CN109343132A - 煤矿井下大回线三分量孔中瞬变电磁探测方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种煤矿井下大回线三分量孔中瞬变电磁探测方法与装置。该方法与装置，围绕工作面布置回线形成发射源，通过人工控制静磁场的建立与消失，使目标体内部产生感应涡流。根据等效涡流理论，感应涡流可用一个与目标体形状关联的电流环代替；感应涡流在空间辐射感应磁场，在钻孔中布置传感器接收三分量感应磁场并对数据进行电流环解译，可获得目标***置与形状参数。由于回线发射源布置在工作面，距离探测目标体近，在目标体处能够获得更强的激发效果；同时，本发明将接收布置在钻孔中，因距离目标体近而最大限度减小感应场的距离损失。
Description
技术领域
本发明涉及一种瞬变电磁探测方法及***，属于地球物理勘探技术领域，具体是涉及一种煤矿井下大回线三分量孔中瞬变电磁探测方法与装置。
背景技术
在煤矿生产过程中，安全生产至关重要，这就要求对地下的地质构造、水文地质条件、异常体所在位置及规模等信息有充分的了解与掌握，其中摸清工作面内及其顶底板的地质情况显得尤为重要。一种煤矿井下应用的大回线三分量孔中瞬变电磁探测方法是一种新型的对工作面内部及其顶底板异常体进行探测的方法，工作方式为围绕工作面或在相邻巷道及联巷内布置导电电缆形成不接地发射回线，利用传感器在钻孔中采集三分量数据，因发射源与传感器均距离目标体近，而具有信号强、探测精度高的优点。
瞬变电磁法属于电磁类探测方法中的一个重要分支，依据的物性基础为地下介质的电性差异。利用地面不接地回线或者接地线源发送一次脉冲磁场(一次场)，在其激发下，地质体中激励起的感应涡流将产生随时间变化的感应电磁场(二次场)。瞬变电磁法对低阻体反应灵敏，目前已经被广泛应用于寻找水资源、金属矿体或者矿井隐伏含/导水区域及通道探测，对于工作面内部及其顶底板异常体的探测是瞬变电磁法的一个重要应用方面。
申请号为201610077521.6的中国发明专利提出了一种矩形回线源瞬变电磁探测方法，通过对比标准矩形回线与实际矩形回线的响应，确定校正因子，从而提高瞬变电磁的探测精度。但是因为还是在地面发射、地面接收，主要应用于埋藏浅且较大规模异常体探测，对于埋藏深或较小规模异常体的探测效果不理想。
申请号为201611154324.6的中国发明专利提出了一种矿井瞬变电磁三分量探测方法，采用三组接收线圈，将接收线圈置于三个互相垂直的方向上，其中一组接收线圈与发射线圈按重叠回线装置布设，一次发射接收三个方向的分量响应数据。该方法采用边长2m左右的小回线作发射源，发射磁矩较小，信噪比低。接收线圈位于巷道中，距离异常体较远且易受巷道内金属体干扰。
申请号为201711022090.4的中国发明专利提出了矿井瞬变电磁井上下立体双磁源探测方法，采用一个地面大功率激发线圈和一组井下接收线圈与发射线圈的重叠回线装置组成探测***，地面利用大功率的发射线圈，增强激发良导体的涡旋电流，增强二次信号，加大瞬变电磁的探测深度，在巷道内接收二次场信号方式，进行地面发射线圈与井下激发线圈同时激发。该方法针对井下小回线发射功率有限问题，虽然采用地面发射方式进行补充，但针对埋藏深的目标体而言，地面发射补偿效果有限，而且接收线圈位于巷道中，距离工作面内异常较远且易受金属体干扰。
申请号分别为201310427474.X、201710861451.8和201710158772.1的中国发明专利提出了一类巷孔瞬变电磁装置及测量方法，将接收装置置于钻孔中，发射装置放置于巷道中，发射线圈的法线方向与钻孔轴线方向重合或平行，通过主机控制发射线圈及接收装置，探测钻孔周围一定范围内的地质体信息。该类方法采用的发射装置为放置于巷道内钻孔附近的小回线装置，线圈不大于巷道截面尺寸，一般为边长2m的方形回线，发射磁矩较小，磁场能量主要聚集在发射线圈附近，随着接收装置与发射线圈距离增大，信号急剧衰减，信噪比降低，对异常体的探测能力下降。另外由于采用多匝线圈，会存在较强的自感与互感，对二次场信号采集造成不利影响。
因此，对现有技术中的瞬变电磁法进行改进，以满足不同应用场景的需求，是当前迫切需要解决的技术问题。
发明内容
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
本发明主要的目的是解决现有技术中所存在的上述的技术问题，提供了一种煤矿井下大回线三分量孔中瞬变电磁探测方法与装置。该方法与装置可降低巷道空间及金属体干扰，增大探测距离，实现对异常体的精细勘探，并且准确定位异常体的空间距离，保证安全生产。
为解决上述问题，本发明的方案是：
一种煤矿井下大回线三分量孔中瞬变电磁探测方法与装置，包括：
在井下敷设不接地回线作为发射源，所述不接地回线经工作面两顺槽、切眼、大巷或联络巷绕工作面一周，形成闭合线圈；
将所述不接地回线与发射设备相连，组成发射***；
在所述工作面钻孔内布置接收装置，所述接收装置包括磁通门传感器和磁场随时间变化率感应式探头组成，可测量记录二次场磁场强度三分量数据和dB/dt三分量数据；
向所述闭合线圈内供入正负方波形式的发射电流，然后关断发射电流并通过所述接收装置接收地层与异常体内部产生的感应电流形成的感应二次磁场；
所述感应二次磁场数据由磁场强度三分量数据和dB/dt三分量数据组成；
按照地质任务要求和钻孔实际情况，预先设计测量点距，所述接受装置按点距逐点移动进行数据采集，对于靠近异常体附近或者数据变化剧烈的地方可以进行加密测量，得到二次场数据；
通过一次布线，可以实现对工作面内多个钻孔的数据采集。表现为一个钻孔数据采集结束之后，换到下一个钻孔继续进行数据采集，发射回线不需重新布置。对于多钻孔数据可以形成三维三分量数据，实现对整个工作面内及其上下顶底板的地质体的探测
将所述接收装置接收到的二次场数据进行三分量反演计算，得到目标体内感应电流的空间位置，进而实现对目标体的探测。
本发明的有益效果是，提出一种煤矿井下应用的大回线三分量钻孔瞬变电磁方法与装置，围绕工作面布置回线形成发射源，通过人工控制静磁场的建立与消失，使目标体内部产生感应涡流。根据等效涡流理论，感应涡流可用一个与目标体形状关联的电流环代替；感应涡流在空间辐射感应磁场，在钻孔中布置传感器接收三分量感应磁场并对数据进行电流环解译，可获得目标***置与形状参数。由于回线发射源布置在工作面，距离探测目标体近，在目标体处能够获得更强的激发效果；同时，将接收布置在钻孔中，因距离目标体近而最大限度减小感应场的距离损失。该方法独特的工作装置可获得最大信噪比的目标信号，数据处理与解释方法直接针对目标***置、形状等关键参数，突破当前井下电磁法探测方法理论精度，可真实解译目标体的中心坐标、尺寸大小、空间姿态等三维信息，实现目标体的三维空间定位。
附图说明
并入本文并形成说明书的一部分的附图例示了本发明的实施例，并且附图与说明书一起进一步用于解释本发明的原理以及使得所属领域技术人员能够制作和使用本公开。
图1例示了本发明至少一个实施中的探测方法和装置；
图2-1至图2-3例示了dB/dt感应线圈传感器探测所得数据多测道图；
图3-1至图3-3例示了磁通门传感器探测所得数据多测道图；
图4例示了二次场反演后的结果示意图；
图5例示了反演结果与实际地质情况进行比对示意图。
将参照附图描述本发明的实施例。
图1中，煤岩层1，巷道2，发射回线3，钻孔4，接收装置5，异常体6，异常体感应二次场7。
具体实施方式
实施例1
本实施例，首先提供了一种煤矿井下大回线三分量孔中瞬变电磁探测方法。该方法包括以下步骤：
S1：敷设发射回线以构成布置于工作面的与发射机相连接的闭合线圈；在工作面钻孔内设置接收装置以测量和记录二次场数据。
在本实施例中，作为一种优选方式，如图1所示，可以沿巷道敷设发射回线，通过大巷、工作面两顺槽、切眼布置闭合线圈，连接到发射机，作为不接地发射装置。
S2：在工作面钻孔内设置接收装置以测量和记录二次场数据。
如图1所示，本实施例中，在钻孔中布置接收装置，接收装置通过电缆与接收机相连，接收装置包括磁通门传感器和dB/dt感应式探头组成，可测量记录二次场磁场强度三分量数据和dB/dt三分量数据。
S3：向所述闭合线圈内供入正负方波形式的发射电流，然后关断发射电流并通过所述接收装置接收地层与异常体内部产生的感应电流形成的感应二次磁场。
S4：接收装置在钻孔中按设计的点距逐点移动进行数据采集，对于靠近异常体附近或者数据变化剧烈的地方可以进行加密测量，得到二次场数据；
S5：采集的三分量感应磁场由空间中的电流环产生，对整体数据通过三分量反演计算，得到目标体内感应电流的空间位置。
其中三分量反演将模型正演计算结果与观测数据的相对误差作为目标函数：
其中，Φ(P1,P2,…,Pm)指目标函数，P1,P2,…Pm代表m个模型参数，是观测的某个测点的三分量数据，Bi为用模型参数P正演计算的理论值，n为测点个数，m为模型参数个数。
对目标函数经过泰勒展开，略去高次项，取得
(ATA)×ΔP＝ATB (2)
上式中A为雅克比矩阵，各变量表达式如下：AT是雅可比矩阵的转置矩阵,B是观测值，ΔP是模型修正量
为观测值，P是模型参数。
将计算式中偏导数计算用差商计算代替，加入阻尼因子后(2)式变为：
约束条件为：
上式(7)中Pi为模型的第i个参数，P i和表示模型参数的下限和上限，式(6)即为反演公式，利用此公式可对二次场观测数据进行反演计算。
本实施例，还提供了一种煤矿井下大回线三分量孔中瞬变电磁探测装置。如图1所示，该装置包括：
闭合线圈，为一回形结构，敷设于工作面内，并与发射装置相连；
接收装置，用于设置于工作面钻孔内以测量和记录二次场数据。其中，所述闭合线圈包括敷设于巷道、大巷、工作面两顺槽、切眼中的一种或多种内部的发射回线。其中，所述接收装置包括磁通门传感器和/或磁场随时间变化率感应式探头。
其中，发射装置用于向所述闭合线圈内供入正负方波形式的发射电流。然后关断发射电流，所述接收装置则可以接收地层与异常体内部产生的感应电流形成的感应二次磁场。
实施效果
为了验证本实施例的效果，以某矿采空区为例进行探测试验。试验钻孔设计深度为45m，采空区到钻孔口距离为36m，该试验为已知地质异常体探测试验。首先按照工作方式进行大线放置，布设了边长为120m的正方形发射回线框，钻孔中测点距为1m。
试验过程使用了dB/dt感应线圈传感器、磁通门传感器，其中dB/dt感应线圈传感器分为两个探头部分：dBz/dt和dB(x/y)/dt，因此进行了三次下井数据采集。试验所得原始数据如图2-1至图2-3所示，横坐标为沿钻孔深度，纵坐标为分量随时间衰减值。
如图2-1为dBx/dt曲线图，如箭头所示，从图中可以看出横坐标35m附近曲线发生抖动变形，出现由负值到正值的S型变化特征。
如图2-2为dBy/dt曲线图，如箭头所示，从图中可以看出横坐标35m附近曲线同样发生抖动变形。
如图2-3为dBz/dt曲线图，如箭头所示，曲线在横坐标35m位置附近有轻微凸起，由于z分量值较大，导致异常不如xy分量明显。
通过dB/dt感应线圈传感器探测所得数据多测道图可以大概看出异常，并且所在深度为35m附近。
图3-1至图3-3为磁通门传感器探测所得数据多测道图，横坐标为沿钻孔深度，纵坐标为分量场强值。
如图3-1为x分量曲线图，如方框圈出所示，从图中可以看出横坐标35m附近曲线发生抖动变形。
如图3-2为y分量曲线图，如方框圈出所示，从图中可以看出横坐标35m附近曲线发生抖动变形，部分时间道发生明显的V型下凹。
如图3-3为z分量曲线图，如方框圈出所示，曲线在横坐标35m位置附近有抖动。
通过磁通门传感器探测所得数据多测道图深度35m附近也有清晰的异常反应。经过反演，最后得到反演结果。
图4例示了二次场反演后的结果示意图，图中黑色菱形框为反演所得电流环结果；
图5例示了反演结果与实际地质情况进行比对示意图。图中中间粗矩形线框区域为反演所得钻孔周围采空区所在位置，斜线填充的虚线框区域为结合临近区域揭露情况绘制的采空区总分布范围，可以看出，探测数据反演所得钻孔周围采空区范围包含于总范围内，与实际地质情况吻合较好。
通过以上描述可知，本实施例的原始探测数据对异常有较为明显反应，经过反演得到了采空区异常分布范围，符合实际地质情况，说明该方法能对采空区为代表的地质异常进行精确探测。
本实施例中，尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。
注意到，说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”、“一些实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以不必包括所述特定特征、结构或特性。而且，这样的短语不必指代同一实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，无论是否明确描述，结合其他实施例来实现这样的特征、结构或特性将在所属领域的技术人员的知识范围内。
提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。
Claims (10)
1.一种煤矿井下大回线三分量孔中瞬变电磁探测方法，其特征在于，包括：
敷设发射回线以构成布置于工作面的与发射机相连接的闭合线圈；
在工作面钻孔内设置接收装置以测量和记录二次场数据。
2.根据权利要求1所述的一种煤矿井下大回线三分量孔中瞬变电磁探测方法，其特征在于，包括：
所述发射回线敷设于巷道、大巷、工作面两顺槽、切眼中的一种或多种内部。
3.根据权利要求1所述的一种煤矿井下大回线三分量孔中瞬变电磁探测方法，其特征在于，所述接收装置包括磁通门传感器和/或磁场随时间变化率感应式探头，可测量记录二次场磁场强度三分量数据和dB/dt三分量数据。
4.根据权利要求1所述的一种煤矿井下大回线三分量孔中瞬变电磁探测方法，其特征在于，向所述闭合线圈内供入正负方波形式的发射电流，然后关断发射电流并通过所述接收装置接收地层与异常体内部产生的感应电流形成的感应二次磁场，所述感应二次磁场数据由磁场强度三分量数据和dB/dt三分量数据组成。
5.根据权利要求1所述的一种煤矿井下大回线三分量孔中瞬变电磁探测方法，其特征在于，在钻孔中按设计的点距逐点采集二次场数据。
6.根据权利要求1所述的一种煤矿井下大回线三分量孔中瞬变电磁探测方法，其特征在于，在靠近异常体附近或者数据变化剧烈的地方缩小点距以测量二次场数据。
7.根据权利要求1所述的一种煤矿井下大回线三分量孔中瞬变电磁探测方法，其特征在于，通过一次布线，可以实现对工作面内多个钻孔的数据采集。表现为一个钻孔数据采集结束之后，换到下一个钻孔继续进行数据采集，发射回线不需重新布置。对于多钻孔数据可以形成三维三分量数据，实现对整个工作面内及其上下顶底板的地质体的探测。
8.根据权利要求1所述的一种煤矿井下大回线三分量孔中瞬变电磁探测方法，其特征在于，将所述接收装置接收到的二次场数据进行三分量反演计算，得到目标体内感应电流的空间位置，进而实现对目标体的探测。
9.一种煤矿井下大回线三分量孔中瞬变电磁探测装置，其特征在于，包括：
闭合线圈，为一回形结构，敷设于工作面内，并与发射装置相连；
接收装置，用于设置于工作面钻孔内以测量和记录二次场数据。
10.根据权利要求9所述的一种煤矿井下大回线三分量孔中瞬变电磁探测装置，其特征在于，所述闭合线圈包括敷设于巷道、大巷、工作面两顺槽、切眼中的一种或多种内部的发射回线。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190215 |
|
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