CN107290792B - 一种基于钻孔的煤矿井下孔中电磁波透视方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种孔中电磁波透视方法，属于地球物理勘探技术领域,具体是涉及一种基于钻孔的煤矿井下孔中电磁波透视方法。本发明将发射和接收设备同时送入巷道的前方，观测系统与探测异常体达到了最佳的位置耦合，大大增强了二次信号在总体测量信号中的占比值，提高了探测准确性。

Description

一种基于钻孔的煤矿井下孔中电磁波透视方法

技术领域

本发明涉及一种孔中电磁波透视方法，属于地球物理勘探技术领域,具体是涉及一种基于钻孔的煤矿井下孔中电磁波透视方法。

背景技术

煤矿掘进巷道超前探测问题一直是煤矿井下物探工作的一个重点方向，目前所运用的一些方法都在巷道后方进行施工，这种施工方式的限制带来了两方面的缺陷：第一，探测装置位于巷道中，巷道中已有的金属器械、设备对信号采集过程有较大干扰，不利于后期数据的解释，降低采集信号信噪比；第二，探测装置距离所要探测的异常目标体距离远，异常体产生的电磁信号在总体接收信号中所占据的比例小，不利于异常体的发现。采用超前探放水钻孔对孔间地质情况进行探查，有效规避这两方面的缺点，能获取更高质量的信号，更利于对前方地质情况做出准确判别。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的超前探测施工均在掌子面后方进行，接收电磁信号容易受到电磁干扰的技术问题，提供了一种基于钻孔的煤矿井下孔中电磁波透视方法。该方法将接收探头放置于钻孔中，大大减小了环境噪声对采集数据的干扰。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种基于钻孔的煤矿井下孔中电磁波透视方法，包括以下步骤：

钻孔施工步骤，在巷道前方施工至少两个钻孔，在钻孔中设置发射探头及接收探头；

透视探测步骤，在一个钻孔内发射电磁波，在另一个钻孔内逐点接收；改变发射点位置，再次进行发射接收，完成透视流程；

数据处理步骤，对采集到的数据进行处理，形成二维单孔探测结果。

优化的，上述的一种基于钻孔的煤矿井下孔中电磁波透视方法，所述数据处理步骤包括:

圆滑处理子步骤，参照电磁波在巷道内接收的标准曲线形态对数据进行圆滑处理，对跳跃接收点数据进行小幅调整，确保接收曲线呈开口向下的类“抛物线”；

网格划分子步骤，将待处理区域划分为网格并编号，各网格内包括的待处理数据量相当；

方程构建子步骤，将接收数据对应的发射点与接收点连线所经过的各个网格内线段长度作为反演方程的元素，形成关于该测量数据的一个方程；遍历处理所有接收数据，形成线性方程组；

方程求解子步骤，求解所述线性方程组，获得介质对电磁波的吸收衰减系数。

优化的，上述的一种基于钻孔的煤矿井下孔中电磁波透视方法，所述方程求解子步骤具体包括：

步骤1，对方程组的一行，计算行元素的和，按照每一列元素在和值中所占据的比例分配方程右端的投影值；分配的值暂时作为该列对应的未知数的解；

步骤2，对所有行都进行投影值分配，网格第二次及后续分配的值以加和形式累加到该网格对应的未知数值中；

步骤3，对网格内各次累加数值求平均值，更新结果；

步骤4，以已经得到的未知数的解作为初始解x0，采用稳定的双共轭梯度方法求取新的解x1。

优化的，上述的一种基于钻孔的煤矿井下孔中电磁波透视方法，所述步骤4中，

进行如下变换，x1＝x1*x0/max(x0),x0＝x1,用x0再次进行双共轭梯度的迭代过程，获得x1。

根据权利要求3所述的一种基于钻孔的煤矿井下孔中电磁波透视方法，

优化的，上述的一种基于钻孔的煤矿井下孔中电磁波透视方法，所述钻孔间夹角为60度。

优化的，上述的一种基于钻孔的煤矿井下孔中电磁波透视方法，在布置发射探头和接收探头是，探头的位置在孔口处间距适当放大，在孔底部分间距逐渐缩小。

因此，本发明具有如下优点：

(1)利用已有钻孔，将探测装置推送到迎头前方实现近距离透视，大缩短了异常体与接收装置之间的距离，增强了异常场在接收信号中的比例。

(2)将发射和接收设备同时送入巷道的前方，观测系统与探测异常体达到了最佳的位置耦合，大大增强了二次信号在总体测量信号中的占比值，提高了探测准确性。

附图说明

图1是孔中电磁波透视探测实物示意图。

图2是孔中电磁波透视发射-接收射线分布图；

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

本实施例方法如图1-2所示。

图1简要展示了施工时主机与探头之间的关系，探测过程中，主机部分放置于巷道中，发射、接收探头在钻孔内移动。

图2给出了孔中电磁波透视射线分布图(发射-接收点连线图)，在近孔口端，发射接收点的距离尽量远，在孔底端，发射接收点需加密，以保证钻孔所围区域射线密度均衡。

本实施例的方法具体包括以下步骤：

步骤1，在巷道掘进停止，实施钻探施工时，设计两个呈一定张角(60o左右)，深度60-80m的钻孔，采用孔中施工的方式，真正使得发射、接收靠近待探查区域，在施工方法上是极大的进步。

步骤2，根据设定的钻孔位置和终孔长度，确定发射点，接收点的间距(5m或10m作为参考值)设计观测系统，即确定发射、接收点的位置，间距需要根据实际情况调节，保证发射-接收连线均匀分布于两钻孔所包围的三角形区域内。

步骤3，将发射探头放置于钻孔中，在另一个钻孔内的接收点逐点接收，存储不同接收点的接收场强值。所有发射-接收连线组合起来即构成观测系统图，通常情况下两个钻孔有一定的夹角而非平行，因此发射接收点的设计间距不能按照固定值，需要变动以保证射线均匀分布于探测区域，孔口位置间距适当放大，孔底部分间距逐渐缩小。

步骤4，改变发射点的位置，重复过程(3)，完成单孔透视流程。

其中，步骤3-4中，在施工的两个钻孔中，都设计若干个物理点，在其中一个钻孔内某个物理点上发射，另一钻孔内若干个物理点逐次接收，接收完毕之后发射点更换到下一个物理点，另一个孔内再次进行若干个物理点的接收。

步骤5，对采集到的数据进行处理，按照数据展示、编辑、预处理、CT成像等步骤得到单孔控制范围内的地质信息，形成二维单孔探测成果。

其中，数据处理的具体过程如下：

步骤5.1，对数据进行编辑，参照电磁波在巷道内接收的标准曲线形态对数据进行圆滑处理，人工/自动编辑数据，对跳跃接收点数据进行小幅调整，确保接收曲线呈开口向下的类“抛物线”。电磁波信号强度随距离增大而衰减，近似与距离成反比，一般施工时接收位置相对于发射点有先减小后增大的规律，因此接收曲线应该是类似于‘抛物线形态’。

步骤5.2，建立坐标原点，为所有发射点、接收点确定坐标，找出最小、最大的x坐标和最小、最大的y坐标，以两组坐标值确定矩形范围，按照一定的密度对矩形进行细分，并对网格进行编号。网格密度确定的原则为：所有网格数(未知数的数目)与采集数据量相当。附图2描述的是发射点、接收点之间的连线关系，实际操作中，两个钻孔之间的范围被剖分成了如干个网格，需要保证的是网格的数量与发射-接收连线的条数接近。

步骤5.3，对于每个接收数据，确定发射点和接收点的坐标，计算两点连线所有经过网格的编号值以及连线在该网格编号内的线段长度，将各个网格内线段的长度作为反演方程的元素，形成反演矩阵，将接收数据乘以收-发距离并取对数形成该条射线的投影值，形成关于该测量数据的一个方程。

步骤5.4，对所有数据进行如步骤5.3，的处理，最终形成关联所有数据的线性代数方程组。

步骤5.5，前面步骤完成了测量数据与吸收衰减系数之间的联系。反演方程的左端每一行代表射线经过每个网格的长度乘以该网格吸收衰减系数的求和，右端为投影值，对应观测数据。解决该方程组获得未知数(吸收衰减系数)的值。步骤(4)中形成的方程组常规方法很难求得比较准确稳定的解，需采用迭代方法：

(1)对方程组的一行，计算行元素的和，按照每一列元素在和值中所占据的比例分配方程右端的投影值；分配的值暂时作为该列对应的未知数的解；

(2)对所有行都进行投影值分配，网格第二次及后续分配的值以加和形式累加到该网格对应的未知数值中；

(3)对网格内各次累加数值求平均值，更新结果。由于分配投影值的策略是按照网格内线段的长度所占百分比，最终形成的结果以发射接收连线形成“条带”，分辨率不高，但可确定异常的大致范围，还需要进一步调整。

(4)以已经得到的未知数的解作为长初始解x0。稳定的双共轭梯度法求解时需要提供一个初始解，初始解的结果约接近真实解，迭代收敛过程越快。采用稳定的双共轭梯度方法求取新的解x1,与按线段长度分配投影值不同，稳定的双共轭梯度法以达到预期的均方差为收敛条件，但缺乏对异常区位置的基本判别。对两种结果继续进行如下变换：

用x0再次进行双共轭梯度的迭代过程，获得x1,该操作过程利用按射线分配投影值取得的结果大体正确(对应(1)-(3))和稳定的双共轭梯度法计算结果全局误差小的(对应(4))特点，使得最终得到的吸收衰减系数更准确并与实际情况更加贴近。采用ART(对应(1)-(3))和BICGSTAB(对应(4))两种算法并对结果进行综合是本发明数据处理的重要特点。

采用上述方案后，孔中无线电波透视探测方法突破了传统在巷道后方测量的方式，将探测装置放置于钻孔中，并由推送装置推送到迎头前方，为实现对巷道前方地质异常体的直接二维/三维探测提供了有效手段。为增强探测分辨率，采用30MHz高频探头接收。

实际情况如果存在多个钻孔，开展多孔间透视，可形成三维立体探测，获取前方异常体的三维信息。

要实现准确探测，最为核心的一点是加强探测目标体产生的二次信号在总体测量信号中的百分比。本发明将发射和接收设备同时送入巷道的前方，观测系统与探测异常体达到了最佳的位置耦合，大大增强了二次信号在总体测量信号中的占比值，这种观测方式使得超前探测问题得到根本性解决。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种基于钻孔的煤矿井下孔中电磁波透视方法，其特征在于，包括以下步骤：

钻孔施工步骤，在巷道前方施工至少两个钻孔，在钻孔中设置发射探头及接收探头；透视探测步骤，在一个钻孔内发射电磁波，在另一个钻孔内逐点接收；改变发射点位置，再次进行发射接收，完成透视流程；数据处理步骤，对采集到的数据进行处理，形成二维单孔探测结果；

所述数据处理步骤包括:圆滑处理子步骤，参照电磁波在巷道内接收的标准曲线形态对数据进行圆滑处理，对跳跃接收点数据进行小幅调整，确保接收曲线呈开口向下的类“抛物线”；网格划分子步骤，将待处理区域划分为网格并编号，各网格内包括的待处理数据量相当；方程构建子步骤，将接收数据对应的发射点与接收点连线所经过的各个网格内线段长度作为反演方程的元素，形成关于该测量数据的一个方程；遍历处理所有接收数据，形成线性方程组；方程求解子步骤，求解所述线性方程组，获得介质对电磁波的吸收衰减系数；

所述方程求解子步骤具体包括：步骤1，对方程组的一行，计算行元素的和，按照每一列元素在和值中所占据的比例分配方程右端的投影值；分配的值暂时作为该列对应的未知数的解；步骤2，对所有行都进行投影值分配，网格第二次及后续分配的值以加和形式累加到该网格对应的未知数值中；步骤3，对网格内各次累加数值求平均值，更新结果；步骤4，以已经得到的未知数的解作为初始解x0，采用稳定的双共轭梯度方法求取新的解x1。

2.根据权利要求1所述的一种基于钻孔的煤矿井下孔中电磁波透视方法，其特征在于，所述钻孔间夹角为60度。

3.根据权利要求1所述的一种基于钻孔的煤矿井下孔中电磁波透视方法，其特征在于，在布置发射探头和接收探头时，探头的位置在孔口处间距适当放大，在孔底部分间距逐渐缩小。