CN104597511A - 一种多层采空区地面-巷道瞬变电磁探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多层采空区地面-巷道瞬变电磁探测方法，该方法主要包括数据采集和数据处理部分。其具体实施步骤为在地面铺设大的发射线圈向地下发射电磁信号，在井下工作面巷道上下顺槽、切眼及联络巷等处通过布设三分量接收探头对数据进行采集并通过井下数据采集站及数据传输系统将数据传至地面总控制台；然后进行数据处理，通过数据的初步处理、数据的视电阻率转换、数据的成图显示和数据对比，得出分析结果。其可以无盲区的对整个矿区的多层采空区积水层位进行高分辨率识别，实现动态监测过程，可有效的划分矿区内各个采空区在垂直和水平方向上的边界，为煤矿的安全生产提供保障；另外大大提高了矿井多层采空区的分辨能力，实现了精细探查。

Description

一种多层采空区地面-巷道瞬变电磁探测方法

技术领域

本发明涉及一种瞬变电磁探测方法，具体是一种多层采空区地面-巷道瞬变电磁探测方法。

背景技术

采空区积水是诱发我国煤矿特大突水灾害事故的主要原因之一。煤系是地壳在以沉降运动为主的振荡过程中形成的，大多成层分布，我国煤田从上而下一般均存在多层可采煤层。上部煤层开采完毕后形成的采空区成为汇水区域，以静储量为主，水压力大，一旦掘透，来势凶猛，破坏力大，容易造成群体性伤亡事故，给邻近工作面及下部煤层开采带来安全隐患。

近年，我国煤炭行业进行了资源整合，由于前期盗采或开采的无序、不合理,许多矿区在进行下部煤层开采时均面临上部多层积水采空区的威胁。采掘工程资料缺失或不详，致使上部煤层采空积水情况无从考证。

目前我国煤矿水文地质地球物理探测技术主要分地面与井下：地面主要有直流电阻率法、瞬变电磁法、可控源音频大地电磁测深等；井下主要有矿井直流电法、矿井瞬变电磁法、音频电透视等。

受地形、人文设施及探测深度要求，地面水文物探分辨率、勘探精度及可靠性大为降低，虽然能满足水源地勘查的要求，但还达不到煤矿防治水工作的精细勘查要求，只能作为煤矿制定采区防治水规划的参考资料。

矿井水文物探技术包括直流电法勘探、矿井音频电透视、矿井瞬变电磁法等。由于靠近目标体，信号响应强，分辨率较高，但也存在一定不足。对于直流电法勘探而言，比较突出的是需要一定的测线长度，如果可施工巷道长度有限，则无法满足勘探深度的要求；二是当岩层破碎且干燥时，电极与岩层的接触常常会带来困难；三是当工作面较宽时在工作面顶板上方中间部位容易形成探测盲区。矿井音频电法透视在采煤工作面顶底板内部的导水构造及含水层的富水性探测，取得了较好的地质效果，实际探测中也面临电极布置困难，施工时必须是准备回采的工作面,或存在2条顺槽(透距<350m)的区域,主要探查两顺槽间顶板100m高度(或深度)范围内水文异常地质体的空间位置，目前仍然存在尚待解决的理论和实际问题，如频率范围的选择、探测深度的确定、频率和深度的函数关系等问题。

矿井瞬变电磁法是近年才发展起来的一种井下探测方法，因其施工方便快捷，对含水体敏感成为目前矿井水文物探主要手段之一，但其探测深度有限，当上部采空区距探测位置较远时无法达到理想的探测深度，同时尽管通过改变线圈平面方向可实现不同方位探测，在顶板方向仍存在一定的探测盲区。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种多层采空区地面-巷道瞬变电磁探测方法，能够无盲区的对整个矿区的多层采空区积水层位进行识别，并有效的划分顶底板的界限，为煤矿的安全生产提供保障。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：该多层采空区地面-巷道瞬变电磁探测方法，主要包括数据采集和数据处理过程。其具体实现步骤为：

1、在地面铺设大的发射线圈向地下发射电磁信号，在井下工作面巷道上下顺槽、切眼及联络巷等工作位置处通过布设三分量接收探头对数据进行采集并通过井下数据采集站及数据传输系统将数据传至地面总控制台；

2、数据处理，通过数据的初步处理、数据的视电阻率转换、数据的成图显示和数据对比，得出分析结果；

3、对矿区内各个采空区在垂直和水平方向上的边界进行划分，并对工作面回采过程实现动态监测并进行预警预报。

其中数据采集过程包括以下部分：

(1)中央总控制台与信号传输系统的设置：中央总控制台与信号传输系统设置于地面，中央总控制台用于总体的宏观调度与维护，信号传输系统用于传输中央总控制台发出的讯息，中央总控制台通过信号传输系统，对地面信号发射线圈、地下信号三分量接收探头进行控制；

(2)地面信号发射线圈的布设：地面信号发射线圈设置在矿区的地平面上，利用矿区地面的高压电线杆进行布设，使地面信号发射线圈覆盖整个矿区，通过中央总控制台进行控制，使地面信号发射线圈产生电磁信号，在整个矿区向地下发射一次场；

(3)地下信号三分量接收探头的布设：地下信号三分量接收探头分别设置于不同水平的工作面巷道上下两顺槽、开切眼、联络巷等位置，相邻两个地下信号接收探头之间距离为5～30米，由此可以实现高精度探测，三分量接收探头可以同时接收三个方向的信号，由此不仅可以对探头所在水平的上部、下部采空区进行探测并进行纵向分层和划分横向延展情况，同时还可以对探头所在水平的采空区进行探测并划分范围，如顶板、底板、迎头、工作面内部等。

(4)地下数据采集站：地下数据采集站与三分量接收探头布置于相同的巷道内，多个地下信号三分量接收探头共用一个地下信号采集站，地下信号采集站将地下信号三分量接收探头接收到的信号通过信号传输线进行采集，并进行存储。如果信号传输系统出错，可以通过人工的方式将存储的信息提取并进行处理。

(5)各个地下数据采集站通过信号传输系统将接收到的电磁信号传递给中央总控制台，完成数据的采集工作；

数据处理过程包含以下部分：

(1)数据的初步处理：由于所采集到的原始数据格式不适于处理，所以将传输至中央总控制台的数据进行格式转换和初步的滤波处理。

(2)三分量数据的提取：由于电磁信号是空间分布的，地下信号三分量接收探头接收到的信号是来自于不同方向的信号，所反映的不同方向的信息权重也不尽相同，所以为了将所得的信号得以充分的应用，将采集到的信号进行三分量数据提取，分别进行下步处理。

(3)数据的视电阻率转换：经过初步处理的数据需进行视电阻率转换，由于多层采空区地面-巷道瞬变电磁探测方法的发射线圈与接收线圈的布设不同于传统的探测方法，故视电阻率转换公式也不相同，所以推导出了适用于多层采空区地面-巷道瞬变电磁探测方法的瞬变电磁转换公式，经过简化得到的晚期视电阻转换公式为：

${\mathrm{\&rho;}}_s=\frac{\mathrm{\&mu;}}{4t}{\left(\frac{\sqrt{\mathrm{\&pi;}}t\&PartialD;h/\&PartialD;t}{a^2}\right)}^{-2/3}$

式中a为圆形发射线圈的半径；

(4)数据的成图显示：由于数据采集所采集到的数据是不同水平、不同工作面、不同巷道内不同方向的数据，所以采集到的数据具有空间位置特性，在进行二维成图的同时还可进行三维图示；所以数据的成图显示包含二维图形、三维显示两部分，使得解释更具可靠性；

(5)数据对比：中央总控制台将成图显示的数据与存储的水文地质资料进行对比，划分出异常区域，找出多层采空区的顶底面边界和范围；

(6)将最终处理好的数据进行存储，用于与以后所采集得到的数据进行对比，同时进行动态显示，可以预测巷道掘进过程或煤层回采过程中的突水状况，为煤矿的正常生产提供安全保障。

进一步，所述的相邻两个地下信号接收探头之间相距10米。

本发明所述的一种多层采空区地面-巷道瞬变电磁探测方法具有的有益效果是：

(1)本发明通过地面信号发射线圈的布设和地下信号三分量接收探头的布设能采集多方位的电磁信号，然后通过数据处理过程，得出分析结果，可以无盲区的对整个矿区的多层采空区积水层位进行识别，不仅可以有效的划分采空区顶底板的界限，还可以对采空区的横向延展情况进行划分；

(2)由于地下信号三分量接收探头的间距为10米，大大提高了矿井多层采空区的分辨能力，实现了精细探查；

(3)安装于工作面不同巷道内的地下信号三分量接收探头可以循环利用，采煤工作面回采以及巷道掘进的过程中，可以跟进安装接收地下信号三分量加收探头和地下信号采集站，结合已有探头，对掘进前方的含水区域进行预测；

(4)同时，可以切实的实现实时监测，为煤矿的安全生产及工人的生命安全提供科学保障。

附图说明

图1是本发明中数据采集的整体布设图；

图2是本发明中地下信号三分量接收探头与地下信号采集站布设及关系图；

图3是本发明中的数据处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括数据采集和数据处理；

A、所述的数据采集过程包括以下部分：

中央总控制台、信号传输系统、地面信号发射线圈、地下信号三分量接收探头、地下数据采集站、信号传输线组成。

(1)中央总控制台与信号传输系统的设置：中央总控制台与信号传输系统设置于地面，中央总控制台用于总体的宏观调度与维护，信号传输系统用于传输中央总控制台发出的讯息，中央总控制台通过信号传输系统，对地面信号发射线圈、地下信号三分量接收探头进行控制；

(2)地面信号发射线圈的布设：地面信号发射线圈设置在矿区的地平面上，利用矿区地面的高压电线杆进行布设，使地面信号发射线圈覆盖整个矿区，通过中央总控制台进行控制，使地面信号发射线圈产生电磁信号，在整个矿区向地下发射一次场；

(3)地下信号三分量接收探头的布设：地下信号三分量接收探头分别设置于不同水平的工作面巷道上下两顺槽、开切眼、联络巷等位置，相邻两个地下信号接收探头之间相距10米，由此可以实现高精度探测，三分量接收探头可以同时接收三个方向的信号，由此不仅可以对探头所在水平的上部、下部采空区进行探测并进行纵向分层和划分横向延展情况，同时还可以对探头所在水平的采空区进行探测并划分范围，如顶板、底板、迎头、工作面内部等；

(4)地下数据采集站的布设：如图2所示，地下信号采集站与三分量接收探头布置于相同的巷道内，五个地下信号三分量接收探头共用一个地下信号采集站，地下信号采集站将地下信号三分量接收探头接收到的信号通过信号传输线进行采集，并进行存储。如果信号传输系统出错，可以通过人工的方式将存储的信息提取并进行处理；

(5)当上述各个部件中央总控制台、信号传输系统、地面信号发射线圈、地下信号三分量接收探头、地下信号采集站、信号传输线安装好后，由中央总控制台进行控制地面信号发射线圈发射一次场信号，同时控制地下信号三分量接收探头开始记录感应的二次场的信号，当记录结束后，地下信号采集站通过信号传输线将记录的信号进行收集并存储，然后地下信号采集站将采集到的信号通过信号传输系统传输至地面总控制台，以此完成数据采集的工作。

B、所述的数据处理过程包含以下部分：

原始数据、格式转换、滤波处理、三分量数据提取、数据保存、视电阻率转换、成图显示、水文地质资料和数据解释，共计九部分。

(1)数据的初步处理：由于所采集到的原始数据格式不适于处理，所以将传输至中央总控制台1的数据进行格式转换和初步的滤波处理；其中，格式转换是指将接收到的电磁信号数据格式转换成能被中央控制台数据处理模块直接识别处理的数据格式；初步的滤波处理是为了剔除接收到信号的工区人文噪声干扰和电磁干扰，以保证数据质量的可靠性，排除干扰造成虚假异常，提高探测精度；常用的滤波算法有三点滤波、Fraser滤波、KarouS滤波、Hielt滤波、卡尔曼滤波和函数拟合法等。

(2)三分量数据的提取：由于电磁信号是空间分布的，地下信号三分量接收探头接收到的信号时来自于不同方向的信号，所反映的不同方向的信息权重也不尽相同，所以为了将所得的信号得以充分的应用，将采集到的信号进行三分量数据提取，将所提取的不同方向的数据分别进行下步处理。

(3)数据的视电阻率转换：经过初步处理的数据需进行视电阻率转换，由于多层采空区地面-巷道瞬变电磁探测方法的发射线圈与接收线圈的布设不同于传统的探测方法，故视电阻率转换公式也不相同，所以推导出了适用于多层采空区地面-巷道瞬变电磁探测方法的瞬变电磁转换公式，具体的推导过程为：

设磁偶极子中的供电电流I在瞬间断开，则电流以阶跃规律变化，即

$I\left(t\right)=I_{0}u(-t)=\left\{\begin{array}{cc}{I}_0,& t\&le;0\\ 0,& t>0\end{array}\right.---\left(1\right)$

忽略位移电流的影响，对脉冲响应f(t)积分，得到阶跃响应h(t)，阶跃响应

$f\left(t\right)={\&Integral;}_0^{t}h\left(\mathrm{\&tau;}\right)\mathrm{d\&tau;}---\left(2\right)$

地面-坑道装置的磁化矢量为

M＝mu_zδ(x)δ(y)δ(z)  (3)

矢量位F满足的非齐次赫姆霍兹方程为

${\&dtri;}^{2}F+k^{2}F=J^s---\left(4\right)$

式中，为场源的磁流密度矢量。

对(4)式进行傅立叶变换并利用傅氏变换的微分性质，得到其解为

$F\left(r\right)=\underset{v}{\&Integral;}G\left(r\right)J\left(r\right){\mathrm{dv}}^{\&prime;}---\left(5\right)$

式中，为全空间格林函数，

将代入方程(5)，得到发射回线源的矢量位为

由源J^s产生的电磁场可以由下式计算

$E=-\&dtri;\&times;F;H=-\hat{y}F+\frac{\&dtri;(\&dtri;\&CenterDot;F)}{\hat{z}}$

式中，为导纳率，阻抗率。

从而可得到发射回线电磁场的表达式:

$h=\frac{m}{{4\mathrm{\&pi;r}}^2}{e}^{-\mathrm{ikr}}[(\frac{\mathrm{xz}}{r^2}{u}_x+\frac{\mathrm{yz}}{r^2}{u}_y+\frac{z^2}{r^2}{u}_z)(3+3\mathrm{ikr}-k^2{r}^2)+(k^2{r}^2-\mathrm{ikr}-1)u_z]---\left(8\right)$

做代换定义函数对式(7)和式(8)应用拉普拉斯变换公式，得到回线源产生的电场和磁场为

$e=\frac{{\mathrm{\&mu;m\&theta;}}^{3}r}{{2\mathrm{\&pi;}}^{3/2}t}{e}^{-{\mathrm{\&theta;}}^2{r}^2}(\frac{y}{r}{u}_x-\frac{x}{r}{u}_y)---\left(9\right)$

$\begin{array}{c}h=\frac{m}{{4\mathrm{\&pi;r}}^3}\left\{\right[3\mathrm{\&phi;}\left(u\right)-\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\&pi;}}}u(3+u^2)e^{-u^2/2}]\&times;(\frac{\mathrm{xz}}{r^2}{u}_x+\frac{\mathrm{yz}}{r^2}{u}_y+\frac{z^2}{r^2}{u}_z)\\ -[\mathrm{\&phi;}\left(u\right)-\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\&pi;}}}u(1+u^2)e^{-u^2/2}]u_z\}\end{array}---\left(10\right)$

对式(10)两边求时间得导数可得磁场变化率：

$\frac{\&PartialD;h}{\&PartialD;t}=\frac{{\mathrm{mu}}^3}{4\sqrt{2}{\mathrm{\&pi;}}^{3/2}{r}^{3}t}[u^2\&times;(\frac{\mathrm{xz}}{r^2}{u}_x+\frac{\mathrm{yz}}{r^2}{u}_y+\frac{z^2}{r^2}{u}_z)+(2-u^2)u_z]e^{-u^2/2}---\left(11\right)$

其中： $\mathrm{\&theta;}={\left(\frac{\mathrm{\&mu;\&sigma;}}{4t}\right)}^{1/2},u=\sqrt{2}\mathrm{\&theta;r},r=\sqrt{x^2+y^2+z^2}$

求解边长半径为a的圆形发射回线在电流瞬间关断后产生的磁场，需将式(10)、(11)沿回线路径进行面积积分。设发射回线敷设于xoy平面，则由其产生的磁场及其时间导数分别为：

式中，l为回线源的边所围成的闭曲线。

设偶极子位于点(x,y,0)，接收点为(x₀,y₀,z₀)，则

特殊地，当在发射线圈中心处接收，即接收点坐标为(0,0,z₀)时

$\frac{\&PartialD;h}{\&PartialD;t}=\frac{{\mathrm{\&theta;}}^3}{\sqrt{\mathrm{\&pi;}}t}{a}^2{e}^{-{\mathrm{\&theta;}}^2(a^2+z_0^2)}---\left(14\right)$

令，将作泰勒展开，由此可以得到地面-坑道瞬变电磁晚期视电阻率的定义：

${\mathrm{\&rho;}}_s=\frac{\mathrm{\&mu;}}{4t}{\left(\frac{\sqrt{\mathrm{\&pi;}}t\&PartialD;h/\&PartialD;t}{a^2}\right)}^{-2/3}---\left(15\right)$

式中a为圆形发射线圈的半径。

将经过视电阻率转换后所得到的视电阻率数据进行数据保存；

(3)数据的成图显示：由于数据采集所采集到的数据是不同工作面、不同巷道内不同方向的数据，所以采集到的数据具有空间特性，在进行二维成图的同时还可以进行三维图示。所以数据的成图显示包含二维图形、三维显示两部分，使得解释更具可靠性；

(4)数据对比与数据解释：中央总控制台将成图显示的数据与存储的水文地质资料进行对比，同时提取以前在该地区所测得的数据进行比较，划分出异常区域，找出多层采空区的顶底面边界和范围；对比过程具体为：

Ⅰ、根据矿山已知的水文地质资料采空区域、巷道布置、导含水构造与步骤(3)得到的三维数据体相互对应，确定采空区域在三维数据体表现特征；

Ⅱ、根据这些表现特征，对三维数据体中的其他部分进行解析，反满足采空特征的部分可标定位疑似采空区，并确定其纵向与横向边界；与前期在该矿区所得的数据进行比较，对该区具有采空区部分的顶底板及掘进前方的稳定性进行评估，起到预警的作用；

Ⅲ、从而得到工区探测范围内的采空区的空间分布资料；

(5)将最终处理好的数据进行存储，用于与以后所采集得到的数据进行对比，同时进行动态显示，可以预测巷道掘进过程或煤层回采过程中的突水状况，为煤矿的正常生产提供安全保障。

Claims (2)

1.一种多层采空区地面-巷道瞬变电磁探测方法，该方法包括数据采集和数据处理部分，其特征在于：

A、所述的数据采集过程包括以下部分：

(1)中央总控制台与信号传输系统的设置：中央总控制台与信号传输系统设置于地面，中央总控制台用于总体的宏观调度与维护，信号传输系统用于传输中央总控制台发出的讯息，中央总控制台通过信号传输系统，对地面信号发射线圈、地下信号三分量接收探头进行控制；

(2)地面信号发射线圈的布设：地面信号发射线圈设置在矿区的地平面上，并利用矿区地面的高压电线杆进行布设，使地面信号发射线圈覆盖整个矿区，通过中央总控制台进行控制，使地面信号发射线圈产生电磁信号，在整个矿区向地下发射电磁信号；

(3)地下信号三分量接收探头的布设：地下信号三分量接收探头分别设置于工作面巷道各个工作位置，相邻两个地下信号接收探头之间距离为5～30米，三分量接收探头能同时接收井下XYZ三个方向的信号，可对探头所在水平的上部采空区和下部采空区进行探测并划分，同时还可以对探头所在水平的采空区进行探测并划分；

(4)地下数据采集站：地下信号采集站与三分量接收探头布置于相同的巷道内，多个地下信号三分量接收探头共用一个地下信号采集站，地下数据采集站将地下信号三分量接收探头接收到的信号通过信号线缆进行采集；

(5)各个地下数据采集站通过信号传输系统将接收到的电磁信号传递给中央总控制台，完成数据的采集工作；

B、所述的数据处理过程包含以下部分：

(1)数据的初步处理：将传输至中央总控制台的数据进行格式转换和初步的滤波处理，提取不同方向的信号分量；

(2)数据的视电阻率转换：通过视电阻率转换公式进行视电阻率转换，具体公式为适用于多层采空区地面-巷道瞬变电磁探测方法的瞬变电磁转换公式，经过简化得到的晚期视电阻转换公式为：

${\mathrm{\&rho;}}_s=\frac{\mathrm{\&mu;}}{4t}{\left(\frac{\sqrt{\mathrm{\&pi;}}t\&PartialD;h/\&PartialD;t}{a^2}\right)}^{-2/3}$

式中a为圆形发射线圈的半径；

(3)数据的成图显示：中央总控制台将转换后的数据通过显示设备进行显示，由于数据采集所采集到的数据是不同工作面、不同巷道内不同方向的数据，所以采集到的数据具有空间特性，在进行二维成图的同时还可进行三维图示；

(4)数据对比：中央总控制台将成图显示的数据与存储的水文地质资料进行对比，划分出异常区域，找出多层采空区的顶底面边界和范围；

(5)将最终处理好的数据进行存储，与不同时段所采集得到的数据进行对比，实现动态监测过程，及时进行预警预报。

2.如权利要求1所述的多层采空区地面-巷道瞬变电磁探测方法，其特征在于，所述的相邻两个地下信号接收探头之间相距10米。