CN104375194B - 深部开采矿井富水区电性源瞬变电磁探查方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深部开采矿井富水区电性源瞬变电磁探查方法，包括以下步骤：步骤1在地面上确定放置电性源两个供电电极A和B的坐标；并在相应的位置放置两个供电电极A和B，且将供电电极A和B通过导线连接；步骤2将发射机与接收机进行石英钟同步；步骤3将发射机固定在地面，且携带接收机下井到达指定位置；步骤4地面发射机开始工作，通过发电机和发射机向地下供双极型矩形电流波；步骤5在井下连接接收机和接收磁探头，同时进行双路接收，采集梯度磁场量；步骤6沿需要探测的巷道行走完成所有探测；步骤7记录巷道在地面的位置及与发射电极的相对位置；步骤10根据上面的参数，得到最优的地表模型，根据地表模型判断富水区或贫水区。

Description

深部开采矿井富水区电性源瞬变电磁探查方法

技术领域

本发明公开了一种深部开采矿井富水区电性源瞬变电磁探查方法。

背景技术

我国已经探明的煤炭资源中，约占50％的煤炭埋深超过1000米。目前，全国共有47个超千米的深井，山东有21处，山东能源集团拥有的千米深井在全国数量最多、深度最深，这些深部开采矿井开采过程中普遍面临着地下水的威胁。据统计，2009年我国煤矿可查突水事故21起，死亡125人；2010年3月28日发生的王家岭煤矿突水事故造成38名矿工遇难；2013年，山西和贵州先后发生透水事故，分别有10名和7名矿工遇难。因而对存在重特大水害隐患的矿井进行治理和提前预防具有非常重要的意义。

采用地球物理方法进行富水区域的探查是矿井开采过程中普遍采用的手段，具有无损、快速、成本低等优点，例如，瞬变电磁法在煤田水文地质调查方面有很多成功的报道。然而，随着开采深度越来越大，现有的瞬变电磁法已经很难满足要求。就电磁类地球物理探测方法而言，有效探测深度能够到达1km的主要有大地电磁法(MT)、音频大地电磁测深(AMT)、可控源音频大地电磁法(CSAMT)、甚低频大地电磁法(VLF)等，采用天然场源的大地电磁测深适合探测深部地球构造，其在浅层的分辨率非常低，因而不适合工程勘察；

另外，采用人工源的可控源电磁法相对天然场源电磁法具有较好的分辨率，然而其仍然采用频率域电磁测深的方法，采用有限的频率实现不同目标的测深，分辨能力有限；

为了解决上述问题，并实现大深度勘探，专利CN201110181015.9(电性源瞬变电磁法全场区探测方法)给出了一种采用接地电性源激发并在近区和远区同时测量的瞬变电磁探测方法，能够实现1km及以上深度的勘探。

为了提高勘探效率，在此基础上提出的专利CN201110197887.4(长导线源瞬变电磁地空探测方法)将接收机通过飞艇或直升机放置在空中，大幅提高采集速度，采集效率成倍提高。

上述方法虽然能够实现大深度勘探，但是由于深部(>1km)的信号非常微弱，信噪比较低，造成深部的分辨率不佳，。

对于目前已有的专利技术已经本专利提出的技术进行分析，图1给出了已有2种专利以及本专利的测线布置在空间上的分布示意图，已有的是在地面或在空中测量。

针对开采深度在1km—1.5km的矿山，主要关心区域是巷道周围的富水情况。在井巷中进行的观测，如图2所示，激励源在含水层中激发的二次场距离接收机实际距离较近，电磁信号的衰减较小，当接收机位于空中或地面时，含水层中感应出的二次场信号源距离接收机的距离分别为D1和D2，由于本发明的目标探测深度在1km—1.5km左右，因而D1或D2的距离均在探测深度左右，感应出的二次场本身信号就非常弱，经过长距离在有耗媒质中的传播，部分信号以焦耳热的形式转化，二次场信号衰减将会非常严重，最终到达接收机的信号就会非常微弱。

发明内容

为了解决现有技术中存在的缺点，本发明公开了一种深部开采矿井富水区电性源瞬变电磁探查方法，将瞬变电磁的发射源改为大功率接地激发，将有条件的矿井接收机放置在井下巷道中沿巷道方向进行测量，无巷道接收条件的在地面布置阵列式接收点，同时考虑空中的电磁场信号，形成梯度测量的方法来解决深部开采矿山富水区域的探查问题。

本发明采用的具体技术方案如下：

深部开采矿井富水区电性源瞬变电磁探查方法，包括以下步骤：

步骤1在地面上确定放置电性源两个供电电极A和B的坐标；并在相应的位置放置两个供电电极A和B，且将供电电极A和B通过导线连接；

步骤2将发射机与接收机进行石英钟同步；

步骤3将发射机固定在地面，且携带接收机下井到达指定位置；

步骤4地面发射机开始工作，通过发电机和发射机向地下供双极型矩形电流波；

步骤5在井下连接接收机和接收磁探头，同时进行双路接收，采集梯度磁场量，即采集不同高度的感应电动势；

步骤6沿需要探测的巷道以1m/s左右的正常步行速度沿巷道行走，直到完成所有探测；

步骤7记录巷道在地面的位置及与发射电极的相对位置；

步骤8关闭接收机和发射机，整理仪器；

步骤9收起发射导线，取出不极化电极，完成探测，

步骤10根据上面的参数，得到最优的地表模型，根据地表模型判断哪些是富水区，哪些是贫水区。

所述的步骤1的具体过程如下：

步骤1-1采用GPS在地面确定电性源两个供电电极A和B坐标，坐标宜选在探测区域的正上方或附近；

步骤1-2在确定的供电电极A和B的位置挖坑，尺寸不小于40cm×40cm×60cm；

步骤1-3在坑内放置不极化电极，并浇盐水，采用原土掩埋；不极化电极通过导线连接。

在步骤1-3中，如果在非常干燥的地区或表层电阻率非常大的区域可以采用多个供电电极形成分布方式来减少接地电阻；

在步骤1中为了更好的减少接地电阻，在单个坑内埋设多个不极化电极进行供电，

所述的步骤1-3中采用低电阻BVR导线将AB连接，导线中间接发电机；导线一般截面积应大于6mm²。

所述的步骤5中采用的装置，包括一个垂直放置的竖杆，在所述的竖杆上从上到下依次放置至少两个磁探头，且每个磁探头均与接收机相连；每个磁探头采集其所在高度的电信号，实现了采集梯度磁场量。

所述的步骤10的具体过程为：

以步骤7记录的发射源位置、巷道位置信息、地面地形起伏情况、模型的层数、模型厚度和每层的电阻率作为初始参数，根据步骤5采集的感应电动势(观测值)与下面的理论计算公式计算结果(理论值)组成反演模型，通过调整模型每层的厚度与电阻率实现观测值与理论值的二范数最小，得到最优的地电模型。

所述的反演模型为理论电动势和所采集感应电动势之差。

$\begin{array}{c}{H}_{\mathrm{lz}}=\frac{3}{2}{k}_1^2\{\frac{[2z{R}^{4}a-4z{R}^2(R^2-z^2)]I_1{K}_1}{R^8}-\frac{k_{1}a}{2R}[\frac{{3k}_{1}z(R^2-z^2)}{R^5}+\frac{k_1^3}{2}(\frac{z^3}{R^3}+\frac{z}{R})\left]\right\}(I_1{K}_1-I_0{K}_0)\\ +\{\frac{{3k}_1^3\mathrm{az}(R^2-z^2)}{{2R}^5}+[\frac{{3k}_1}{2}\·\frac{2z{R}^{2}a-5z(R^2-z^2)}{R^7}-\frac{k_1^3}{2}(\frac{{3z}^{3}a}{R^5}+\frac{\mathrm{za}}{R^3})\left]\right\}(I_1{K}_0+I_0{K}_1)\\ +[\frac{{2k}_1{R}^{2}a+3\mathrm{Ra}}{R^6}+\frac{k_1^2\mathrm{Ra}+k_{1}a}{R^4}]e^{-k_{1}R}\\ +[\frac{{3k}_{1}R+{2K}_1{R}^2-15-15k_{1}R-5k_1^2{R}^2}{R^7}-\frac{{3k}_1+{3k}_1^{2}R+k_1^3{R}^2}{R^6}]{\mathrm{az}}^2{e}^{-k_{1}R}\end{array}$

其中H_1z为磁场强度，a为回线半径或导线长度的一半，K₀、K₁为第三类贝塞尔函数，z为地下距地面的垂直距离距离，I₀、I₁为第二类贝塞尔函数，R是导线积分点与地下接收点的直线距离；

则接收的感应电动势信号为：

$\mathrm{\ξ}={\mathrm{\μ}}_0\frac{{\∂H}_{1z}}{\∂t}$

其中ξ为感应电动势，μ₀为真空磁导率，H_1z为上面计算的磁场强度，t为时间。

本发明的有益效果如下：

1.本发明进一步提高分辨率，解决深部开采矿山富水区探测问题，在专利CN201110181015.9的基础上提出一种改进的观测模式，即在地面布置接地电性激发源，在井下巷道中布置接收观测序列，形成一种地面发射、井下接收的观测方式，此种方法较专利CN201110181015.9能够具有更好的分辨率，是一种专门用于深部开采矿井富水区探测的方法。

2、本发明通过一个垂直放置的竖杆，在竖杆上从上到下依次放置至少两个磁探头，且每个磁探头均与接收机相连；每个磁探头采集其所在高度的电信号，实现了采集梯度磁场量，能够同时对顶板和底板水体进行定位。

3、本发明中的接收机是通过沿需要探测的巷道以1m/s左右的正常步行速度沿巷道行走的方式实现的信号采集，因此能够实现巷道周围的快速探测。

4、本发明中的发射机不需要下井，只有接收机在井下工作，非常容易实现本安型设备。

附图说明

图1(a)-(b)供电电极埋设示意图；

图2多个不极化电极放置在同一个电极坑中示意图；

图3发射电极及发电机连接示意图；

图4梯度磁探头连接接收机示意图；

图5电性源瞬变电磁观测方式示意图；

图6感应二次场与不同位置接收机距离对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

瞬变电磁法也称时间域电磁法(Time domain electromagnetic methods)，简称TEM，它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。简单地说，瞬变电磁法的基本原理就是电磁感应定律。衰减过程一般分为早、中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小；而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。

瞬变电磁法探测具有如下优点：⑴由于施工效率高，纯二次场观测以及对低阻体敏感，使得它在当前的煤田水文地质勘探中成为首选方法；⑵瞬变电磁法在高阻围岩中寻找低阻地 质体是最灵敏的方法，且无地形影响；⑶采用同点组合观测，与探测目标有最佳耦合，异常响应强，形态简单，分辨能力强；⑷剖面测量和测深工作同时完成，提供更多有用信息。因此，本发明选取了瞬变电磁法探测的方法进行探测。

瞬变电磁法的勘探原理是利用人工在发射线圈加以脉冲电流，产生一个瞬变的电磁场，该磁场垂直发射线圈向两个方向传播，通常是在地面布设发射线圈，依据半空间的传播原理，把地面以上的忽略。当磁场沿地表向深部传播，当遇到不同介质时，产生涡流场或着遵照量子力学原理使活泼的碱金属产生能级跃迁或使含有大量氢原子的液体的氢原子核沿磁场方向产生定向排列。

当外加的瞬变磁场撤销后，这些涡流场的释放或者活泼的碱金属要恢复原有的能级，释放跃迁产生能量。以及含有大量氢原子的液体的氢原子核恢复原有的排列时，均以磁场的形式释放能量所获的能量。利用接收线圈测量接收到的感应电动势v2。该电动势包含了地下介质电性特征，通过种种解释手段(一维反演，视电阻率等)得出地下岩层的结构。由于采用线圈接收V2，故对空间的电磁场或其它人文电磁场敏感，也就是通常所说的干扰。为了减少此类干扰，采用尽量的发射大的电流，以获取最大的激励磁场，增加信噪比，压制干扰。

接收装置通常分为分离回线，中心回线和重叠回线3类，以重叠回线得到的信息最为完整，其它次之。

本发明首先对于目前已有的技术和本发明提出的技术，进行分析，如图5所示，在图中包括了已有2种专利以及本发明中的发射机和接收机的测线布置在空间上的分布示意图，目前已有的是在地面或在空中测量，本专利是在地下巷道中测量；在地面或中空中测量经过长距离在有耗媒质中的传播，部分信号以焦耳热的形式转化，二次场信号衰减将会非常严重，最终到达接收机的信号就会非常微弱，而如果将接收机放置在井下，则此距离会非常短，相应的信号损耗也会较小，因而能够得到较好的信噪比；具体的分析如图6所示：

针对开采深度在1km—1.5km的矿山，主要关心区域是巷道周围的富水情况。在井巷中进行的观测，如图6所示，激励源在含水层中激发的二次场距离接收机实际距离较近，电磁信号的衰减较小，当接收机位于空中或地面时，含水层中感应出的二次场信号源距离接收机的距离分别为D1和D2，由于本研究的目标探测深度在1km—1.5km左右，因而D1或D2的距离均在探测深度左右，感应出的二次场本身信号就非常弱，经过长距离在有耗媒质中的传播，部分信号以焦耳热的形式转化，二次场信号衰减将会非常严重，最终到达接收机的信号就会非常微弱。与此不同的是在井巷中接收时，低电阻率目标距接收机的距离为D3，井巷的埋深区域正是探测目标深度的关心区域，因而此距离会非常短，相应的信号损耗也会较小， 因而能够得到较好的信噪比。一般情况下，D1或D2的距离能够达到1km左右，而D3的距离最大为100m—300m。

根据上面的分析本发明给出了如下实施方案：

如图1a-图2所示，将不极化电极(non-polarizing electrode，俗称极罐)放置在电极坑内，且用导线将各个不极化电极相连。

其中如图2所示，可以同时将多个不极化电极同时放置在同一个电机坑内，也可以一个不极化电极对应一个电极坑。

如图3所示，将电性源两个供电电极A和B与发电机相连，以保证发射机与接收机的供电。

如图4所示，制作梯度磁探装置，包括一个垂直放置的PVC管，在所述的PVC管的顶部和底部各放置一个磁探头，且每个磁探头均与接收机相连；每个磁探头采集其所在高度的电信号，实现了采集梯度磁场量。

具体的实施过程如下：

步骤1.采用GPS在地面确定电性源两个供电电极A和B坐标，坐标宜选在探测区域的正上方或附近。

步骤2在确定的供电电极A和B的位置挖坑，尺寸不小于40cm×40cm×60cm(长宽深)。

步骤3在坑内放置不极化电极，并浇盐水，采用原土掩埋。不极化电极通过导线连接。如图1a所示。如果在非常干燥的地区或表层电阻率非常大的区域可以采用多个供电电极形成分布方式来减少接地电阻，如图1b的方式，图1b中每个框代表了一组如图1a所示的电极。

步骤4为了更好的减少接地电阻，可以在单个坑内埋设多个不极化电极进行供电，如图2所示。

步骤5采用低电阻BVR导线将供电电极A和供电电极B连接，导线中间接发电机。导线一般截面积应大于6mm2。

步骤6将发射机与接收机进行石英钟同步。

步骤7携带接收机下井到达指定位置。

步骤8地面发射机开始工作，通过发电机和发射机向地下供双极型矩形电流波。

步骤9在井下连接接收机和接收磁探头，同时进行双路接收，采集梯度磁场量，如图4所示；

步骤10沿需要探测的巷道以1m/s左右的正常不行速度沿巷道行走。直到完成所有探测。

步骤11记录巷道在地面的位置及与发射电极的相对位置。

步骤12关闭接收机和发射机，整理仪器。

步骤13收起发射导线，取出不极化电极，完成探测；

步骤14根据上面的参数，得到最优的地表模型，根据地表模型判断哪些是富水区，哪些是贫水区，具体如下：

以记录的发射源位置、巷道位置信息、地面地形起伏情况、模型的层数、模型厚度和每层的电阻率作为初始参数，根据采集的感应电动势(观测值)与下面的理论计算公式计算结果(理论值)组成反演模型，通过调整模型每层的厚度与电阻率实现观测值与理论值的二范数最小，得到最优的地电模型。

反演模型为理论电动势和所采集感应电动势之差。

$\begin{array}{c}{H}_{\mathrm{lz}}=\frac{3}{2}{k}_1^2\{\frac{[2z{R}^{4}a-4z{R}^2(R^2-z^2)]I_1{K}_1}{R^8}-\frac{k_{1}a}{2R}[\frac{{3k}_{1}z(R^2-z^2)}{R^5}+\frac{k_1^3}{2}(\frac{z^3}{R^3}+\frac{z}{R})\left]\right\}(I_1{K}_1-I_0{K}_0)\\ +\{\frac{{3k}_1^3\mathrm{az}(R^2-z^2)}{{2R}^5}+[\frac{{3k}_1}{2}\·\frac{2z{R}^{2}a-5z(R^2-z^2)}{R^7}-\frac{k_1^3}{2}(\frac{{3z}^{3}a}{R^5}+\frac{\mathrm{za}}{R^3})\left]\right\}(I_1{K}_0+I_0{K}_1)\\ +[\frac{{2k}_1{R}^{2}a+3\mathrm{Ra}}{R^6}+\frac{k_1^2\mathrm{Ra}+k_{1}a}{R^4}]e^{-k_{1}R}\\ +[\frac{{3k}_{1}R+{2K}_1{R}^2-15-15k_{1}R-5k_1^2{R}^2}{R^7}-\frac{{3k}_1+{3k}_1^{2}R+k_1^3{R}^2}{R^6}]{\mathrm{az}}^2{e}^{-k_{1}R}\end{array}$

其中H_1z为磁场强度，a为回线半径或导线长度的一半，K₀、K₁为第三类贝塞尔函数，z为地下距地面的垂直距离距离，I₀、I₁为第二类贝塞尔函数，R是导线积分点与地下接收点的直线距离；

则接收的感应电动势信号为：

$\mathrm{\ξ}={\mathrm{\μ}}_0\frac{{\∂H}_{1z}}{\∂t}$

其中ξ为感应电动势，μ₀为真空磁导率，H_1z为上面计算的磁场强度，t为时间。

Claims (6)

1.深部开采矿井富水区电性源瞬变电磁探查方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1在地面上确定放置电性源两个供电电极A和B的坐标；并在相应的位置放置两个供电电极A和B，且将供电电极A和B通过导线连接；

步骤2将发射机与接收机进行石英钟同步；

步骤3将发射机固定在地面，且携带接收机下井到达指定位置；

步骤4地面发射机开始工作，通过发电机和发射机向地下供双极型矩形电流波；

步骤5在井下连接接收机和接收磁探头，同时进行双路接收，采集梯度磁场量，即采集不同高度的感应电动势；

步骤6沿需要探测的巷道行走，直到完成所有探测；

步骤7记录巷道在地面的位置及与发射电极的相对位置；

步骤8关闭接收机和发射机，整理仪器；

步骤9收起发射导线，取出不极化电极，完成探测，

步骤10根据上面的参数，得到最优的地表模型，根据地表模型判断哪些是富水区，哪些是贫水区；具体过程为：

以步骤7记录的发射源位置、巷道位置信息、地面地形起伏情况、模型的层数、模型厚度和每层的电阻率作为初始参数，根据步骤5采集的感应电动势与下面的理论计算公式计算结果ξ组成反演模型，通过调整模型每层的厚度与电阻率实现观测值与理论值的二范数最小，得到最优的地电模型；

$\begin{array}{c}{H}_{1z}=\frac{3}{2}{k}_1^2\left\{\frac{\[2{\mathrm{zR}}^{4}a-4{\mathrm{zR}}^2\left(R^2-z^2\right)\]I_1{K}_1}{R^8}-\frac{k_{1}a}{2R}\[\frac{3k_{1}z\left(R^2-z^2\right)}{R^5}+\frac{k_1^3}{2}\left(\frac{z^3}{R^3}+\frac{z}{R}\right)\]\right\}\left(I_1{K}_1-I_0{K}_0\right)\\ +\left\{\frac{3k_1^{3}az\left(R^2-z^2\right)}{2R^5}+\[\frac{3k_1}{2}\·\frac{2{\mathrm{zR}}^{2}a-5z\left(R^2-z^2\right)a}{R^7}-\frac{k_1^3}{2}\left(\frac{3z^{3}a}{R^5}+\frac{za}{R^3}\right)\]\right\}\left(I_1{K}_0+I_0{K}_1\right)\\ +\[\frac{2k_1{R}^{2}a+3Ra}{R^6}+\frac{k_1^{2}Ra+k_{1}a}{R^4}\]e^{-k_{1}R}\\ +\[\frac{3k_{1}R+2k_1{R}^2-15-15k_{1}R-5k_1^2{R}^2}{R^7}-\frac{3k_1+3k_1^{2}R+k_1^3{R}^2}{R^6}\]{\mathrm{az}}^2{e}^{-k_{1}R}\end{array}$

其中H_1z为磁场强度，a为回线半径或导线长度的一半，K₀、K₁为第三类贝塞尔函数，z为地下距地面的垂直距离距离，I₀、I₁为第二类贝塞尔函数，R是导线积分点与地下接收点的直线距离；

则接收的感应电动势信号为：

$\mathrm{\ξ}={\mathrm{\μ}}_0\frac{\∂H_{1z}}{\∂t}$

其中ξ为感应电动势，μ₀为真空磁导率，H_1z为上面计算的磁场强度，t为时间；

所述的反演模型为理论电动势和所采集感应电动势之差。

2.如权利要求1所述的深部开采矿井富水区电性源瞬变电磁探查方法，其特征在于，所述的步骤1的具体过程如下：

步骤1-1采用GPS在地面确定电性源两个供电电极A和B坐标，坐标宜选在探测区域的正上方或附近；

步骤1-2在确定的供电电极A和B的位置挖坑，尺寸不小于40cm×40cm×60cm；

步骤1-3在坑内放置不极化电极，并浇盐水，采用原土掩埋；不极化电极通过导线连接。

3.如权利要求2所述的深部开采矿井富水区电性源瞬变电磁探查方法，其特征在于，在步骤1-3中，如果在非常干燥的地区或表层电阻率非常大的区域采用多个供电电极形成分布方式来减少接地电阻；

4.如权利要求1所述的深部开采矿井富水区电性源瞬变电磁探查方法，其特征在于，在步骤1中为了更好的减少接地电阻，在单个坑内埋设多个不极化电极进行供电。

5.如权利要求2所述的深部开采矿井富水区电性源瞬变电磁探查方法，其特征在于，所述的步骤1-3中采用低电阻BVR导线将AB连接，导线中间接发电机；导线截面积应大于6mm²。

6.如权利要求1所述的深部开采矿井富水区电性源瞬变电磁探查方法，其特征在于，所述的步骤5中采用的装置，包括一个垂直放置的竖杆，在所述的竖杆上从上到下依次放置至少两个磁探头，且每个磁探头均与接收机相连；每个磁探头采集其所在高度的电信号，实现了采集梯度磁场量。