CN103995296A - 瞬变电磁法地孔探测方法与装置 - Google Patents

Abstract

一种地面布置对目标地层全包围的大发射回线，供电产生一次电磁场，井下顺层钻孔中直接接收孔周围三分量的二次场，探测隐伏致灾体的瞬变电磁地孔探测方法和装置，实现发射和接收分离，不仅可以避免地面局部良导电体、工业电磁信号和周期电信号等的干扰，而且可以避开地层表面低阻层或低阻矿化带的“屏蔽”影响；接收装置放在钻孔内还可以避开孔外复杂的施工环境，如煤矿巷道内存在掘进设备、锚杆、锚网、运输设备和工业用电等。

Description

瞬变电磁法地孔探测方法与装置

技术领域

本发明属于地球物理勘探技术领域，涉及一种地面布置对目标地层全包围的大发射回线，供电产生一次电磁场，井下顺层钻孔中直接接收孔周围三分量的二次场，探测隐伏致灾体的瞬变电磁地孔探测方法和装置。

背景技术

在地球物理勘探技术领域，通常需要一种可靠的探测方法，以满足相关行业安全生产的需要。瞬变电磁地孔探测方法即是一种新的应用于探测隐伏致灾体的预测预报方法，其能够精确探测地下巷道掘进前方周边，以及回采工作面内和顶底板中一定距离范围内灾害地质体。

瞬变电磁法属感应类方法，其利用不接地回线或接地线源，在供电期间向地下发射一次电磁场(习惯上简称“一次场”)，一次场关断后，根据法拉第电磁感应定律，大地或探测目标体在一次场的作用下，其内部会产生感应电流，又称涡流。这种涡流有空间和时间特性，其大小与诸多因素有关，如目标体的空间特征和电性特征、激发场的特征等，而且因为热损耗的缘故会逐渐减弱直至消失。因涡流具有随时间变化的特征，在产生涡流的目标体周围产生新的磁场，称为二次磁场(习惯上简称“二次场”)。目前的瞬变电磁法勘探过程中，常利用器观测垂直分量二次场的强弱、空间分布特性和时间特性，一次布置，只采集单一分量的数据，方位单一，分辨率相对偏低。

瞬变电磁法以对低阻体反应灵敏，而被广泛应用于寻找水资源、低阻矿体和矿井隐伏含/导水区域或通道的探测中。然而，在工作过程中，当遇到周边有大的良导电体、地面或空间存在工业电磁信号和周期电信号干扰时，对观测的数据产生严重影响；另外，地层表面存在低阻层或低阻矿化带时，深部良导电地质体被激发的二次场信号较弱，易被浅部低阻层强信号“屏蔽”。以上影响因素的存在，严重影响瞬变电磁的探测能力，若能够避开干扰，解决“屏蔽”等不利因素的影响，对矿井深部采场所面临的具有引起灾害性突发事件的隐伏致灾体的探测，具有非常重大的意义。

在解决上述问题的过程中，逐渐形成了较多的近目标体的探测方法，有地震反射波法、瑞雷波法、地质雷达法、矿井瞬变电磁法、矿井直流电阻率法、红外测温法和申请号为200810044794.6的专利所记载的预报隧道施工掌子面前方涌水位置的方法，这些方法各有优点，但缺点是显而易见的，简述如下：

地震反射波法在实际工作中，接收的信号较复杂，断层界面的负视速度反射波难以准确提取，导致解释结果存在较严重的多解性，而且地震反射波对地下水的反应不敏感，不能准确预报前方强含水地质异常体，尤其是对点状导水通道更是无能为力。

瑞雷波法同样对含水体不敏感，不能准确预测掘进前方的含水体，且超前距离一般只有50m，特别在松软煤层中超前距离较短。

地质雷达探测方法探测距离较短，大约在20m～30m以内，同时雷达记录易受附近机器干扰。

矿井瞬变电磁探测方法原理同地面瞬变电磁法，该方法的缺点是不能探测掘进头附近约20m范围内的地质体；巷道内金属体、局部电性不均匀体被激发后产生的涡流场，对采集的数据影响较大，出现难以排除的假异常；对目标异常体在空间上的定位存在不确定性。

矿井直流电阻率法接收电极布置在掘进迎头后方，受施工环境(铁轨、金属支架、锚网、电器设备、局部水坑或潮湿地段等)和巷道空间影响较大，接收的数据不稳定，假异常偏多；单次探测距离有限，一般认为80～100m。

红外测温方法探测距离较短，一般小于30m，且目前仍局限于定性预报异常体的含水性，对含水量亦不能进行定量或半定量预报。

申请号为200810044794.6的发明专利说明了一种预报隧道施工掌子面前方涌水位置的方法。不能定量预测地下水体相对于掌子面的距离。其工作方式是在施工掌子面后面的隧道周边，随隧道施工掌子面的前移，按一定间距逐点跟踪测试隧道周边岩体的温度。其温度测试在5～12m深的岩孔中进行，因此需要在隧道后方等间距实施一定数量的钻孔，具有相对较大的工作量。

为避开各种干扰源的影响，增加单次探测距离，提高对隐伏致灾体的探测能力，确保安全生产，迫切需要一种单次预报距离更长，精度更高的探测方法。

发明内容

本发明提出了一种在地面布置不接地回线，对目标区域实现全包围，供电产生一次电磁场，井下顺层钻孔中直接接收孔周围三个方向(三分量)二次场的瞬变电磁法地孔探测方法与装置。

本发明探测工作原理是：在地面布置发射系统，利用阶跃波形电磁脉冲激发，向地下发射一次场，一次场关断期间，良导电地质体在一次场的作用下，其内部会产生感应电流，即涡流，因涡流随时间变化的作用，在其周围产生新的磁场，即二次磁场。由于良导电地质体内感应电流的热损耗，二次磁场大致按照指数规律随时间衰减，形成瞬变磁场，其包含着与地质体有关的地质信息。通过钻孔中的接收装置，观测钻孔周围三分量的二次场随时间的变化规律，并对观测的数据进行分析和处理，可以推测解译地层或地质体的几何和物性特征。

根据本发明，不仅可以避免地面局部良导电体、工业电磁信号和周期电信号等的干扰，而且可以避开地层表面低阻层或低阻矿化带的“屏蔽”影响；接收装置放在钻孔内还可以避开孔外复杂的施工环境，如煤矿巷道内存在掘进设备、锚杆、锚网、运输设备和工业用电等。

根据本发明，在钻孔中接收信号，距离目标体近，距离干扰源远，信号信噪比高；接收三个分量的二次场信号，对钻孔周围一定范围内地层进行扫描，能够实现对孔周围的含/导水构造(或含富水区域)、老空积水、岩溶陷落柱、灰岩水等隐伏地质异常体的准确定位。如用于探测煤层内部、顶板、底板和掘进巷道(或隧道)前方的隐伏致灾地质异常体。

根据本发明，同一个发射源，可以实现对不同目标层位的精确扫描探测，即探测纵向上不同目标地层(如煤层顶、底板)内地质异常体时，可共用一个发射源。

根据本发明，横向探测距离可以视探测目的任务和钻孔深度可长可短。

具体的，本发明提供一种地面布置不接地回线，供电产生一次电磁场，井下顺层钻孔中直接接收孔周围二次场的瞬变电磁法探测方法，该方法可以用于煤层工作面内部、顶板、底板和掘进巷道(或隧道)迎头前方隐伏致灾体的探测，其特征在于，包括以下几个方面：

(1)在需要探测的煤层工作面内，或者顶底板，或者掘进巷道(或隧道)迎头的前方，沿需要探测的方向顺层打钻孔，孔深可根据探测要求至100～300m或更深；

(2)在地面布置不接地回线，要求其投影位置将需要探测的目标地层全部包围，即(1)中钻孔在地面的投影位于回线内；

(3)为不接地回线供阶跃变化的电流，以阶跃波形电磁脉冲形式，向地下发射一次场；地下良导电地质体在一次场的作用下，其内部会产生感应电流，又称涡流，因涡流随时间变化的作用，在其周围产生新的磁场，称为二次磁场；

(4)接收探头放置于钻孔内，由孔口向深部以一定距离逐点移动，每一接收点处均接收三个分量的二次场信号；

(5)根据三分量数据，按照瞬变电磁法的算法计算出不同方位和不同深度的视电阻率，得到可用于地质解释的数据体，实现对地质体的定位。

(6)孔中以固定的点距进行数据采集，当发现数据出现突变时，可将接收探头保持原位，实时重复采集，待确认数据突变非操作原因引起，以小于原点距的距离移动接收探头，进行测点加密采集。

根据上述瞬变电磁法地孔探测方法，其特征在于，所述钻孔为顺层钻孔，在需要探测的煤层工作面内，或者顶底板，或者掘进巷道(或隧道)迎头的前方，沿需要探测的方向顺层打钻孔，孔深可根据探测要求至100～300m或更深。

根据上述瞬变电磁法地孔探测方法，其特征在于，所述不接地回线布置在地面，其投影位置将需要探测的目标地层全部包围，所述顺层钻孔在地面投影应位于回线内。

根据上述瞬变电磁法地孔探测方法，其特征在于，以不接地回线为载体，向地下发射一次场；所述接收探头放置于钻孔内，由孔口向深部以一定距离逐点移动，每移动一次均接收三个分量的二次场信号。

根据上述瞬变电磁法地孔探测方法，其特征在于，所述三分量数据，按照瞬变电磁法的算法计算出不同方位和不同深度的视电阻率，得到可用于地质解释的数据体，实现对地质体的定位。

根据上述瞬变电磁法地孔探测方法，其特征在于，所述采集数据过程中发现数据出现突变时，可将接收探头保持原位，实时重复采集，待确认数据突变非操作原因引起，以小于原点距的距离移动接收探头，进行测点加密采集。

另外，本发明还提供一种瞬变电磁法地孔探测装置，地面布置不接地回线，发射一次场，井下钻孔中接收不同方位的瞬变二次场数据，实现对钻孔周围一定范围内的探测，其特征在于，包括以下几个方面：

(1)在需要探测的煤层工作面内，或者顶底板，或者掘进巷道(或隧道)迎头的前方，沿需要探测的方向顺层打钻孔，孔深可根据探测要求至100～300m或更深；

(2)在地面布置不接地回线，与发射设备相连，组成发射系统，回线投影位置将需要探测的目标地层全部包围，即钻孔在地面的投影位于回线内；

(3)接收探头放置于钻孔内，与接收设备相连，组成接收系统；

(4)发射系统位于地面，接收系统位于井下孔中，发射和接收实现分离。

根据上述瞬变电磁法地孔探测装置，其特征在于，所述钻孔为顺层钻孔，即在需要探测的煤层工作面内，或者顶底板，或者掘进巷道(或隧道)迎头的前方，沿需要探测的方向顺层打钻孔，孔深可根据探测要求至100～300m或更深。

根据上述瞬变电磁法地孔探测装置，其特征在于，所述不接地回线位于地面，与发射设备相连，组成发射系统，所述回线投影位置将需要探测的目标地层全部包围，即所述钻孔在地面的投影位于回线内。

根据上述瞬变电磁法地孔探测方法，其特征在于，所述接收探头放置于钻孔内，与接收设备相连，组成接收系统。

根据上述瞬变电磁法地孔探测装置，其特征在于，所述发射系统位于地面，所述接收系统位于井下孔中，发射和接收实现分离。

附图说明

图1是本发明瞬变电磁法地孔探测方法原理和装置形式示意图。

图中附图标记：1.地面，2.发射回线，3.发射电流，4.地层，5.煤层，6.含水地质异常体，7.一次场，8.涡流，9.二次场，10.巷道，11.巷道迎头，12.钻孔与孔中测点。

图2是本发明瞬变电磁法地孔探测方法坐标系统示意图。

图中为钻孔和坐标系统。

具体实施方式

下面参照附图结合具体实施方式对本发明做出详细描述。

图1本发明瞬变电磁法地孔探测方法原理和装置形式示意图。

参照图1，尽管是以顺煤层超前探测地质异常体为例进行的描述，但需要说明的是，该描述仅仅是示例性的，本发明并不仅限于顺煤层超前探测地质异常体的方案中。大体上讲，本发明具体实施方式包括以下步骤：

(1)在井下需要探测的目标地层中，打顺层钻孔步骤，具体来说，在需要超前探测的巷道10的迎头11前方，沿掘进方向顺煤层5打钻孔12，可根据探测要求钻进至100m、200m、300m或更深；

(2)在需要探测的目标地层的地面1投影位置的周围，采用测量定点仪器，进行测量定点，定点圈定的区域应将目标地层投影位置全部包围。

(3)按照测量点铺设发射回线2，发射回线沿掘进方向铺设为长方形或正方形，钻孔12的平面投影位置位于所述发射回线2内，所述发射回线2的边长，可以根据钻孔长度和目标地层埋深确定。

(4)所述发射回线2与地面发射设备相连，组成发射系统。以一定的工作频率和电流为发射回线2供阶跃变化的电流3，向地下发射一次场7。

地下含水地质异常体6在一次场7的作用下，其内部会产生感应电流，又称涡流8，因涡流随时间变化的作用，在其周围产生新的磁场，称为二次场9。

(5)接收探头放置于钻孔12内，与接收设备相连，组成接收系统。接收探头以一定的距离向孔深部移动，每移动一次，同时接收三个方位(图2中x、y、z三个分量)的二次场9信号。

(6)钻孔12中以固定的点距进行数据采集，当发现数据出现突变时，可将接收探头保持原位，实时重复采集，待确认数据突变非操作原因引起，以小于原点距的距离移动接收探头，进行测点加密采集。

(7)所采集的三分量数据，按照瞬变电磁法的算法计算出不同方位和不同深度的视电阻率，得到可用于地质解释的数据体，实现对地质体的定位。

(8)对煤层5顶底板探测时，可采用定向钻，分别在煤层5顶底板中打钻孔12，地面布置一次发射回线，完成两个层位的探测。

以上根据实施例对本发明作出了详细描述，然而，所述描述是例示性的，本发明不仅仅限于实施例中，本领域技术人员完全能够根据本发明教导而对其作出各种形式的替换或者变更，在不脱离本发明宗旨和精神的前提下，凡是对本发明作出的各种变更及修饰均视为本发明所涵盖的内容，均落入所附权利要求的范围之内。

Claims (3)

1.一种瞬变电磁法地孔探测方法，其特征在于，包括以下几个方面：

(1)在需要探测的煤层工作面内，或者顶底板，或者掘进巷道(或隧道)迎头的前方，沿需要探测的方向顺层打钻孔，孔深可根据探测要求至100～300m或更深；

(2)在地面布置不接地回线，其投影位置将需要探测的目标地层全部包围，即所述钻孔在地面的投影位于回线内；

(3)为不接地回线供阶跃变化的电流，以阶跃波形电磁脉冲形式，向地下发射一次场；地下良导电地质体在一次场的作用下，其内部产生感应电流，即涡流，因涡流随时间变化的作用，在其周围产生新的磁场，即二次磁场；

(4)接收探头放置于钻孔内，由孔口向深部以一定距离逐点移动，每一接收点处均接收三个分量的二次场信号；

(5)根据三分量数据，按照瞬变电磁法的算法计算出不同方位和不同深度的视电阻率，得到可用于地质解释的数据体，实现对地质体的定位；

(6)孔中以固定的点距进行数据采集，当发现数据出现突变时，可将接收探头保持原位，实时重复采集，待确认数据突变非操作原因引起，以小于原点距的距离移动接收探头，进行测点加密采集。

2.如权利要求1所述瞬变电磁法地孔探测方法，其特征在于，以不接地回线为载体，向地下发射一次场；所述接收探头放置于井下顺层钻孔内，由孔口向深部以一定距离逐点移动，每移动一次均接收三个分量的二次场信号。

3.一种瞬变电磁法地孔探测装置，地面布置不接地回线，发射一次场，井下钻孔中接收不同方位的瞬变二次场数据，实现对钻孔周围一定范围内的探测，其特征在于，

在地面布置所述不接地回线，将所述不接地回线与发射设备相连，组成发射系统，所述回线投影位置将需要探测的目标地层全部包围，即钻孔在地面的投影位于回线内；

在所述钻孔内放置接收探头，所述接收探头与接收设备相连，组成接收系统；

其中，发射系统位于地面，接收系统位于井下孔中，发射和接收实现分离。