基于标准差标准化的矿井瞬变电磁数据处理方法研究

周 彤

（中国煤炭地质总局普查队，江苏 徐州 221006）

瞬变电磁技术是一种在人工磁场的基础之上，对矿井进行探测的物理探测方法。对矿井进行电磁探测，可得视电阻率断面，根据视电阻率断面可对矿井工作环境进行分析。而因矿井工作周围环境复杂，装备条件的不同，极易导致所得的视电阻率断面特征异常，对后期的数据分析工作产生影响。

因此为提升资料分析精准度，科研人员提出多种处理方法。例如，矿井瞬变电磁超前探测资料数据扩散和叠加分析方法；借鉴地震资料处理办法，将虚拟补偿反演方法应用于矿井瞬变电磁法资料处理中；借助合成孔项技术将其应用于数据资料分析。总的来讲，上述方法有利于提升数据资料分析精度，但处理方法复杂，普通技术人员在应用方面存在一定难度。尤其是对于矿井瞬变电磁法探测集聚效应相关因素的影响，会得到解释精度较低的电子平面图。因此本文提出利用标准差标准化进行数据处理，消除干扰因素，突出异常情况，提升对异常情况的解释效率。

1 矿井瞬变电磁处理方法

1.1 基本原理

瞬变电磁法是一种基于在电子原理基础上的人工电资源勘探方法，其利用地缘线和地回线向地下发送磁场，进而从地下获得电流情况。此种测量方法主要是基于电流的瞬间变化，来对矿井工作环境进行测量。其在矿地周围布置电线圈，并打开电流，形成磁场。感应电流会随着时间的变化而变化，随后又在岩层周围形成新的磁场，该磁场称为二次磁场。由于岩层以及周围介质导电体内部电流的损耗，二次磁场也会随着时间的变化呈指数递减，直至周围的磁场能量完全消失。

瞬变电磁探测方法基本原理，与地面探测方法基本原理相一致，不同的是矿井瞬变电磁探测方法是在几百米下的地下空间进行，瞬变电磁成全空间分布，此时得到的瞬变电磁响应为全空间效应。

1.2 工作方法

根据产生磁场电磁波的特征，合理利用该技术，可对空地周围工作环境进行全方位的检测。一般来讲，探测线线框的平面位置即探测的基本方向，在实际的探测工作中，可根据探测方向的不同来适当调整线圈位置，利用瞬变电磁探测法，可对矿地周围的水文环境进行检测，也可对矿井工作面的工作环境进行检测。

首先是工作面富水性探测，该探测的主要工作方法是在具体的工作面中铺设巷道槽，并逐个进行探测。根据电磁产生的电磁波特性，可利用该技术对该地区的水文环境全方面检测工作。一般情况下在进行水文监测时线圈的所在位置即为探测的主要方向，在实际工作中可根据探测对象地理位置的不同，将线圈调整到合理位置。可以精准测量岩石层的含水情况。在实际探测中一般在同一巷道上进行，并经过后期的数据处理，可以得到不同层面上的连电特性，视电阻率断面图，并根据水文地质资料，综合分析该岩石层面的含水情况。

其次是前方地质的超前探测，进行前方地质的超前探测。主要目的是探测前方地质环境，确保前方地质环境符合况下工作需求，避免因地质条件的影响而产生矿下工作事故。在使用该方法进行前方地质条件测试时，一般将接收线圈接近掘进迎头位置。接收线圈的轴线方向即为探测的主要方向。从巷道的左方开始，在水平面上使接收线圈180°旋转。首先，由左方向右方旋转，依次偏转50°、40°、30°、20°、10°。随后由右向左偏转，依次偏转50°、40°、30°。在偏转完成后，使线圈方向与探测及所在方向保持同一位置，随后在该平面上，再次进行从右偏50到左偏的线圈偏转，通过此种方式全方位得出该平面的地质情况。

2 标准差标准化

标准差标准化的工作方法，是对所得数据进行量化处理的一种方法，数据在标准差标准化处理后，可将数据转换为变量，不再具有单位，进而消除因单位和外在条件对所得数据精准度产生的不良影响。使用标准差标准化数据处理方法进行矿井瞬变电磁探测数据处理时可按照如下方法进行，

首先按照一定深度间隔抽取某i点的等深度h数据，随后求出每一组等深度数据Ci,h的平均值pi,h，其公式为，

其中a点为测试点数，最后求出数据标准差σi，其公式为。

在对等数据Ci,h进行标准差标准化后，得到数据，其计算公式为。

将Ci,h与数据进行替换，使用绘图软件来绘制深度，后面结合地质资料对该地区进行标准差标准化的数据分析。

3 数值模拟及工程验证

为了有效验证标准差标准化的数据处理效果，分别从数值模拟和工程实证两个角度进行分析。

3.1 数值模拟

首先在数据模拟角度，应用瞬变电磁探测方法的数据模拟方法较多，其中瞬变电磁三维有限差分正演算法是应用较多的一种瞬变电磁数据分析方法。

在时域瞬变电磁探测方法的基础之上结合，瞬变电磁探测实际建立起地质模型，并对瞬变电磁探测，磁场进行演算，该模型包括巷道、半空间、低阻异常体，三部分，模拟巷道前方掘进方向的含水量低阻异常情况，其中异常体为前方50m的正方体的主体体积和尺寸为30×30×30，围岩电阻率为100，异常体视电阻率为1，巷道中间空气为高阻，其视电阻率为1万。以此来模拟巷道前方地质超前探测工作，将发射回线设置为2m×2m。

本次演算采用GPU演算方法，使用浪潮大型服务器，对视域电磁场数据进行计算，得出巷道迎头方向的瞬变电磁数据，并使用常规方法对该数据进行模拟。

对比上述两个图可以看出，在标准差标准化基础之上所得出的，异常体的解释范围向异常体的所处空间的靠近，与实际模拟中的异常体所处方位相吻合。这表明，在标准化标准化方法基础之上，对数据进行处理，能够消除单位以及外在因素对数据处理精确度产生的影响，提升数据处理质量，将异常体归为真实空间位置，提升数据处理的解释精度。

3.2 工程验证

随后是进行工程验证，以保障此次结果的精准性。此次工程验证，是在某矿进行。此次探测避开矿井的生产时间，利用矿井休息时间来进行，此时掘进机等设备一般处在离迎头较远的位置，处于工作停止的状态。在进行检测前期，要清除装置附近的近铁气，减少铁器对探测结果的干扰。在检测过程中打开仪器的抗工频干扰选项，在进行现场检测时，选择合适的叠加次数以及相关测试参数，最大程度上压制环境对测试结果产生的干扰以提升数据的精准性。在后期对数据进行处理过程中，首先对数据进行预处理，剔除干扰因素。随后对数据进行滤波，消除数据中的随机干扰因素，随后提升数据整体质量，利用关断时间校正等方法，最后得出数据处理结果，生成数据处理图，此次的工程实验数据处理图，如图1~2所示。

图1和图2是利用常规方法和标准差标准化处理方法所得的数据结果，其中图1是常规式的数据处理办法，由图1可以看出，该图中的视电阻率呈等线呈现，以掘进工作面为中心点呈圆形状。该图中共有两处异常体位置，1号异常体位置位于掘进工作面，2号异常体位置位于掘进工作面的圆心位置，1号异常体靠近掘进工作面的右侧，异常的实际范围相对较小。

图1 现场实测数据

图2 标准差标准化异常解释

图2是基于标准差标准化算法为基础所得的数据异常处理图，从该图中可以看出共有两处异常体位置，位于图中的右侧位置是已知的积水采空区。图1中的1号异常体位置并未在图2中发现，后经实际验证可以得知，图1中1号异常体位置为砂岩裂隙含水区。

对比图1和图2两个数据图可以得知，超前探测的水平方向大致位于均质分布的实体，视电阻率不应成同心圆状分布。而且用标准差标准化进行数据处理，所得的地质结构大致与水文探测结果相一致，验证了该方法的有效性。

4 结论与建议

采取瞬变电磁探测方法对所得结果进行分析，可在大程度上降低单位以及外因素对数据处理精准性产生的影响。因此在实际工作期间，利用外在手段来降低干扰因素对探测结果产生的影响之外，还可利用标准差标准化数据处理方法来对后期数据进行处理。采用标准差标准化数据处理方法，对所得数据进行处理，可以消除单位以及外界干扰因素对数据分析精准度产生的影响。经过数据模拟以及实际工程测量可以得知，利用标准差标准化数据处理方法，可在瞬变电磁超前探测时，消除不良因素对数据精确性产生的影响，监视视电阻率异常变化，精准突出异常体，且所得的异常体在后期的工作中也有所验证。下一步将结合具体的工作面进行分析，进一步验证标准差标准化数据处理方法对减少干扰因素对数据精确性产生影响的有效性。