CN106054258A - 一种磁性源地面‑巷道瞬变电磁超前探测方法 - Google Patents

Abstract

一种磁性源地面‑巷道瞬变电磁超前探测方法，适用于井下安全采煤中使用。其步骤如下：确定磁性源发射的大回线线圈坐标和尺寸大小并铺设在待测区域地面；将发射机与接收机进行石英时钟同步；在巷道布设多个接收探头，直至巷道探测结束；供给发射线圈阶跃电流，地下感应二次涡流场，接收探头接收二次场的信号；重复上述步骤按照相同的距离沿巷道布置，每增加一个接收探头所有的接收探头进行重新一次探测，直到掘进完成；将接收探头探测的数据制成相关图件，通过与预设信息对比得到异常响应区域，判断前方的突水范围。其施工效率高，拓展性强，采用大回线发射观测,与探测目标有最佳耦合，探测性能强，分辨能力强。

Description

一种磁性源地面-巷道瞬变电磁超前探测方法

技术领域

本发明涉及一种超前探测方法，尤其适用于一种井下安全采煤中使用的磁性源地面——巷道瞬变电磁超前探测方法。

背景技术

煤矿矿井突水灾害，严重威胁煤矿的安全生产，给国家和社会带来极为不良的政治影响和财产损失。为此，国家煤矿安全监察局提出了煤矿水害防治“预测预报，有疑必探，先探后掘，先治后采”的十六字原则，加大矿井突水灾害的预防探测力度。目前，矿井突水防治技术已列入国家科技支撑计划和重点科技攻关项目，以指导煤矿安全生产。

探测查明煤矿矿井的水文地质情况，包括导含水通道、断层、陷落柱、老窑采空区等的构造及其富水性情况，以便及时采取治理措施，防止突水事故的发生已成为煤矿亟待解决的水文地质问题。

由于电磁类物探方法对水源灾害引起的地质体电阻率变化反映明显，常用于煤矿水文地质条件探查预报工作。包括地面和井下两类：地面物探，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；矿井物探，主要有矿井直流电法、矿井瞬变电磁法、音频电透视等。上述两类方法已成为现在煤矿水文地质探测预报工作的常规有效手段，在探查精度上仍存在一定问题。

地面物探方法中，由于距离水文地质目标体较远(一般在200～1000m，即煤层埋深)，所以在横向和纵向上的分辨率大大降低，严重影响了勘探精度以及结果的可靠性，因此常用于矿井初期的水文地质普查，而不能解决煤矿工作面回采和巷道掘进过程中遇到的水文地质问题。

矿井物探方法，由于距离探测目标体近，信号响应强，分辨率较高的特点，近些年被广泛用于煤矿的水文探测工作中，但也存在一定不足：①在矿井直流电法勘探中，要完成对一定深度的目标地质体的探测，需要满足电极排列时足够长的测线长度，但是由于矿井可施工巷道长度的限制，有时无法满足勘探深度的要求，同时井下巷道岩石坚硬或存在破碎情况，导致接地电阻较大，电极与岩层的耦合性差，影响了探测结果可靠性；②矿井瞬变电磁法，其理论研究尚不够完善，如多匝小回线线圈的相互感应问题、工作电流不能过大、空间限制线圈尺寸不能过大、全空间效应的影响、探测盲区较大、巷道空间内锚网支架等金属环境的干扰等问题亟待解决，并影响了探测结果的准确性；③矿井音频电法透视对于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，目前在理论上还没有建立起勘探深度与不同频率电磁场间的关系，对于不同地电参数的影响规律还不清楚。

发明内容

发明目的，针对上述技术的不足之处，提供一种方法简单，施工效率高，探测精度高，拓展性强，采用大回线发射观测,与探测目标有最佳耦合，探测性能强，分辨能力强的磁性源地面-巷道瞬变电磁超前探测方法。

发明内容：为实现上述目的，本发明的磁性源地面-巷道瞬变电磁超前探测方法，利用磁性源发射装置、与磁性源发射装置相连的大回线线圈和接收装置，其特征在于包括步骤：

步骤1：选取待勘探巷道，在待勘探巷道上固定磁性源发射装置，根据待勘探的巷道确定磁性源发射的大回线线圈坐标和尺寸大小，将大回线线圈铺设在巷道上方对应的地表上；

步骤2：将磁性源发射装置与接收装置进行石英钟时同步；

步骤3：在待勘探的巷道中的巷道顶板中央处沿巷道走向排列布置接收探头；

步骤4：利用磁性源发射装置向大回线线圈提供阶跃电流，产生感应电磁信号，利用巷道顶板处的接收探头接收二次场的感应电磁信号，根据感应电磁信号获得迎头前方地质体的地电特征；

步骤5：接收探头根据获得的结果进行判断，当获取的地电特征表明工作面前方区域处电压低阻异常，结合预设地质信息资料，从而判断此区域有含水构造，，此时向工作面示警并停止工作面推进；当接收到的地电特征无异常情况，则判断工作面掘进前方安全，工作面推进，掘进继续进行，并间隔距离继续布置接收探头；

步骤6：利用磁性源发射装置向发射线圈提供阶跃电流，再次产生感应电磁信号，前后布置的两个接收探头同时接收感应磁场信号，其中第一个布置的接收探头第二次接收感应磁场信号；

步骤7：重复步骤5和步骤6，以相同的距离沿巷道布置接收探头，每增加一个接收探头，均利用磁性源发射装置向大回线线圈发射阶跃电流，所有已布置的所有接受探头均重新进行一次感应磁场信号的接收，直到掘进完成；

步骤8：根据每次接受探头获得的数据，将所有接收到的感应磁场信号进行汇总处理，并根据汇总处理得到的地质体的地电特征制成地电特征图件，将制成的地电特征图件与比较分析得到异常响应区域，从而判断前方的突水范围。

所述的大回线发射装置采用矩形回线，根据拟勘探的巷道确定矩形回线的坐标，并沿巷道的走向布设，根据拟探测巷道的长度，选取大回线线圈边长的1/3区域面积作为有效勘探面积，由二者确定出回线的具体长度；

所述接收探头为三分量探头，接收来自X轴、Y轴、Z轴三个方向的分量，接收探头安置在巷道的顶板中央处；所述在巷道顶板布置的接收探头之间的间隔为10m；

所述接收探头均进行多次探测，处理过后，选取同一探头的在不同探测时段获得的结果，或选取不同探头在同一探测时间获得的结果，从中对其X分量、Y分量、Z分量分别进行对比分析，得到其中的异常，判定突水区域范围，进行预测预报；

当需要检测巷道某处附近的突水范围时，选取测试区域附近的几个接受探头，并铺设发射线圈，根据接收探头采集的数据圈定被测区域的突水范围。

有益效果：在待测区域上方布置大回线线圈，通过磁性源发射装置通过大回线线圈向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，在地下巷道中利用接收探头采集在地层中的二次涡流场，通过观测二次场的时间及空间分布，可得到不同深度的地电特征，根据其中的低阻异常区域，结合已有的地质资料，可以圈定出异常区域，从而判断地质以及水文地质异常，达到突水预测的目的，其施工效率高，拓展性强，采用大回线发射观测,与探测目标有最佳耦合，探测性能强，分辨能力强；

由于在地面发射电流，不受井下防爆条件和巷道空间的限制，可以提高响应信号强度压制干扰；接收点离目标体更近，较地面电磁方法分辨率更高；

多个接受探头可以确保伴随掘进进行,探测整条巷道,另外每掘进一段距离探测一次,可以实现动态监测,更好预报突水情况,每个探头都进行数据的接受,这样获得大量的信息,可以进行多向的比较,例如,在某次探测中,可以抽取附近几个点的数据进行对比分析,更好圈定突水范围，布置三分量探头，获取有用信息多；

该方法兼具了常规地面和井下方法的优点，又克服了其主要不足，由于井下接收探头可在巷道不同位置不同分量上接收，可以建立覆盖整个巷道的实时预测系统，使预警更有针对性，有效预防矿井突水事故的发生。

附图说明

图1为本发明的地面-井下磁性源瞬变电磁法超前探测装置图；

图2为本发明的工作流程框图；

图3为本发明的发射线圈布置示意图；

图4为本发明的接收探头方向示意图；

图5为本发明的接收探头布置示意图；

图6为本发明的接收探头探测次数说明图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明：

如图1和图2所示，本发明的磁性源地面-巷道瞬变电磁超前探测方法，利用磁性源发射装置、与磁性源发射装置相连的大回线线圈和接收装置，其特征在于包括步骤：

步骤1：选取待勘探巷道，在待勘探巷道上固定磁性源发射装置，根据待勘探的巷道确定磁性源发射的大回线线圈坐标和尺寸大小，将大回线线圈铺设在巷道上方对应的地表上；

步骤2：将磁性源发射装置与接收装置进行石英钟时同步；

步骤3：如图2所示，在待勘探的巷道中的巷道顶板中央处沿巷道走向排列布置接收探头，如图4所示，接收探头为三分量探头，接收来自X轴、Y轴、Z轴三个方向的分量，接收探头安置在巷道的顶板中央处；

步骤4：利用磁性源发射装置向大回线线圈提供阶跃电流，产生感应电磁信号，利用巷道顶板处的接收探头接收二次场的感应电磁信号，根据感应电磁信号获得迎头前方地质体的地电特征；

步骤5：如图5所示，接收探头根据获得的结果进行判断，当获取的地电特征表明工作面前方区域处电压低阻异常，结合预设地质信息资料，从而判断此区域有含水构造，此时向工作面示警并停止工作面推进；当接收到的地电特征无异常情况，则判断工作面掘进前方安全，工作面推进，掘进继续进行，并间隔距离继续布置接收探头，所述在巷道顶板布置的接收探头之间的间隔为10m；使用超前探测方法，通过判断前方的含水构造，预防突水发生，本过程是通过得到的数据判断得到低阻异常体，因为含水地质体呈现低阻响应，所以通过低阻响应研判前方的含水构造，再确定前方安全的情况下，进一步掘进，布设，边掘进边探测；

步骤6：利用磁性源发射装置向发射线圈提供阶跃电流，再次产生感应电磁信号，前后布置的两个接收探头同时接收感应磁场信号，其中第一个布置的接收探头第二次接收感应磁场信号；

步骤7：重复步骤5和步骤6，以相同的距离沿巷道布置接收探头，每增加一个接收探头，均利用磁性源发射装置向大回线线圈发射阶跃电流，所有已布置的所有接受探头均重新进行一次感应磁场信号的接收，直到掘进完成；

步骤8：根据每次接受探头获得的数据，将所有接收到的感应磁场信号进行汇总处理，并根据汇总处理得到的地质体的地电特征制成地电特征图件，将制成的地电特征图件与比较分析得到异常响应区域，从而判断前方的突水范围。

所述的大回线发射装置采用矩形回线，根据拟勘探的巷道确定矩形回线的坐标，并沿巷道的走向布设，根据拟探测巷道的长度，选取大回线线圈边长的1/3区域面积作为有效勘探面积，由二者确定出回线的具体长度。

所述接收探头均进行多次探测，处理过后，选取同一探头的在不同探测时段获得的结果，或选取不同探头在同一探测时间获得的结果，从中对其X分量、Y分量、Z分量分别进行对比分析，得到其中的异常，判定突水区域范围，进行预测预报。

当需要检测巷道某处附近的突水范围时，选取测试区域附近的几个接受探头，并铺设发射线圈，根据接收探头采集的数据圈定被测区域的突水范围。

瞬变电磁法也称时间域电磁法,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。

具体实施工作流程：首先是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,在掘进巷道的正上方矿区地面进行布设,采用大回线装置，增大信号的探测深度，使地面信号发射线圈覆盖整条将要掘进的巷道,通过仪器操作台进行控制,使地面信号发射线圈产生电磁信号,向整个地下巷道发射电磁信号；通过仪器的同步时钟实现与接受探头的同步。如附图所示，对于一个长为1000m的巷道，根据巷道的长度和在大回线边长的1/3为有效面积，确定一个长为3000m、宽为200m的矩形发射线框，因为线圈位于巷道的上方，在其走向方向对应的正上方地面线框的坐标也确定。据此线圈布设在相应位置。

在布置完毕发射线圈后，将发射机与接收机进行石英钟同步，并携带探头进入到拟掘进巷道布置地点。

地下信号三分量探头的布设:地下信号三分量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,三分量探头能同时接收井下X、Y、Z三个方向的信号,随着掘进距离的增加，探头测点随着巷道的推进，沿一定距离等距的布设，与之前布设的三分量探头同时进行接收信号。每五个三分量探头共用一个地下采集站，每个三分量探头接收的数据通过采集站传送至终端。如附图所示，将携带第一个三分量探头布置在拟掘进巷道的起点的顶板中央处。

第一次探测，在发射线圈和三分量探头布置完毕后，供给发射线圈电流，开始第一次探测。探头接收二次场信号。

第二次探测，在掘进进行一段距离后，距离第一个探头10m处，布置第二个三分量探头，第二个三分量探头与第一个三分量探头处于同一水平上，同时，再次供给发射矩形线圈电流，两个三分量探头同时接受感应磁场信号，此时，第一个三分量探头已探测两次。

经过再次掘进一段距离后，在沿巷道走向方向，距离第二个巷道10m处布置第三个三分量探头，探头同样位于顶板中央处，布置完毕后，第三次供给矩形线圈阶跃电流，三个探头同时接收感应磁场信号。此时，第一个探头已探测三次，第二个探头探测两次，第三个探头探测一次。如附图所示，显示出，虚线区域出为掘进后的区域，在掘进进行一段距离后，每10m布置新的探头。

此后随着巷道的掘进，不断重复上述过程，每次增加一个三分量探头，装置就重新探测一次。直至巷道掘进完成。在巷道中一共布置100个三分量探头，一共进行了100次探测，其中，第一个三分量探头探测了100次，第二个三分量探头探测99次，以此三分量探头的次数逐渐递减。通过多次检测，实现在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。

如图6所示，第一个三分量探头，分别进行了1-1、2-1、3-1、4-1、5-1…….n-1,n次探测。

第二个三分量探头，分别进行了2-2、3-2、4-2、5-2、……n-2,n-1次测量，第n个三分量探头，进行了n-n了一次探测。

数据的处理：由于所采集到的原始数据格式不适于处理，将原始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；由于电磁信号是空间分布的，地下信号三分量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。经过处理的数据然后进行视电阻率转换。得到的数据进行下步的解释。

数据的解释：由于数据采集所采集到的数据是巷道内不同位置、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；由于在采集过程中，三分量探头是随着巷道掘进逐渐布设的，在解释中，选取前后排列不同探头的X方向、Y方向、Z方向的数据分别进行对比分析，通过感应电磁信号在不同方向的响应，扩大其探测范围，更好的圈定巷道前方的异常体的位置和大小。此外，按照此种探测方法，接收探头探测接收多次电磁信号，在解释过程中，还可以选取同一测点的前后不同采集时刻的数据进行分析，通过对同一探测点不同时刻的数据的对比分析，分析其不同时段的典型特征，监测在掘进过程中巷道前方的电性特征异常变化情况，动态监测，有效预防突水的发生。在煤矿中，如果煤层中或者拟掘进巷道前方出现含水断层或者含水裂隙，其电性特征表现在电阻率上较周围围岩明显降低，呈现明显的低阻异常。可选取第一个探头测量的数据，取1-1、2-1、3-1、4-1、5-1…….n-1次探测数据进行分析，或者选取6-1、6-2、6-3、6-4、……6-n,n次探测的结果进行分析。如果在巷道的前方出现含水构造，通过分析不同探头在探测巷道在Z方向上电性特征将出现低阻异常。如果异常体出现在巷道的一侧，若确定三分量探头X、Y、Z的正方向，异常位于巷道右侧，会接收到来自X、Y、Z三个方向的低阻异常响应，且X、Y方向的分量会出现正异常，而位于巷道左侧，且X、Y方向的分量会出现负异常。

因此就能通过探头对异常的响应特征，很好的圈定异常的位置。同时探头在采掘过程中采集多次数据，可以实时动态监测巷道的电性特征的变化。结合之前已有的地质资料和钻孔资料，分析探测区域的地质水文情况，并通过本方法对异常体的响应，更好的圈定目标地质异常体的范围和大小。

Claims (6)

1.一种磁性源地面-巷道瞬变电磁超前探测方法，利用磁性源发射装置、与磁性源发射装置相连的大回线线圈和接收装置，其特征在于包括步骤：

步骤1：选取待勘探巷道，在待勘探巷道上固定磁性源发射装置，根据待勘探的巷道确定磁性源发射的大回线线圈坐标和尺寸大小，将大回线线圈铺设在巷道上方对应的地表上；

步骤2：将磁性源发射装置与接收装置进行石英钟时同步；

步骤3：在待勘探的巷道中的巷道顶板中央处沿巷道走向排列布置接收探头；

步骤4：利用磁性源发射装置向大回线线圈提供阶跃电流，产生感应电磁信号，利用巷道顶板处的接收探头接收二次场的感应电磁信号，根据感应电磁信号获得迎头前方地质体的地电特征；

步骤5：接收探头根据获得的结果进行判断，当获取的地电特征表明工作面前方区域处电压低阻异常，结合预设地质信息资料，从而判断此区域有含水构造，，此时向工作面示警并停止工作面推进；当接收到的地电特征无异常情况，则判断工作面掘进前方安全，工作面推进，掘进继续进行，并间隔距离继续布置接收探头；

步骤6：利用磁性源发射装置向发射线圈提供阶跃电流，再次产生感应电磁信号，前后布置的两个接收探头同时接收感应磁场信号，其中第一个布置的接收探头第二次接收感应磁场信号；

步骤7：重复步骤5和步骤6，以相同的距离沿巷道布置接收探头，每增加一个接收探头，均利用磁性源发射装置向大回线线圈发射阶跃电流，所有已布置的所有接受探头均重新进行一次感应磁场信号的接收，直到掘进完成；

步骤8：根据每次接受探头获得的数据，将所有接收到的感应磁场信号进行汇总处理，并根据汇总处理得到的地质体的地电特征制成地电特征图件，将制成的地电特征图件与比较分析得到异常响应区域，从而判断前方的突水范围。

2.根据权利要求1所述的地面-井下磁性源瞬变电磁法超前探测方法，其特征在于：所述的大回线发射装置采用矩形回线，根据拟勘探的巷道确定矩形回线的坐标，并沿巷道的走向布设，根据拟探测巷道的长度，选取大回线线圈边长的1/3区域面积作为有效勘探面积，由二者确定出回线的具体长度。

3.根据权利要求1所述的地面-井下磁性源瞬变电磁法超前探测方法，其特征在于：所述接收探头为三分量探头，接收来自X轴、Y轴、Z轴三个方向的分量，接收探头安置在巷道的顶板中央处。

4.根据权利要求1所述的地面-井下磁性源瞬变电磁法超前探测方法，其特征在于：所述在巷道顶板布置的接收探头之间的间隔为10m。

5.根据权利要求1所述的地面-井下磁性源瞬变电磁法超前探测方法，其特征在于：所述接收探头均进行多次探测，处理过后，选取同一探头的在不同探测时段获得的结果，或选取不同探头在同一探测时间获得的结果，从中对其X分量、Y分量、Z分量分别进行对比分析，得到其中的异常，判定突水区域范围，进行预测预报。

6.根据权利要求1所述的地面-井下磁性源瞬变电磁法超前探测方法，其特征在于：当需要检测巷道某处附近的突水范围时，选取测试区域附近的几个接受探头，并铺设发射线圈，根据接收探头采集的数据圈定被测区域的突水范围。