地层的响应以及地层中不同的高阻、低阻异常体的叠加响应都进行研究，会具有更高的准确性；2、该校正方法仅对常见的固定金属异常进行研究，并且只针对其距离参数进行研究以及探测方向影响的问题进行了讨论，没有考虑其他无规律摆放的金属干扰体，并且对干扰体的体积、面积等物性参数没有研究。【参考文献】1胡博.矿井瞬变电磁场数值模拟的边界元法 D.徐州：中国矿业大学,2 0 10.2杨海燕，邓居智，张华，岳建华.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，2 0 10,5 3(0 3):6 5 1-6 5 6.3范涛，安绍鹏，王秀臣，王信文.煤矿采空区探测中的瞬变电磁干扰压制 .物探与化探，2 0 12,36(0 6):10 0 6-10 0 9.4汤金云，于景邮，王扬州，刘建.矿井瞬变电磁人文噪声干扰及处理技术研究 .煤矿开采,2 0 0 8(0 2)32-34.5 John Milson.Field Geophysics.University College London.2003.6李金铭，地电场与电法勘探 M,北京：地质出版社,2 0 0 5.7刘树才，刘志新，姜志海.瞬变电磁法在煤矿采区水文勘探中的应用 ,中国矿业大学学报，2 0 0 5,34(4):414-417.8 Das U C.Apparent resistivity curves in controlled-source electromagnetic sounding directly reflecting true resistivities in a layered earth J.Geophysics,1995,60(1):53-60.9 Raiche A P,Jupp DLB.The joint use of coincident loop transient electromagnetic and Schlumberger sounding to resolve layered structure JJ-Geophysics,1985,50(10):1618-1827.-85-瞬变电磁金属干扰特征及校正方法研究Characterization and Calibration Methods of Metal Interference of TEMZHOU Jian,WANG Mang(Shandong Luyan Survey and Design Co.,Ltd.Jinan 250022,China)Abstract:Transient electromagnetic(TEM)method results are adversely impacted by metals,so it isimportant to characterize and compensate for such influences.First,based on the propagation theory of the TEMfield in a homogeneous medium and apparent resistivity calculation,this work designs an interference evaluationexperiment and conducts field tests based on actual situations in mine.Second,according to the collected data,we obtain the distribution of the TEM field under actual geological conditions.We then examine the influenceof metal on the whole-space TEM field response.Then the data correction function is derived according to theinfluence of metal interference.Finally,the correction effect and its significance are analyzed.This work provesthat the interference of metal to TEM response follows a certain pattern and data correction can improve thedetection results.Key Words:transient electromagnetic method,metal interference,interference evaluation experiment,datacorrection-86-