一種磁性源地面?巷道瞬變電磁超前探測方法
【專利摘要】一種磁性源地面?巷道瞬變電磁超前探測方法，適用于井下安全采煤中使用。其步驟如下：確定磁性源發(fā)射的大回線線圈坐標和尺寸大小并鋪設在待測區(qū)域地面；將發(fā)射機與接收機進行石英時鐘同步；在巷道布設多個接收探頭，直至巷道探測結束；供給發(fā)射線圈階躍電流，地下感應二次渦流場，接收探頭接收二次場的信號；重復上述步驟按照相同的距離沿巷道布置，每增加一個接收探頭所有的接收探頭進行重新一次探測，直到掘進完成；將接收探頭探測的數據制成相關圖件，通過與預設信息對比得到異常響應區(qū)域，判斷前方的突水范圍。其施工效率高，拓展性強，采用大回線發(fā)射觀測,與探測目標有最佳耦合，探測性能強，分辨能力強。
【專利說明】
一種磁性源地面-巷道瞬變電磁超前探測方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種超前探測方法，尤其適用于一種井下安全采煤中使用的磁性源地面——巷道瞬變電磁超前探測方法。
【背景技術】
[0002]煤礦礦井突水災害，嚴重威脅煤礦的安全生產，給國家和社會帶來極為不良的政治影響和財產損失。為此，國家煤礦安全監(jiān)察局提出了煤礦水害防治“預測預報，有疑必探，先探后掘，先治后采”的十六字原則，加大礦井突水災害的預防探測力度。目前，礦井突水防治技術已列入國家科技支撐計劃和重點科技攻關項目，以指導煤礦安全生產。
[0003]探測查明煤礦礦井的水文地質情況，包括導含水通道、斷層、陷落柱、老窯采空區(qū)等的構造及其富水性情況，以便及時采取治理措施，防止突水事故的發(fā)生已成為煤礦亟待解決的水文地質問題。
[0004]由于電磁類物探方法對水源災害引起的地質體電阻率變化反映明顯，常用于煤礦水文地質條件探查預報工作。包括地面和井下兩類:地面物探，主要有直流電阻率法、瞬變電磁法、可控源音頻大地電磁測深等;礦井物探，主要有礦井直流電法、礦井瞬變電磁法、音頻電透視等。上述兩類方法已成為現在煤礦水文地質探測預報工作的常規(guī)有效手段，在探查精度上仍存在一定問題。
[0005]地面物探方法中，由于距離水文地質目標體較遠(一般在200?1000m，即煤層埋深)，所以在橫向和縱向上的分辨率大大降低，嚴重影響了勘探精度以及結果的可靠性，因此常用于礦井初期的水文地質普查，而不能解決煤礦工作面回采和巷道掘進過程中遇到的水文地質問題。
[0006]礦井物探方法，由于距離探測目標體近，信號響應強，分辨率較高的特點，近些年被廣泛用于煤礦的水文探測工作中，但也存在一定不足:①在礦井直流電法勘探中，要完成對一定深度的目標地質體的探測，需要滿足電極排列時足夠長的測線長度，但是由于礦井可施工巷道長度的限制，有時無法滿足勘探深度的要求，同時井下巷道巖石堅硬或存在破碎情況，導致接地電阻較大，電極與巖層的耦合性差，影響了探測結果可靠性;②礦井瞬變電磁法，其理論研究尚不夠完善，如多匝小回線線圈的相互感應問題、工作電流不能過大、空間限制線圈尺寸不能過大、全空間效應的影響、探測盲區(qū)較大、巷道空間內錨網支架等金屬環(huán)境的干擾等問題亟待解決，并影響了探測結果的準確性;③礦井音頻電法透視對于采煤工作面頂底板內部的導水構造及含水層的富水性探測，取得了較好的地質效果，目前在理論上還沒有建立起勘探深度與不同頻率電磁場間的關系，對于不同地電參數的影響規(guī)律還不清楚。

【發(fā)明內容】

[0007]發(fā)明目的，針對上述技術的不足之處，提供一種方法簡單，施工效率高，探測精度高，拓展性強，采用大回線發(fā)射觀測，與探測目標有最佳耦合，探測性能強，分辨能力強的磁性源地面-巷道瞬變電磁超前探測方法。
[0008]
【發(fā)明內容】
:為實現上述目的，本發(fā)明的磁性源地面-巷道瞬變電磁超前探測方法，利用磁性源發(fā)射裝置、與磁性源發(fā)射裝置相連的大回線線圈和接收裝置，其特征在于包括步驟:
[0009]步驟I:選取待勘探巷道，在待勘探巷道上固定磁性源發(fā)射裝置，根據待勘探的巷道確定磁性源發(fā)射的大回線線圈坐標和尺寸大小，將大回線線圈鋪設在巷道上方對應的地表上；
[0010]步驟2:將磁性源發(fā)射裝置與接收裝置進行石英鐘時同步；
[0011]步驟3:在待勘探的巷道中的巷道頂板中央處沿巷道走向排列布置接收探頭；
[0012]步驟4:利用磁性源發(fā)射裝置向大回線線圈提供階躍電流，產生感應電磁信號，利用巷道頂板處的接收探頭接收二次場的感應電磁信號，根據感應電磁信號獲得迎頭前方地質體的地電特征；
[0013]步驟5:接收探頭根據獲得的結果進行判斷，當獲取的地電特征表明工作面前方區(qū)域處電壓低阻異常，結合預設地質信息資料，從而判斷此區(qū)域有含水構造，，此時向工作面示警并停止工作面推進;當接收到的地電特征無異常情況，則判斷工作面掘進前方安全，工作面推進，掘進繼續(xù)進行，并間隔距離繼續(xù)布置接收探頭；
[0014]步驟6:利用磁性源發(fā)射裝置向發(fā)射線圈提供階躍電流，再次產生感應電磁信號，前后布置的兩個接收探頭同時接收感應磁場信號，其中第一個布置的接收探頭第二次接收感應磁場信號；
[0015]步驟7:重復步驟5和步驟6，以相同的距離沿巷道布置接收探頭，每增加一個接收探頭，均利用磁性源發(fā)射裝置向大回線線圈發(fā)射階躍電流，所有已布置的所有接受探頭均重新進行一次感應磁場信號的接收，直到掘進完成；
[0016]步驟8:根據每次接受探頭獲得的數據，將所有接收到的感應磁場信號進行匯總處理，并根據匯總處理得到的地質體的地電特征制成地電特征圖件，將制成的地電特征圖件與比較分析得到異常響應區(qū)域，從而判斷前方的突水范圍。
[0017]所述的大回線發(fā)射裝置采用矩形回線，根據擬勘探的巷道確定矩形回線的坐標，并沿巷道的走向布設，根據擬探測巷道的長度，選取大回線線圈邊長的1/3區(qū)域面積作為有效勘探面積，由二者確定出回線的具體長度；
[0018]所述接收探頭為三分量探頭，接收來自X軸、Y軸、Z軸三個方向的分量，接收探頭安置在巷道的頂板中央處;所述在巷道頂板布置的接收探頭之間的間隔為1m;
[0019]所述接收探頭均進行多次探測，處理過后，選取同一探頭的在不同探測時段獲得的結果，或選取不同探頭在同一探測時間獲得的結果，從中對其X分量、Y分量、Z分量分別進行對比分析，得到其中的異常，判定突水區(qū)域范圍，進行預測預報；
[0020]當需要檢測巷道某處附近的突水范圍時，選取測試區(qū)域附近的幾個接受探頭，并鋪設發(fā)射線圈，根據接收探頭采集的數據圈定被測區(qū)域的突水范圍。
[0021]有益效果:在待測區(qū)域上方布置大回線線圈，通過磁性源發(fā)射裝置通過大回線線圈向地下發(fā)射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間，在地下巷道中利用接收探頭采集在地層中的二次渦流場，通過觀測二次場的時間及空間分布，可得到不同深度的地電特征，根據其中的低阻異常區(qū)域，結合已有的地質資料，可以圈定出異常區(qū)域，從而判斷地質以及水文地質異常，達到突水預測的目的，其施工效率高，拓展性強，采用大回線發(fā)射觀測，與探測目標有最佳耦合，探測性能強，分辨能力強；
[0022]由于在地面發(fā)射電流，不受井下防爆條件和巷道空間的限制，可以提高響應信號強度壓制干擾;接收點離目標體更近，較地面電磁方法分辨率更高；
[0023]多個接受探頭可以確保伴隨掘進進行，探測整條巷道，另外每掘進一段距離探測一次，可以實現動態(tài)監(jiān)測，更好預報突水情況，每個探頭都進行數據的接受，這樣獲得大量的信息，可以進行多向的比較，例如，在某次探測中，可以抽取附近幾個點的數據進行對比分析，更好圈定突水范圍，布置三分量探頭，獲取有用信息多；
[0024]該方法兼具了常規(guī)地面和井下方法的優(yōu)點，又克服了其主要不足，由于井下接收探頭可在巷道不同位置不同分量上接收，可以建立覆蓋整個巷道的實時預測系統，使預警更有針對性，有效預防礦井突水事故的發(fā)生。
【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明的地面-井下磁性源瞬變電磁法超前探測裝置圖；
[0026]圖2為本發(fā)明的工作流程框圖；
[0027]圖3為本發(fā)明的發(fā)射線圈布置示意圖；
[0028]圖4為本發(fā)明的接收探頭方向示意圖；
[0029]圖5為本發(fā)明的接收探頭布置示意圖；
[0030]圖6為本發(fā)明的接收探頭探測次數說明圖。
【具體實施方式】
[0031 ]下面結合附圖對本發(fā)明的實施例作進一步的說明:
[0032]如圖1和圖2所示，本發(fā)明的磁性源地面-巷道瞬變電磁超前探測方法，利用磁性源發(fā)射裝置、與磁性源發(fā)射裝置相連的大回線線圈和接收裝置，其特征在于包括步驟:
[0033]步驟I:選取待勘探巷道，在待勘探巷道上固定磁性源發(fā)射裝置，根據待勘探的巷道確定磁性源發(fā)射的大回線線圈坐標和尺寸大小，將大回線線圈鋪設在巷道上方對應的地表上；
[0034]步驟2:將磁性源發(fā)射裝置與接收裝置進行石英鐘時同步；
[0035]步驟3:如圖2所示，在待勘探的巷道中的巷道頂板中央處沿巷道走向排列布置接收探頭，如圖4所示，接收探頭為三分量探頭，接收來自X軸、Y軸、Z軸三個方向的分量，接收探頭安置在巷道的頂板中央處；
[0036]步驟4:利用磁性源發(fā)射裝置向大回線線圈提供階躍電流，產生感應電磁信號，利用巷道頂板處的接收探頭接收二次場的感應電磁信號，根據感應電磁信號獲得迎頭前方地質體的地電特征；
[0037]步驟5:如圖5所示，接收探頭根據獲得的結果進行判斷，當獲取的地電特征表明工作面前方區(qū)域處電壓低阻異常，結合預設地質信息資料，從而判斷此區(qū)域有含水構造，此時向工作面示警并停止工作面推進；當接收到的地電特征無異常情況，則判斷工作面掘進前方安全，工作面推進，掘進繼續(xù)進行，并間隔距離繼續(xù)布置接收探頭，所述在巷道頂板布置的接收探頭之間的間隔為1m;使用超前探測方法，通過判斷前方的含水構造，預防突水發(fā)生，本過程是通過得到的數據判斷得到低阻異常體，因為含水地質體呈現低阻響應，所以通過低阻響應研判前方的含水構造，再確定前方安全的情況下，進一步掘進，布設，邊掘進邊探測；
[0038]步驟6:利用磁性源發(fā)射裝置向發(fā)射線圈提供階躍電流，再次產生感應電磁信號，前后布置的兩個接收探頭同時接收感應磁場信號，其中第一個布置的接收探頭第二次接收感應磁場信號；
[0039]步驟7:重復步驟5和步驟6，以相同的距離沿巷道布置接收探頭，每增加一個接收探頭，均利用磁性源發(fā)射裝置向大回線線圈發(fā)射階躍電流，所有已布置的所有接受探頭均重新進行一次感應磁場信號的接收，直到掘進完成；
[0040]步驟8:根據每次接受探頭獲得的數據，將所有接收到的感應磁場信號進行匯總處理，并根據匯總處理得到的地質體的地電特征制成地電特征圖件，將制成的地電特征圖件與比較分析得到異常響應區(qū)域，從而判斷前方的突水范圍。
[0041]所述的大回線發(fā)射裝置采用矩形回線，根據擬勘探的巷道確定矩形回線的坐標，并沿巷道的走向布設，根據擬探測巷道的長度，選取大回線線圈邊長的1/3區(qū)域面積作為有效勘探面積，由二者確定出回線的具體長度。
[0042]所述接收探頭均進行多次探測，處理過后，選取同一探頭的在不同探測時段獲得的結果，或選取不同探頭在同一探測時間獲得的結果，從中對其X分量、Y分量、Z分量分別進行對比分析，得到其中的異常，判定突水區(qū)域范圍，進行預測預報。
[0043]當需要檢測巷道某處附近的突水范圍時，選取測試區(qū)域附近的幾個接受探頭，并鋪設發(fā)射線圈，根據接收探頭采集的數據圈定被測區(qū)域的突水范圍。
[0044]瞬變電磁法也稱時間域電磁法，簡稱TEM，它是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間，利用線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法。簡單地說，瞬變電磁法的基本原理就是電磁感應定律"衰減過程一般分為早、中和晚期。早期的電磁場相當于頻率域中的高頻成分，衰減快，趨膚深度小;而晚期成分則相當于頻率域中的低頻成分，衰減慢，趨膚深度大"通過測量斷電后各個時間段的二次場隨時間變化規(guī)律，可得到不同深度的地電特征。
[0045]具體實施工作流程:首先是地面信號發(fā)射線圈的布設:地面信號發(fā)射線圈設置在礦區(qū)的地平面上，在掘進巷道的正上方礦區(qū)地面進行布設，采用大回線裝置，增大信號的探測深度，使地面信號發(fā)射線圈覆蓋整條將要掘進的巷道，通過儀器操作臺進行控制，使地面信號發(fā)射線圈產生電磁信號，向整個地下巷道發(fā)射電磁信號;通過儀器的同步時鐘實現與接受探頭的同步。如附圖所示，對于一個長為100m的巷道，根據巷道的長度和在大回線邊長的1/3為有效面積，確定一個長為3000m、寬為200m的矩形發(fā)射線框，因為線圈位于巷道的上方，在其走向方向對應的正上方地面線框的坐標也確定。據此線圈布設在相應位置。
[0046]在布置完畢發(fā)射線圈后，將發(fā)射機與接收機進行石英鐘同步，并攜帶探頭進入到擬掘進巷道布置地點。
[0047]地下信號三分量探頭的布設:地下信號三分量探頭分別設置于工作面巷道各個工作位置，相鄰兩個地下信號接收探頭之間距離為5—30米，三分量探頭能同時接收井下X、Y、Z三個方向的信號，隨著掘進距離的增加，探頭測點隨著巷道的推進，沿一定距離等距的布設，與之前布設的三分量探頭同時進行接收信號。每五個三分量探頭共用一個地下采集站，每個三分量探頭接收的數據通過采集站傳送至終端。如附圖所示，將攜帶第一個三分量探頭布置在擬掘進巷道的起點的頂板中央處。
[0048]第一次探測，在發(fā)射線圈和三分量探頭布置完畢后，供給發(fā)射線圈電流，開始第一次探測。探頭接收二次場信號。
[0049]第二次探測，在掘進進行一段距離后，距離第一個探頭1m處，布置第二個三分量探頭，第二個三分量探頭與第一個三分量探頭處于同一水平上，同時，再次供給發(fā)射矩形線圈電流，兩個三分量探頭同時接受感應磁場信號，此時，第一個三分量探頭已探測兩次。
[0050]經過再次掘進一段距離后，在沿巷道走向方向，距離第二個巷道1m處布置第三個三分量探頭，探頭同樣位于頂板中央處，布置完畢后，第三次供給矩形線圈階躍電流，三個探頭同時接收感應磁場信號。此時，第一個探頭已探測三次，第二個探頭探測兩次，第三個探頭探測一次。如附圖所示，顯示出，虛線區(qū)域出為掘進后的區(qū)域，在掘進進行一段距離后，每I Om布置新的探頭。
[0051 ]此后隨著巷道的掘進，不斷重復上述過程，每次增加一個三分量探頭，裝置就重新探測一次。直至巷道掘進完成。在巷道中一共布置100個三分量探頭，一共進行了 100次探測，其中，第一個三分量探頭探測了 100次，第二個三分量探頭探測99次，以此三分量探頭的次數逐漸遞減。通過多次檢測，實現在不同時段所采集得到的數據進行對比，實現動態(tài)監(jiān)測過程，及時進行預警預報。
[°°52] 如圖6所不，第一個三分量探頭，分別進行了 1-1、2_1、3_1、4_1、5_1.......η_1，η次探測。
[0053]第二個三分量探頭，分別進行了 2-2、3-2、4-2、5-2、……η_2，η_1次測量，第η個三分量探頭，進行了 η-η 了一次探測。
[0054]數據的處理:由于所采集到的原始數據格式不適于處理，將原始數據進行格式轉換和初步的濾波處理;其中，格式轉換是指將接收到的電磁信號數據格式轉換成能被直接識別處理的數據格式;初步的濾波處理是為了剔除接收到信號的工區(qū)人文噪聲干擾和電磁干擾，以保證數據質量的可靠性，排除干擾造成虛假異常，提高探測精度；由于電磁信號是空間分布的，地下信號三分量探頭接收到的信號時來自于不同方向的信號，所反映的不同方向的信息權重也不盡相同，所以為了將所得的信號得以充分的應用，將采集到的信號進行三分量數據提取，將所提取的不同方向的數據分別進行下步處理。經過處理的數據然后進行視電阻率轉換。得到的數據進行下步的解釋。
[0055]數據的解釋:由于數據采集所采集到的數據是巷道內不同位置、不同方向的數據，所以采集到的數據具有空間特性，在進行二維成圖的同時還可進行三維圖示；由于在采集過程中，三分量探頭是隨著巷道掘進逐漸布設的，在解釋中，選取前后排列不同探頭的X方向、Y方向、Z方向的數據分別進行對比分析，通過感應電磁信號在不同方向的響應，擴大其探測范圍，更好的圈定巷道前方的異常體的位置和大小。此外，按照此種探測方法，接收探頭探測接收多次電磁信號，在解釋過程中，還可以選取同一測點的前后不同采集時刻的數據進行分析，通過對同一探測點不同時刻的數據的對比分析，分析其不同時段的典型特征，監(jiān)測在掘進過程中巷道前方的電性特征異常變化情況，動態(tài)監(jiān)測，有效預防突水的發(fā)生。在煤礦中，如果煤層中或者擬掘進巷道前方出現含水斷層或者含水裂隙，其電性特征表現在電阻率上較周圍圍巖明顯降低，呈現明顯的低阻異常?？蛇x取第一個探頭測量的數據，取1-1、2-1、3-1、4-1、5-1…….11-1次探測數據進行分析，或者選取6-1、6-2、6-3、6-4、……6_n，n次探測的結果進行分析。如果在巷道的前方出現含水構造，通過分析不同探頭在探測巷道在Z方向上電性特征將出現低阻異常。如果異常體出現在巷道的一側，若確定三分量探頭X、Y、Z的正方向，異常位于巷道右側，會接收到來自X、Y、Z三個方向的低阻異常響應，且X、Y方向的分量會出現正異常，而位于巷道左側，且Χ、Υ方向的分量會出現負異常。
[0056]因此就能通過探頭對異常的響應特征，很好的圈定異常的位置。同時探頭在采掘過程中采集多次數據，可以實時動態(tài)監(jiān)測巷道的電性特征的變化。結合之前已有的地質資料和鉆孔資料，分析探測區(qū)域的地質水文情況，并通過本方法對異常體的響應，更好的圈定目標地質異常體的范圍和大小。
【主權項】
1.一種磁性源地面-巷道瞬變電磁超前探測方法，利用磁性源發(fā)射裝置、與磁性源發(fā)射裝置相連的大回線線圈和接收裝置，其特征在于包括步驟: 步驟1:選取待勘探巷道，在待勘探巷道上固定磁性源發(fā)射裝置，根據待勘探的巷道確定磁性源發(fā)射的大回線線圈坐標和尺寸大小，將大回線線圈鋪設在巷道上方對應的地表上； 步驟2:將磁性源發(fā)射裝置與接收裝置進行石英鐘時同步； 步驟3:在待勘探的巷道中的巷道頂板中央處沿巷道走向排列布置接收探頭； 步驟4:利用磁性源發(fā)射裝置向大回線線圈提供階躍電流，產生感應電磁信號，利用巷道頂板處的接收探頭接收二次場的感應電磁信號，根據感應電磁信號獲得迎頭前方地質體的地電特征； 步驟5:接收探頭根據獲得的結果進行判斷，當獲取的地電特征表明工作面前方區(qū)域處電壓低阻異常，結合預設地質信息資料，從而判斷此區(qū)域有含水構造，，此時向工作面示警并停止工作面推進;當接收到的地電特征無異常情況，則判斷工作面掘進前方安全，工作面推進，掘進繼續(xù)進行，并間隔距離繼續(xù)布置接收探頭； 步驟6:利用磁性源發(fā)射裝置向發(fā)射線圈提供階躍電流，再次產生感應電磁信號，前后布置的兩個接收探頭同時接收感應磁場信號，其中第一個布置的接收探頭第二次接收感應磁場信號； 步驟7:重復步驟5和步驟6，以相同的距離沿巷道布置接收探頭，每增加一個接收探頭，均利用磁性源發(fā)射裝置向大回線線圈發(fā)射階躍電流，所有已布置的所有接受探頭均重新進行一次感應磁場信號的接收，直到掘進完成； 步驟8:根據每次接受探頭獲得的數據，將所有接收到的感應磁場信號進行匯總處理，并根據匯總處理得到的地質體的地電特征制成地電特征圖件，將制成的地電特征圖件與比較分析得到異常響應區(qū)域，從而判斷前方的突水范圍。2.根據權利要求1所述的地面-井下磁性源瞬變電磁法超前探測方法，其特征在于:所述的大回線發(fā)射裝置采用矩形回線，根據擬勘探的巷道確定矩形回線的坐標，并沿巷道的走向布設，根據擬探測巷道的長度，選取大回線線圈邊長的1/3區(qū)域面積作為有效勘探面積，由二者確定出回線的具體長度。3.根據權利要求1所述的地面-井下磁性源瞬變電磁法超前探測方法，其特征在于:所述接收探頭為三分量探頭，接收來自X軸、Y軸、Z軸三個方向的分量，接收探頭安置在巷道的頂板中央處。4.根據權利要求1所述的地面-井下磁性源瞬變電磁法超前探測方法，其特征在于:所述在巷道頂板布置的接收探頭之間的間隔為10m。5.根據權利要求1所述的地面-井下磁性源瞬變電磁法超前探測方法，其特征在于:所述接收探頭均進行多次探測，處理過后，選取同一探頭的在不同探測時段獲得的結果，或選取不同探頭在同一探測時間獲得的結果，從中對其X分量、Y分量、Z分量分別進行對比分析，得到其中的異常，判定突水區(qū)域范圍，進行預測預報。6.根據權利要求1所述的地面-井下磁性源瞬變電磁法超前探測方法，其特征在于:當需要檢測巷道某處附近的突水范圍時，選取測試區(qū)域附近的幾個接受探頭，并鋪設發(fā)射線圈，根據接收探頭采集的數據圈定被測區(qū)域的突水范圍。
【文檔編號】G01V3/08GK106054258SQ201610362955
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月27日
【發(fā)明人】姜志海, 程海澤, 杜良, 劉樹才, 劉戀, 胡代明, 楊若迪
【申請人】中國礦業(yè)大學