复杂条件下瞬变电磁法数据处理技术
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一、瞬变电磁法简介瞬变电磁测深法(Transient electromagnetic methods)或称作时间域电磁法(Time doman electromagnetic methods),简写为TEM或TDEM。
它是利用阶跃形波电磁脉冲激发,利用不接地回线向地下发射一次场;在一次场断电后,测量由地下介质产生的感应二次场随时间的变化,来达到寻找各种地质目标的一种地球物理勘探方法。
瞬变电磁法的测量原理是利用不接地回线(或电偶源)向地下发送一次脉冲磁场(或电场),即在发射回线上供一个电流脉冲方波,方波后沿下降的瞬间,将产生一个向地下传播的一次瞬变磁场,在该磁场的激励下在地质体内产生涡流,其大小取决于该地质体的导电能力,导电能力强则感应涡流强。
在一次场消失后,涡流不能立即消失,它将有一个过渡过程(衰减过程),该过渡过程又产生一个衰减的二次场向地下传播。
在地表用接收线圈接收二次磁场,该二次磁场的变化,将反映地下介质的电性情况,在接收机中按不同的延迟时间测量二次感应电动势,得到二次场随时间衰减的特性。
瞬变电磁法都是通过一次磁场激发二次涡流场来分析地下的各种地质情况,但时间域电磁法相对于频率域电磁法的最大区别在于瞬变电磁测深法是在一次场断电后测量纯二次场,不存在一次场的干扰。
另外,从傅立叶变换可知,一个阶跃形脉冲实际上是由各种高频和低频谐波叠加而成的,产生的场是一种宽频带电磁波场,因此与频率域电磁法相比,瞬变电磁测深法具有以下优点:(1)断电后观测纯二次场,可以进行近区观测,减少旁侧影响,简化了测量数据资料的处理工作,提高了探测能力和精度;(2)可用加大功率的方法增强二次场信号,提高信噪比,从而增加勘探深度;(3)穿透高阻层能力强;(4)由于采用人工源方法,随机干扰影响小;(5)采用重叠回线装置工作,可以避免地形影响;(6)线圈形状、方位要求相对不严格,测地工作简单,工效高;(7)由于测磁场,受静态位移的影响小;(8)通过多次脉冲激发,场的重复观测叠加和空间域多次覆盖技术的应用,可以提高信噪比和观测精度;(9)可以通过选择不同的时窗窗口进行观测,有效地压制各种噪声,可以获得不同勘探深度的信号,使剖面与测深工作与一体。
瞬变电磁法数据处理流程研究利用瞬变电磁法对目标体进行探测,采集数据后,需将采集的数理进行一系列的处理之后才能进行相关的分析与应用,因此研究数据处理的流程是十分有必要的。
标签:瞬变电磁法;数据处理;流程引言利用瞬变电磁装置对目标进行勘探采集数据后,便要进行数据处理的工作了。
在现阶段,由于处理解释的理论不成熟,仅仅停留在半定量半定性阶段,尽管现在有很多专家学者将地震的处理解释理论引进了瞬变电磁之中,但是总的来说还是有局限性的。
(张国峰等,2008)因此对瞬变电磁数据处理的研究是很有必要的。
此次采用的瞬变电磁装置为大定源回线装置,发射回线:600m×600m,工作频率:6.25Hz,发射电流:16A。
在此,以工程中取得数据为基础就处理的方法进行讨论。
1 数据处理流程2 干扰校正处理测区靠近高压线的数据受到电磁干扰影响,出现突变的极大或极小值,甚至会使局部数据整体变形、抬升或降低。
在数据采集的时候采取多种措施减小干扰,如在接收线圈正上方2m处安放铁丝网防护,多次数据采集优选数据质量相对较好的数据,但少数测点仍然受到影响。
对于受到干扰的数据要进行校正,使其回归应有的变化规律。
根据已知地质条件,采用多点圆滑及距离加权滤波的方法对受干扰数据进行处理,处理前后的效果对比如图2所示。
其中图a)为受干扰原始数据断面图,从图中可以看出,数据发生了严重跳变,蓝色虚线为采集数据位于高压线边缘,其发射线框位于高压线底下,采集数据由于受到高压线电磁干扰,导致富水层位深度出现异常,即富水层位向上提升,红色虚线框内数据采集位于高压线底下,由于受到电磁干扰比较严重,引起数据突变,导致下部视电阻率比正常情况下要低。
但是,总体来看,其电性在纵向上的变化趋势还是遵循“高——低——高”的变化趋势。
对于以上特征的数据,首先进行了预处理,其目的是将干扰排除,避免存在因为干扰造成的假异常。
处理方法为:剔除极大、极小值,进行多点圆滑——滤波。
瞬变电磁法报告引言瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Method,TEM)是一种非侵入性地下物探方法,广泛应用于矿产勘探、地质调查和水资源评价等领域。
该方法通过测量地下介质对电磁场的响应,可以获取地下的电阻率和电导率等信息,从而推测地下的地质结构和水文特征。
本报告将介绍瞬变电磁法的原理、仪器设备、数据处理方法以及其在勘探领域的应用情况。
原理瞬变电磁法是基于法拉第电磁感应定律和电磁场传播理论的。
其核心原理是在地下埋设主发射线圈和用于接收电磁信号的线圈,通过给主发射线圈施加瞬变电流,产生瞬变电磁场。
这个瞬变电磁场会感应地下的电流,进而产生感应电磁场,其中电磁场的传播过程会导致接收线圈中电磁信号的变化。
通过测量接收线圈中的电磁信号变化情况,可以推测地下介质的电阻率和电导率等物理参数。
仪器设备瞬变电磁法的仪器设备主要包括发射线圈和接收线圈两部分。
发射线圈通常由一对同心圆线圈组成,中间隔离一段距离,并通过一个高电压电流源施加瞬变电流。
接收线圈通常也是一对同心圆线圈,与发射线圈对应放置。
为了减少噪音干扰,接收线圈一般会使用差分模式进行测量。
此外,为了提高测量精度,仪器还包括数据采集设备、控制器和电缆等。
数据处理方法瞬变电磁法的数据处理主要分为两个步骤:预处理和解释处理。
预处理主要包括数据校正和数据滤波。
校正过程主要是对接收线圈信号进行校正,去除仪器和噪音引起的偏移。
滤波过程主要是对数据进行滤波处理,去除高频噪音和低频漂移等。
解释处理是根据已校正并滤波的数据,利用数学模型和反演算法对地下电阻率进行推测。
常用的解释处理方法包括二维反演、三维反演和测深等。
应用情况瞬变电磁法在矿产勘探、地质调查和水资源评价等领域有广泛的应用。
在矿产勘探中,可以利用瞬变电磁法探测地下的矿床和矿体分布情况,帮助寻找矿产资源。
在地质调查中,可以利用瞬变电磁法推测地下构造和地质体分布,辅助地质勘探和地质灾害预测。
基于瞬变电磁法的矿井勘探数据处理方法分析曹 凯,关继凯(安徽省煤田地质局物探测量队,安徽 宿州 234000)摘 要:随着工业科技的迅速发展,矿井勘探技术是找矿和采矿的关键,勘探过程中,矿井勘探数据处理方法多种多样,为了便于勘探数据的处理,有效提高矿井勘查的效率,因此提出基于瞬变电磁法的矿井勘探数据处理方法分析。
关键词:瞬变电磁法;电阻率;矿井勘探;数据处理中图分类号:P318.4 文献标识码:A 文章编号:1002-5065(2019)08-0250-2Analysis of Data Processing Method for Mine Exploration Based on Transient Electromagnetic MethodCAO Kai, GUAN Ji-kai(Geophysical Survey Team of Anhui Coalfield Geological Bureau,Suzhou 234000,China)Abstract: With the rapid development of Industrial Science and technology, mine exploration technology is the key to prospecting and mining. In the process of exploration, there are various data processing methods for mine exploration. In order to facilitate the processing of exploration data and effectively improve the efficiency of mine exploration, this paper puts forward the analysis of data processing methods for mine exploration based on transient electromagnetic method.Keywords: transient electromagnetic method; resistivity; mine exploration; data processing瞬变电磁法的矿井勘探技术由于施工过程的工作效率高,对阻体感应敏感,致使如今很多矿山水文地质勘查工作都将此技术作为首选,瞬变电磁法能够在阻值高的岩石中寻找阻值低的地质异常体,分辨能力非常强,可以实现剖面测量和深度测量同时进行,为矿井勘探数据处理提供更多的信息。
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瞬变电磁法在铁矿采空区勘查中的应用瞬变电磁法(Transient Electromagnetic,TE)是一种新型的地球物理勘查技术,广泛应用于矿产勘查、环境地质、地下水资源等领域。
瞬变电磁法通过传输电磁脉冲信号,通过接收的电磁信号进行数据分析,获取地下物质结构信息。
在铁矿采空区勘查中,瞬变电磁法的应用可以有效地扫描采空区范围,探测矿体分布及其性质,从而实现铁矿资源的高效开发和利用。
瞬变电磁法的原理是利用电磁感应现象,通过自然电磁场和人工电磁场激发地下导体内部的感应电流,然后测量感应电流产生的电磁信号,再通过数据处理得到地下物质结构信息。
在铁矿采空区勘查中,通过人工电磁场的激发和接收,可以得到采空区内部的电性结构信息,从而揭示矿体特征及其分布情况。
一、采空区范围扫描。
瞬变电磁法可以利用自然场及人工场测量采空区的电阻率,并从中识别出采空区的范围。
随着测量技术的发展和数据处理的完善,瞬变电磁法在采空区范围扫描方面已经具有较高的精度和可靠性,可以满足铁矿资源开发的需求。
二、矿体分布探测。
通过测量采空区内的电阻率分布,瞬变电磁法可以较好地探测矿体的分布情况及其特征。
一些研究表明,采用瞬变电磁法可以有效地识别出铁矿采空区内的矿体,并且对铁矿矿体的垂向延伸有较好的探测能力。
三、矿体属性识别。
铁矿的物化特性在地球物理勘查中可以反映在电性参数上。
采用瞬变电磁法可以通过量化采空区内不同地点的电阻率,得到矿体不同部位的电性特征参数,如电阻率、电导率等,从而进一步推测矿体的成因特征以及矿床的开采前景。
总之,瞬变电磁法在铁矿采空区勘查中具有很高的应用价值。
随着瞬变电磁法技术的不断进步和完善,它将成为铁矿资源勘查与开发的重要工具。
一、项目名称复杂条件下瞬变电磁法数据处理技术二、项目简介本项目属于煤矿安全领域,针对勘探区不同程度存有的地形和电磁噪声对瞬变电磁法勘探效果的影响展开研究。
随着煤炭开采技术的进步,对危险源勘探精度等安全指标的要求随之提高。
因此,消除地形及电磁噪声因素影响,进一步提高瞬变电磁法精细化探测技术显得极为迫切。
中煤科工集团西安研究院有限公司以2015年度技术创新项目“地面TEM数据地形校正及电磁干扰压制技术研究(2015XAYZD14)”为依托,旨在开发解决复杂条件下瞬变电磁法数据处理技术。
项目研究突破常规复杂条件的认识,从理论基础出发深入研究地形和电磁干扰影响机理,通过对不同地电模型和干扰特征的模拟与噪声提取,针对性开发地形影响与电磁干扰校正技术。
主要取得以下创新成果:1)纯地形自适应的校正技术采用三维正演数值模拟方法,研究带地形地电模型和激发场源畸变特征,进而分析各典型地形条件下二次场响应特征,总结纯地形影响机理。
基于上述研究,根据地表起伏形态,引入各测点实际高程进行计算校正,形成自适应的地形较正技术。
2)基于缓变地层条件的电磁干扰校正技术基于含煤地层横向上电性变化相对均一、纵向亦有统一规律的认识,参考相邻测点未受干扰数据,通过线性采样密集数据在限差、拟合的技术下对夹杂的电磁干扰进行噪声去除,使数据回归应有的地电特征。
项目取得已授权发明专利1项,软件著作权6项,发表论文15篇。
提高了复杂条件下瞬变电磁法数据处理能力和适用性,为保障煤矿安全高效生产起到了积极作用。
项目研究的数据处理技术在陕北、黄陵、临汾、新疆、宁夏等矿区大量应用,经超过70次钻探和井下揭露证明,探测结果准确率超过80%。
项目研究成果应用效果好,提高勘探解释可靠性,促进处理技术发展,取得了明显的经济和社会效益。
要完成人,自 2014年开始,依托中煤科工集团西安研究有限公司科技创新基金项目计划,在复杂条件下瞬变电磁法数据处理方面长期开展合作研究。
第一完成人为整个项目总负责人,主要工作包括:确定本项目的总体技术方向,负责具体组织实施;主持地形校正与电磁干扰影响技术研究,进行了电磁干扰校正技术开发;编写了瞬变电磁法电磁干扰校正软件。
第二完成人侯彦威和第三完成人马炳镇为项目主要参与人,理论研究负责人,分析研究了地形影响特征,创新性的提出并实现了“纯地形自适应的地形影响校正技术”,编制和调试了校正程序;负责组织实施了所需的试验工作,具体包括:试验设计、试验具体实施、试验数据分析、调整试验参数、试验总结等,为项目得到可靠的成果结论和顺利完成做出了贡献。
其他各主要完成人在项目中为理论分析研究、编制和调试了程序代码、数值模拟计算及特征分析方面均做出了技术创造性贡献。
整个研究团队组织协调有序,对待研究议题大胆假设、小心求证,项目成员相互协助、攻坚克难,为项目顺利的完成均付出了辛勤的努力。
2014年“TEM地形影响校正方法”获得中煤科工集团西安研究院工会优秀成果二等奖;2016年“TEM强电磁干扰校正方法”获得中煤科工集团西安研究院工会优秀成果二等奖;2017年“地面TEM关键技术研究及处理平台开发”获得西安市科学技术二等奖。
五、主要论文专著目录七、客观评价当前煤矿区普遍存在地形起伏较大、电磁噪声不可避免等客观因素,降低了地面瞬变电磁法的勘探精度和分辨能力,进而影响煤矿生产安全。
项目针对此种复杂条件下的瞬变电磁数据处理技术,通过三维数值模拟、现场试验等手段对地形校正与干扰去除技术展开研究,成果在近三年数十个探测工程中应用,经超过70次钻探与巷道揭露,成果准确、应用效果明显。
主要成果有:对地形影响下的一次场和二次场响应特征进行分析总结,开发出有效的地形校正处理技术,并编制地形校正处理软件;对瞬变电磁算术坐标等间隔采样数据合成方法进行优化,对瞬变电磁信号地层因子转换、电噪干扰影响特征予以研究,通过曲线拟合技术去除电噪干扰,开发相匹配的软件。
以上处理软件均取得相应软件著作权,为当前瞬变电磁数据处理提供了可靠、便利的平台。
该项目取得的成果在我国大多数矿区进行投入应用,效果明显,具有以下效益:(1)提高瞬变电磁探测结果可靠性煤矿水害事故屡见不鲜,使用该处理技术提高瞬变电磁探测结果可靠性,对煤矿水害有效探测和防治意义明显,促进煤炭行业安全技术发展。
(2)为地形复杂及电磁干扰较严重区应用瞬变电磁法提供技术支持我国大多数矿区为山地地形,地面起伏大;随着社会发展与工业设施完善,输电线路随处可见,电磁噪声不可避免。
两类因素对瞬变电磁探测方法的应用形成复杂条件。
复杂条件下的矿区水害防治是资源开采面临最重要的问题之一。
项目研究成果使复杂条件下地下灾害水源的瞬变电磁探测成为可选项,为煤炭资源的安全开采与水害防治提供可靠的水文物探技术,具有很好的市场前景。
推广应用前景煤炭企业每年都投入大量资金用于矿井的水文地质条件探查工作,地面瞬变电磁法作为主要勘探手段之一,在煤矿防治水安全生产中发挥着愈来愈重要的作用,提高该勘探法资料解释的可靠性,可以大量的减少钻探工程费用,并且提高勘探效率。
本项目的研究成果在存在水患威胁的矿区有着巨大的市场需求前景,可望形成一个新的产业生长点,带动我院和相关行业的经济发展。
该技术主要服务于煤炭行业,它不仅对我院和应用单位的经济有一定的带动作用,而且在保证煤矿安全生产、提高煤矿经济效益、合理开发利用煤炭资源、保护矿山地质环境等方面,将发挥出更大的潜在社会效益。
八、推广应用情况本项目研究成果具有代表性和广泛的适用性,已在本单位电法所地面瞬变电磁数据处理中得到应用,已验证完成的工程表明,钻探掘进结果与处理成果吻合,得到甲方的认可。
近三年电法所地面瞬变电磁工程合同额累计近亿元,几乎每个工区均应用本项目部分或全部成果。
开展复杂条件下地面瞬变电磁数据处理技术研究,通过有效预测老窑采空区积水、火烧区水、奥灰水等隐蔽致灾体,可以对煤矿开采工作面提前预警,避免安全隐患,确保采煤工作面正常化开采,保证煤矿安全生产,给煤矿安全生产带来巨大的经济效益和社会效益。
典型应用案例如下:(1)张家峁煤矿2-2和3-1煤火烧区及富水性探测在张家峁煤矿14.1 km2范围内进行了瞬变电磁法和磁法探查工作,项目合同额498万元。
测区地形属黄土丘陵沟壑区与风沙滩区并存,沟壑区地形起伏较大;另外,测区内有上百千伏高压输电线路多条,属强电磁干扰源。
这些影响因素使瞬变电磁法探测环境变得复杂,严重影响数据质量。
经采用本项目技术成果校正后,提高了解释精度,推断成果经11个钻孔验证,均与推断成果吻合,为工作面的合理布置和后期防治水工作的实施提供了科学依据,使2-2煤层煤炭资源储量有所增加,提高了回采率。
该技术成果于2014年6月21日,经陕西省煤炭学会组织有关专家鉴定为国内领先。
(2)临汾地区采空区及积水范围探查2016年至2017年初,在临汾地区陆续开展了14个煤矿的采空区及积水范围探查工程,乡宁县、翼城县地形冲沟较为发育,古县、蒲县、洪洞县属山区地形,条件非常复杂;大部分探测区有强电磁干扰源,部分测区有民用或工业输电线路,电磁噪声影响较大。
这些不利因素使瞬变电磁法探测环境变得复杂,严重影响数据质量。
应用了本次申报项目中的电磁干扰和地形影响校正处理技术,使受影响数据回归了应有的衰减变化规律,更符合地层地电特征的变化趋势,效果明显,顺利完成了各煤矿要求的探测任务,探明了采空区的分布范围,为煤矿后续工作面布置及资源准确回采做出了贡献。
(3)榆林府谷县和横山县采空区物探数据采集2016年初开始实施,合同额606万元,共涉及24个煤矿(先期府谷县13个煤矿)。
测区地形均沟壑纵横,十分复杂,多数测区存在强电磁干扰源,严重影响数据质量,若不进行校正,无法完成探测任务。
采用本项目技术成果,校正了受地形和强电磁干扰影响的数据,滤除了干扰信号,保留了数据应有的变化规律,为反演解释奠定了基础。
综合推断解释的成果经钻探验证准确率平均大于80%。
(4)俄矿东翼烧变区及接续工作面地面综合物探工程徐矿集团新疆库车县俄霍布拉克煤矿下5煤层的5102、5104、5106综放工作面北侧临近烧变岩,前期地质勘探显示烧变岩大量积水,现已有水文地质资料对规划综放工作面长度和切眼位置指导性不够。
若切眼布置在烧变岩区附近,则容易贯通烧变岩含水区,形成安全威胁;若将切眼布置在保守位置,则损失煤炭开采量。
采用地面瞬变电磁法对工作面与烧变岩区域进行地下水探测,根据探测结果确定工作面延伸长度和切眼位置。
由于探测区内存在地面输电线路和地埋通讯线缆,瞬变电磁信号受到明显的电磁干扰。
又由于探测区地表风化严重,沟壑纵横,存在较大地形落差,使得瞬变电磁信号受到地形影响。
采用本项目技术成果,校正了受地形和强电磁干扰影响的数据,滤除了干扰信号,保留了数据应有的变化规律。
经反演处理得到的结果吻合探测区地质规律,圈定的积水区与实际情况符合。
后期井下掘进揭露情况进一步验证了成果的准确性。
项目成果为合理规划接续工作面长度和切眼位置提供了准确有效的资料,帮助矿方解放大量资源,增加了经济效益。
(5)榆树泉煤矿下5、下10煤烧变岩范围及其相对富水区电磁法探测工程榆树泉煤矿开在下10煤层,面临上部下5煤层烧变岩含水层和井田边界下10煤烧变岩的威胁,东翼1012备采工作面回风顺槽自2014年10月3日超前钻探出水后,出水持续至今(约50m3/h)。
为科学规划防治水措施,采用地面瞬变电磁法探测地下水分别在下5煤烧变岩和下10煤烧变岩的分布。
由于测区地表处煤层出露并火烧,地形变化非常剧烈,且敷设有一趟专供俄霍布拉克煤矿的30KV工业电路,使得采集的瞬变电磁信号参杂明显的地形与电磁噪声的干扰。
采用本项目研究的地形校正与电磁噪声压制技术进行处理后,跳变的数据曲线明显变得光滑,与地层地电断面更加符合。
进一步处理的电阻率断面图反映了出水点处的低阻异常,分别圈定了下5、下10煤层的富水区范围,为防治水措施提供了准确的资料。
成果提交后,矿方使用井下钻探对两层烧变岩的富水区进行验证,均符合实际情况。
(6)碱沟煤矿原安宁渠煤矿采空区电法勘探工程、碱沟煤矿电法勘探工程碱沟煤矿开采约86o的立槽煤,+495m水平B3、B6巷道现已顺利通过原安宁渠区煤矿,在掘进期间和回采前使用钻探在B3、B6巷道对顶板采空区进行了探查,结果显示原安宁渠区煤矿主副井西部+522m~+572m之间存在仓柱式采空区,且有一定积水。
采用地面瞬变电磁法对B3+6煤层采空区及其积水范围进行探测,因效果较好,后续又对存在同样问题的B1+2煤层进行了采空区及其积水范围的探测。
由于立槽煤开采的原因,地面塌陷非常严重,存在大量的陡坎,给地面瞬变电磁信号施加了严重的地形影响,又因为靠近矿区工业广场,电磁噪声干扰也夹杂其中,弱化了数据中地下采空区的反映。