CN104714254A - 一种基于瞬变电磁法探测煤矿积水采空区的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种基于瞬变电磁法探测煤矿积水采空区的方法和装置，涉及地质与地球物理领域，包括：获得各个探测点表层电阻率实测值，并将所述各个探测点表层电阻率实测值作为地形校正时的标准电阻率；根据每个探测点的标准电阻率，针对每个探测点计算地形校正系数；根据每个探测点的标准电阻率和地形校正系数，得到每个探测点的校正后的视电阻率值。采用本发明的校正方法，资料处理解释中增加的工作量很小，且无引入误差。并且在山地探测中无须进行地形判断，即可进行视电阻率值的校正。

Description

一种基于瞬变电磁法探测煤矿积水采空区的方法和装置

技术领域

本发明涉及地质与地球物理领域，尤其涉及一种基于瞬变电磁法探测煤矿积水采空区的方法和装置。

背景技术

煤炭资源的浅部资源开采已进入尾声，目前已进入深部开采。煤矿井下积水采空区积水问题突出，一些地区采空区强富水性严重威胁着煤矿的安全生产。准确探测煤矿采空区水文地质条件对煤矿井安全开采具有极其重要的指导意义和实际应用价值。瞬变电磁法(TEM，Transient Electromagnetic Method)是一种常见的基于电磁感应的地球物理方法，能够提供地下地电信息。具有对低阻体灵敏、体积效应小、施工效率高等优点，成为煤田水文地质勘探的首选电磁勘探手段。

常规的瞬变电磁探测技术是利用不接地回线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。通过分析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。常常采用相对比较简单的方法进行资料处理解释。

但是，当在地面进行瞬变电磁法探测时，会遇到很多复杂的探测环境，如地形起伏、新生界低阻层覆盖、电磁干扰等区域，所以，开展瞬变电磁法的有效性探测研究十分必要。

现有地形影响校正方法要解决的技术问题主要包括：

(1)在模拟纯地形响应时，需要确定原本是非均匀大地的电阻率。取表层电阻率作为均匀半空间电阻率并不总是可行。即使最高频率或最早时道没有穿透表层，低频或晚时道也将穿透表层甚至几层地层。风化、冲蚀等作 用使基岩出露造成的地表或近地表不均匀性，恰恰是山地电磁勘探中经常遇到的。因此，将实际地质结构转化成均匀大地时，不可避免地引入了误差，影响校正效果，有时甚至得到错误的结果，误导了电磁勘探的资料解释工作；

(2)纯地形影响的数值模拟计算量巨大，场源和测点之间的地带都在计算区域之内，对计算机的内存容量和计算速度要求极高，模型建立过程繁琐。电磁勘探的数值仿真、特别是人工源电磁勘探的数值仿真软件还未达到实用程度，尚未成为电磁勘探仪器数据处理解释的标准配置。应用比值法进行地形影响校正还受到许多限制、普遍性地应用还尚待时日；

(3)纯地形响应模拟需要较为详尽的地形高程数据。电磁勘探中一般只对测点进行大地测量，当测点比较稀疏时，需要增加额外的测量工作量。由此增加的、包括时间在内的人力物力成本，往往成为地形校正的障碍。

在煤田电磁法勘探中，勘探目的层或目标体上方往往存在低阻层，大部分地表都被低阻的第四系沉积层覆盖，且沉积层厚度较大，一般在100m，有些地区可达400--600m。由于可以在地面上观测到较强的信号，往往忽视了低阻层对瞬变电磁勘探的影响。当对积水采空区进行精细探测时，很有必要研究低阻覆盖层与电磁场之间的相互作用关系，对于在该地区采用电磁勘探中进行施工设计、参数选择，确保勘探深度，提高探测精度等都具有重要意义。

发明内容

本发明为了解决复杂环境下煤矿积水采空区有效探测问题，提出一种基于瞬变电磁法探测煤矿积水采空区的方法和装置。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于瞬变电磁法探测煤矿积水采空区的方法，包括：

获得各个探测点表层电阻率实测值，并将所述各个探测点表层电阻率实测值作为地形校正时的标准电阻率；

根据每个探测点的标准电阻率，针对每个探测点计算地形校正系数；

根据每个探测点的标准电阻率和地形校正系数，得到每个探测点的校正 后的视电阻率值。

优选地，获得各个探测点表层电阻率实测值包括：

通过小极矩直流电阻率法获得各个探测点表层电阻率实测值ρ_standand(i)，其中，i表示测线上的第i个探测点。

优选地，根据每个探测点的标准电阻率，针对每个探测点计算地形校正系数包括：

测线上的第i个探测点第j个时间道的地形校正系数C(i，j)为：

$C(i,j)=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{measured}}(i,1)/{\mathrm{\ρ}}_{s\tan \mathrm{dard}}\left(i\right)-1}{t\left(N\right)-t\left(1\right)}\[t\left(j\right)-t\left(1\right)\]+1$

其中，i：探测点号，表示测线上的第i个探测点，i＝1，2，……，M，M为正整数，表示探测点总数；

j：时间道号，表示探测点时间道序号，j＝1，2，……，N，N为正整数，表示时间道总数；

t(j)：表示时间道；

ρ_measure(i，1)：表示根据瞬变电磁法测量的数据得到的第i个探测点第1个时间道的道视电阻率。

优选地，根据每个探测点的标准电阻率和地形校正系数，得到每个探测点的校正后的视电阻率值包括：

测线上的第i个探测点第j个时间道的地形校正系数乘以测线上的第i个探测点第j个时间道实测数据的视电阻率值，得到测线上的第i个探测点第j个时间道的校正后的视电阻率值。

优选地，测线上的第i个探测点第j个时间道实测数据的视电阻率值是：

根据瞬变电磁法测量的数据得到的第i个探测点第j个时间道的道视电阻率。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于瞬变电磁法探测煤矿积水采空区的装置，包括：

采集模块，用于获得各个探测点表层电阻率实测值，并将所述各个探测 点表层电阻率实测值作为地形校正时的标准电阻率；

计算模块，用于根据每个探测点的标准电阻率，针对每个探测点计算地形校正系数；

校正模块，用于根据每个探测点的标准电阻率和地形校正系数，得到每个探测点的校正后的视电阻率值。

优选地，采集模块获得各个探测点表层电阻率实测值是指：

通过小极矩直流电阻率法获得各个探测点表层电阻率实测值ρ_standand(i)，其中，i表示测线上的第i个探测点。

优选地，计算模块根据每个探测点的标准电阻率，针对每个探测点计算地形校正系数是指：

测线上的第i个探测点第j个时间道的地形校正系数C(i，j)为：

$C(i,j)=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{measured}}(i,1)/{\mathrm{\ρ}}_{s\tan \mathrm{dard}}\left(i\right)-1}{t\left(N\right)-t\left(1\right)}\[t\left(j\right)-t\left(1\right)\]+1$

其中，i：探测点号，表示测线上的第i个探测点，i＝1，2，……，M，M为正整数，表示探测点总数；

j：时间道号，表示探测点时间道序号，j＝1，2，……，N，N为正整数，表示时间道总数；

t(j)：表示时间道；

ρ_measure(i，1)：表示根据瞬变电磁法测量的数据得到的第i个探测点第1个时间道的道视电阻率。

优选地，校正模块根据每个探测点的标准电阻率和地形校正系数，得到每个探测点的校正后的视电阻率值是指：

测线上的第i个探测点第j个时间道的地形校正系数乘以测线上的第i个探测点第j个时间道实测数据的视电阻率值，得到测线上的第i个探测点第j个时间道的校正后的视电阻率值。

优选地，测线上的第i个探测点第j个时间道实测数据的视电阻率值是：

根据瞬变电磁法测量的数据得到的第i个探测点第j个时间道的道视电 阻率。

与现有技术相比，本发明的方法和装置，当在地形起伏环境下探测量，对观测数据进行地形校正，采用小极矩直流电阻率法获得表层电阻率值，作为无地形影响的标准电阻率，以此构造新的校正方式；在不能确定地形是否已经对观测数据造成影响的情况下，采用本发明的校正方法，资料处理解释中增加的工作量很小，且无引入误差。并且在山地探测中无须进行地形判断，即可进行视电阻率值的校正。

附图说明

图1为本发明实施例的一种基于瞬变电磁法探测煤矿积水采空区的方法的流程图；

图2为本发明实施例的一种基于瞬变电磁法探测煤矿积水采空区的装置的结构示意图；

图3为本发明实施例一的实测TEM测线的地形剖面图；

图4为本发明实施例一的校正前的TEM视电阻率剖面图；

图5为本发明实施例一的校正后的TEM视电阻率剖面图；

图6为本发明实施例二的无低阻覆盖层瞬变电场时刻等值线图；

图7为本发明实施例二的存在低阻覆盖层瞬变电场时刻等值线图；

图8为本发明实施例三的实测感应电压衰减曲线图；

图9为本发明实施例三的回线源煤矿区干扰环境下的实测剖面图；

图10为本发明实施例三的电性源煤矿区干扰环境下的实测剖面图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

瞬变电磁法的显著特点是测量纯二次场信号，这是一个随时间衰减的信 号，有着很大的动态范围。因此往往容易受到来自仪器本身和外部的电磁噪声的干扰，这直接影响了观测数据的质量及反演解释计算的顺利进行。常常采用滤波、小波去噪、多次迭加等多种手段对干扰信号进行制，但是当对于深部目标体探测时效果有限。由于接地源瞬变电磁法具有强大发送电流，所以在干扰矿区采用接地源瞬变电磁法代替回线源瞬变电磁法，可以获得较大相的信噪比和较好的探测效果。

如图1所示，本发明实施例提供一种基于瞬变电磁法探测煤矿积水采空区的方法，包括：

A、获得各个探测点表层电阻率实测值，并将所述各个探测点表层电阻率实测值作为地形校正时的标准电阻率；

B、根据每个探测点的标准电阻率，针对每个探测点计算地形校正系数；

C、根据每个探测点的标准电阻率和地形校正系数，得到每个探测点的校正后的视电阻率值。

其中，步骤A是通过小极矩直流电阻率法获得各个探测点表层电阻率实测值ρ_standand(i)，各个探测点表层电阻率实测组成无地形影响的表层电阻率值，其中，i表示测线上的第i个探测点。

其中，步骤B中，测线上的第i个探测点第j个时间道的地形校正系数C(i，j)为：

$C(i,j)=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{measured}}(i,1)/{\mathrm{\ρ}}_{s\tan \mathrm{dard}}\left(i\right)-1}{t\left(N\right)-t\left(1\right)}\[t\left(j\right)-t\left(1\right)\]+1$

其中，i：探测点号，表示测线上的第i个探测点，i＝1，2，……，M，M为正整数，表示探测点总数；一般情况，探测点从左至右编号；

j：时间道号，表示探测点时间道序号，j＝1，2，……，N，N为正整数，表示时间道总数；一般情况，时间道从早期向晚期编号；

t(j)：表示时间道；

ρ_measure(i，1)：表示根据瞬变电磁法测量的数据得到的第i个探测点第1个时间道的道视电阻率。

其中，步骤C中测线上的第i个探测点第j个时间道的地形校正系数乘以测线上的第i个探测点第j个时间道实测数据的视电阻率值，得到测线上的第i个探测点第j个时间道的校正后的视电阻率值。

测线上的第i个探测点第j个时间道实测数据的视电阻率值是：

根据瞬变电磁法测量的数据得到的第i个探测点第j个时间道的道视电阻率。

为适合现场实时数据处理的需要，本发明实施例可以简便、快速的进行地形比值校正，不需要将具有复杂地质结构的大地转换成均匀大地，避免了转换过程中的引入误差，地形影响校正仅去除了地形影响、保留了地质结构的响应，提高了校正效果；也无需进行巨大运算量的数值模拟，省却了繁琐的模型建立过程，因此，除了测点以外，无须额外的地形高程测量。为比值法地形校正成为电磁勘探仪器的标准配置、数据处理解释软件创造了条件。在不能确定地形是否已经对观测数据造成影响的情况下，采用本发明实施例的方法，资料处理解释中增加的工作量很小，且无引入误差。可以在山地探测中无须进行地形判断，即可进行视电阻率值的校正。

如图2所示，本发明实施例还提供一种基于瞬变电磁法探测煤矿积水采空区的装置，其特征在于：包括：

采集模块，用于获得各个探测点表层电阻率实测值，并将所述各个探测点表层电阻率实测值作为地形校正时的标准电阻率；

计算模块，用于根据每个探测点的标准电阻率，针对每个探测点计算地形校正系数；

校正模块，用于根据每个探测点的标准电阻率和地形校正系数，得到每个探测点的校正后的视电阻率值。

其中，采集模块具体用于：

通过小极矩直流电阻率法获得各个探测点表层电阻率实测值ρ_standand(i)，其中，i表示测线上的第i个探测点。

计算模块具体用于：

测线上的第i个探测点第j个时间道的地形校正系数C(i，j)为：

$C(i,j)=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{measured}}(i,1)/{\mathrm{\ρ}}_{s\tan \mathrm{dard}}\left(i\right)-1}{t\left(N\right)-t\left(1\right)}\[t\left(j\right)-t\left(1\right)\]+1$

其中，i：探测点号，表示测线上的第i个探测点，i＝1，2，……，M，M为正整数，表示探测点总数；

j：时间道号，表示探测点时间道序号，j＝1，2，……，N，N为正整数，表示时间道总数；

t(j)：表示时间道；

ρ_measure(i，1)：表示根据瞬变电磁法测量的数据得到的第i个探测点第1个时间道的道视电阻率。

校正模块具体用于：

测线上的第i个探测点第j个时间道的地形校正系数乘以测线上的第i个探测点第j个时间道实测数据的视电阻率值，得到测线上的第i个探测点第j个时间道的校正后的视电阻率值。

测线上的第i个探测点第j个时间道实测数据的视电阻率值是：

根据瞬变电磁法测量的数据得到的第i个探测点第j个时间道的道视电阻率。

实施例一

以某矿区实际观测数据为例，说明本发明专利地形改正的效果。采用的中心回线装置参数为：发射线框600m×600m、接收线圈等效面积100m²，观测时长30ms。图3为本发明实施例一的实测TEM测线的地形剖面图；图4为本发明实施例一的校正前的TEM视电阻率剖面图；其中表示t＝0.318ms、t＝0.504ms、t＝1.005ms等3个时间道的曲线。从图4中可以明显看出，t＝0.318ms、t＝0.504ms、t＝1.005ms等三个时间所对应的视电阻率等值线受地形影响较为严重。

图5为本发明实施例一的校正后的TEM视电阻率剖面图；由图5可知，实测TEM视电阻率除了纯地形响应外，还耦合了地质结构本身的变化。但是地形影响校正仅去除地形影响，并保留地质结构响应，这种新的校正方法取得了较好的效果。

实施例二

低阻层对瞬变电磁探测是屏蔽层，上覆低阻层减小了瞬变电磁场的扩散速度、屏蔽了场，当电磁场穿过时，速度大大降低。当低阻层覆盖在积水采空区之上时，要探测同样的深度需要更长的观测时间，对仪器的灵敏度和信噪比有更高的要求。同时现场施工时应选择合理的设计参数。

下面是某煤矿简化地电模型的仿真计算结果。假定均匀半空间电阻率为50m，积水采空区二维低阻异常体电阻率为5m，竖直异常体宽30m、高120m、顶部埋深400m，如图6和7所示。图中+1和-1分别表示无限长电流发射线框的正源和负源。图6为观测时间3ms时无低阻覆盖层瞬变电场时刻等值线图；此时电磁场已扩散到了地下1200m以下。图7是在图6的均匀半空间上面置入厚200m、电阻率为20m的覆盖层后，观测时间仍为3ms，此时场才扩散(或传播)到地下600m的深度。

这说明上覆低阻层减小了瞬变电磁场的扩散速度、屏蔽了场，在同样的观测时内，电磁场穿透深度较小；当低阻层覆盖在积水采空区之上时，要探测同样的深度需要更长的观测时间。大部分电磁场能量在表层聚集和损耗，在此类地区进行瞬变电磁勘探时，应充分考虑低阻屏蔽层的影响，在施工设计时应选择较长的观测时窗以保证探测深度。

实施例三

在矿区电磁干扰情况下，由于深部积水采空区目标体的信号比较弱，实现对其有效探测受到一定的限制。加大发送电流以提高发送磁矩是提高信噪比的又一途径。回线源由于场的对称抵消性导致信号能量衰减较快，而电性源信号能量衰减比较慢，可在更长的时间内衰减至噪声水平。由于接地源瞬变电磁法具有强大发送电流，所以在干扰矿区采用接地源瞬变电磁法代替回线源瞬变电磁法可以获得较大的信噪比和比较好的效果。

图8是某煤矿区干扰环境下的实测数据曲线对比，实线代表回线源装置衰减曲线，虚线代表电性源短偏移装置衰减曲线.回线源装置参数：回线边 长为200m×200m，发射电流I＝5A，接收探头有效面积为2000m²，最晚时间道为0.017392s，叠加次数256次；电性源装置参数：发射源长度AB＝500m，收发距r＝500m，发射电流14A，接收探头有效面积40000m²，最晚时间道为0.04491721s。

从观测曲线质量上对比可知，回线源衰减曲线尾支发生抖动，噪声干扰较为严重，衰减失真；电性源电压曲线尾枝衰减正常，有用时间道更晚，并且曲线仍然较为光滑，数据可靠。

图9和图10是两种装置的实测视电阻率等值线断面图，经过计算回线源有效探测深度在300m左右，而电性源可以达到600m左右。从图9可以看出，在从240m往下，虽然可以看出一明显的低阻层，视电阻电阻率曲线不再平缓变化，出现区域性的弯曲和圈闭。但是视电阻率失真，这是由于回线源衰减曲线的尾枝被噪声电平淹没所造成的。从回线源所测结果我们仅能判断出采空区的上界，对下界以及下伏地层的信息无从得知。图10是电性源实测视电阻率等值线断面图，电性源装置最大的优势在于其更大的探测深度，衰减较慢的信号和更长的测量时间道可以让电磁信号穿透更深的地层。图10对300m以下的地层也作出了描述，可以看出低阻带的下界在380m左右，随后电阻率逐渐升高，可以将下伏地层分为两个较明显的层。第一层是从380m到450m，电阻率在60～85Ω·m之间，地层向小号点方向倾斜，角度大约在10°左右，推测该层主要为石炭系铝质泥岩和石灰岩；第二层是从450m到600m，电阻率较高，在85～130Ω·m之间，地层较为平缓，推测该层主要为奥陶系泥灰岩。

从观测剖面深度上看对比可知，回线源受噪声干扰探测深度较小，电性源曲线质量好，深部剖面数据可靠。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，仅仅参照较佳实施例对本发明进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于瞬变电磁法探测煤矿积水采空区的方法，其特征在于：包括：

获得各个探测点表层电阻率实测值，并将所述各个探测点表层电阻率实测值作为地形校正时的标准电阻率；

根据每个探测点的标准电阻率，针对每个探测点计算地形校正系数；

根据每个探测点的标准电阻率和地形校正系数，得到每个探测点的校正后的视电阻率值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：获得各个探测点表层电阻率实测值包括：

通过小极矩直流电阻率法获得各个探测点表层电阻率实测值ρ_standand(i)，其中，i表示测线上的第i个探测点。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：根据每个探测点的标准电阻率，针对每个探测点计算地形校正系数包括：

测线上的第i个探测点第j个时间道的地形校正系数C(i，j)为：

$C(i,j)=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{measured}}(i,1)/{\mathrm{\ρ}}_{s\tan \mathrm{dard}}\left(i\right)-1}{t\left(N\right)-t\left(1\right)}[t\left(j\right)-t\left(1\right)]+1$

其中，i：探测点号，表示测线上的第i个探测点，i＝1，2，……，M，M为正整数，表示探测点总数；

j：时间道号，表示探测点时间道序号，j＝1，2，……，N，N为正整数，表示时间道总数；

t(j)：表示时间道；

ρ_measure(i，1)：表示根据瞬变电磁法测量的数据得到的第i个探测点第1个时间道的道视电阻率。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：根据每个探测点的标准电阻率和地形校正系数，得到每个探测点的校正后的视电阻率值包括：

测线上的第i个探测点第j个时间道的地形校正系数乘以测线上的第i个探测点第j个时间道实测数据的视电阻率值，得到测线上的第i个探测点第j个时间道的校正后的视电阻率值。

5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于：测线上的第i个探测点第j个时间道实测数据的视电阻率值是：

根据瞬变电磁法测量的数据得到的第i个探测点第j个时间道的道视电阻率。

6.一种基于瞬变电磁法探测煤矿积水采空区的装置，其特征在于：包括：

采集模块，用于获得各个探测点表层电阻率实测值，并将所述各个探测点表层电阻率实测值作为地形校正时的标准电阻率；

计算模块，用于根据每个探测点的标准电阻率，针对每个探测点计算地形校正系数；

校正模块，用于根据每个探测点的标准电阻率和地形校正系数，得到每个探测点的校正后的视电阻率值。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于：采集模块获得各个探测点表层电阻率实测值是指：

通过小极矩直流电阻率法获得各个探测点表层电阻率实测值ρ_standand(i)，其中，i表示测线上的第i个探测点。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于：计算模块根据每个探测点的标准电阻率，针对每个探测点计算地形校正系数是指：

测线上的第i个探测点第j个时间道的地形校正系数C(i，j)为：

$C(i,j)=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{measured}}(i,1)/{\mathrm{\ρ}}_{s\tan \mathrm{dard}}\left(i\right)-1}{t\left(N\right)-t\left(1\right)}[t\left(j\right)-t\left(1\right)]+1$

其中，i：探测点号，表示测线上的第i个探测点，i＝1，2，……，M，M为正整数，表示探测点总数；

j：时间道号，表示探测点时间道序号，j＝1，2，……，N，N为正整数，表示时间道总数；

t(j)：表示时间道；

ρ_measure(i，1)：表示根据瞬变电磁法测量的数据得到的第i个探测点第1个时间道的道视电阻率。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于：校正模块根据每个探测点的标准电阻率和地形校正系数，得到每个探测点的校正后的视电阻率值是指：

测线上的第i个探测点第j个时间道的地形校正系数乘以测线上的第i个探测点第j个时间道实测数据的视电阻率值，得到测线上的第i个探测点第j个时间道的校正后的视电阻率值。

10.如权利要求8或9所述的装置，其特征在于：测线上的第i个探测点第j个时间道实测数据的视电阻率值是：

根据瞬变电磁法测量的数据得到的第i个探测点第j个时间道的道视电阻率。