CN108828676A - 一种地面-矿井巷道瞬变电磁三分量探测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种地面‑矿井巷道瞬变电磁三分量探测方法。针对倾斜巷道和水平巷道，分别利用大线圈在地表发射大功率信号，并利用磁通门传感器在巷道中接收二次感应场的磁场三分量响应信号，对接收到的磁场三分量信号与矿井地电模型进行对比分析，得出探测结论。在地表利用大线框发射测瞬变电磁信号突破地下空间狭窄的限制，最大限度地提高发射能量，增强异常地质体的地电响应；在巷道中利用小体积的磁通门接收磁场三分量信号，既可以近距离接收勘探目标体地电响应，又可以完整获取勘探目标体地电响应信息。本发明解决了传统矿井瞬变电磁法因发射线圈匝数多、线圈面积小而引起的关断时间长和视电阻率计算结果不符合地电断面特征的问题。

Description

一种地面-矿井巷道瞬变电磁三分量探测方法
技术领域
本发明属于矿井探测技术领域，特别涉及了一种地面-矿井巷道瞬变电磁三分量探测方法。
背景技术
在煤矿突水防治方面，瞬变电磁法得到了广泛的应用，减少了煤矿突水事故的发生，降低了经济损失，保证了生命与财产安全。瞬变电磁法是一种极具发展前景的方法，其对低阻异常反应灵敏，可查明含水地质如岩溶洞穴与通道、煤矿采空区、深部不规则水体等。瞬变电磁法具有探测深度大，对低阻地质体灵敏，与探测目标耦合好，异常响应强，形态简单，分辨能力强等优点。
瞬变电磁法也称时间域电磁法，简称TEM，它是基于水平层状介质理论，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异常体产生的二次涡流场的方法，通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，即感应电压。根据电磁场理论，把测量数据转换成为地层深度与地层电阻率信息，进而得到不同深度的地层地电特征。
传统的矿井瞬变电磁是利用重叠多匝小线圈，在矿井中进行测量。其特点是线圈面积较小，通过增加匝数来达到足够的磁矩，结果导致浅层出现盲区。
发明内容
为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种地面-矿井巷道瞬变电磁三分量探测方法，充分利用地面大线框大功率发射能量强、地下巷道测量点距离勘探目标体近，得到异常地质体较强地电响应并提高其空间分辨能力。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种地面-矿井巷道瞬变电磁三分量探测方法，针对巷道的两种情况：倾斜巷道和水平巷道，分别利用大线圈在地表发射大功率信号，并利用磁通门传感器在巷道中接收二次感应场的磁场三分量响应信号，对接收到的磁场三分量信号与矿井地电模型进行对比分析，得出探测结论。
进一步地，所述磁场三分量响应信号包括磁场垂直分量信号Bz、磁场第一水平分量信号Bx和磁场第二水平分量信号By，所述磁场第一水平分量信号Bx与磁场第二水平分量信号By在水平面上相互垂直。
进一步地，对于倾斜巷道，具体步骤如下：
(a)大线圈在地表发射大功率信号，利用磁通门传感器在巷道中接收二次感应场的磁场三分量响应信号；
(b)对于磁场垂直分量Bz，绘制以测点号为横坐标，磁场振幅为纵坐标的多测道图；
(c)对比矿井地电模型与磁场垂直分量Bz的关系，得出与异常地质体空间位置、几何大小相关的初步结论；
(d)对于磁场第一水平分量Bx，绘制以测点号为横坐标，磁场振幅为纵坐标的多测道图；
(e)对比矿井地电模型与磁场第一水平分量Bx的关系，得出与异常地质体空间位置、几何大小相关的初步结论；
(f)对于磁场第二水平分量By，绘制以测点号为横坐标，磁场振幅为纵坐标的多测道图；
(g)对比矿井地电模型与磁场第二水平分量By的关系，得出与异常地质体空间位置、几何大小相关的初步结论。
进一步地，对于水平巷道，具体步骤如下：
(A)大线圈在地表发射大功率信号，利用磁通门传感器在巷道中接收二次感应场的磁场三分量响应信号；
(B)对于磁场垂直分量Bz，绘制以测点号为横坐标，磁场振幅为纵坐标的多测道图；
(C)对比矿井地电模型与磁场垂直分量Bz的关系，得出与异常地质体空间位置、几何大小相关的初步结论；
(D)对于磁场第一水平分量Bx，绘制以测点号为横坐标，磁场振幅为纵坐标的多测道图；
(E)对比矿井地电模型与磁场第一水平分量Bx的关系，得出与异常地质体空间位置、几何大小相关的初步结论；
(F)对于磁场第二水平分量By，绘制以测点号为横坐标，磁场振幅为纵坐标的多测道图；
(G)对比矿井地电模型与磁场第二水平分量By的关系，得出与异常地质体空间位置、几何大小相关的初步结论。
进一步地，所述大线圈的尺寸范围为100米×100米～300米×300米，匝数为1～4匝，电流大小为5～10A。
采用上述技术方案带来的有益效果：
本发明充分考虑了矿井环境的特点，充分利用了地面大线框发射大磁矩瞬变电磁信号，在巷道内利用磁通门传感器近距离接收异常地质体二次感应场磁场三分量信号的优点，克服了传统矿井瞬变电磁多匝小回线关断时间过长的困难，同时，采集三分量信息解决了现有技术中单分量测量信息不完整的问题。
附图说明
图1是地下巷道倾斜时地面-矿井巷道瞬变电磁三分量探测示意图；
图2是地下巷道倾斜时地面-矿井巷道瞬变电磁响应磁场的垂直分量示意图；
图3是地下巷道倾斜时地面-矿井巷道瞬变电磁响应磁场的垂直分量与矿井地电模型对比图；
图4是地下巷道倾斜时地面-矿井巷道瞬变电磁响应磁场的第一水平分量的示意图；
图5是地下巷道倾斜时地面-矿井巷道瞬变电磁响应磁场的第一水平分量与矿井地电模型对比图；
图6是地下巷道倾斜时地面-矿井巷道瞬变电磁响应磁场的第二水平分量示意图；
图7是地下巷道倾斜时地面-矿井巷道瞬变电磁响应磁场的第二水平分量与矿井地电模型对比图；
图8是地下巷道水平时地面-矿井巷道瞬变电磁三分量探测示意图；
图9是地下巷道水平时地面-矿井巷道瞬变电磁响应磁场的垂直分量示意图；
图10是地下巷道倾斜时地面-矿井巷道瞬变电磁响应磁场的垂直分量与矿井地电模型对比图；
图11是地下巷道水平时地面-矿井巷道瞬变电磁响应磁场的第一水平分量示意图；
图12是地下巷道倾斜时地面-矿井巷道瞬变电磁响应磁场的第一水平分量与矿井地电模型对比图；
图13是地下巷道水平时地面-矿井巷道瞬变电磁响应磁场的第二水平分量示意图；
图14是地下巷道倾斜时地面-矿井巷道瞬变电磁响应磁场的第二水平分量与矿井地电模型对比图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
针对巷道的两种情况——倾斜巷道和水平巷道，分别通过磁场三分量探测，研究总结了瞬变电磁响应信号与地电模型之间的关系,为判断异常地质体的空间位置、几何大小提供了理论依据。
对于倾斜巷道，具体步骤如下：
(a)大线圈在地表发射大功率信号，利用磁通门传感器在巷道中接收二次感应场的磁场三分量响应信号；
(b)对于磁场垂直分量Bz，绘制以测点号为横坐标，磁场振幅为纵坐标的多测道图；
(c)对比矿井地电模型与磁场垂直分量Bz的关系，得出与异常地质体空间位置、几何大小相关的初步结论；
(d)对于磁场第一水平分量Bx，绘制以测点号为横坐标，磁场振幅为纵坐标的多测道图；
(e)对比矿井地电模型与磁场第一水平分量Bx的关系，得出与异常地质体空间位置、几何大小相关的初步结论；
(f)对于磁场第二水平分量By，绘制以测点号为横坐标，磁场振幅为纵坐标的多测道图；
(g)对比矿井地电模型与磁场第二水平分量By的关系，得出与异常地质体空间位置、几何大小相关的初步结论。
图1是地下巷道倾斜时地面-矿井巷道瞬变电磁三分量探测示意图。
图2是地下巷道倾斜时地面-矿井巷道瞬变电磁响应磁场的垂直分量示意图，横坐标是测量点号(与测点位置相对应)，纵坐标是磁场振幅，为多测道图。
图3是地下巷道倾斜时地面-矿井巷道瞬变电磁响应磁场的垂直分量与矿井地电模型对比图。如图所示，倾斜巷道情况下，在地表利用大线圈发射大功率电磁信号，在地下巷道利用磁通门接收的二次场垂直分量Bz与矿井地质模型有很好的对应。
图4是地下巷道倾斜时地面-矿井巷道瞬变电磁响应磁场的第一水平分量的示意图，横坐标是测量点号，纵坐标是磁场振幅，为多测道图。
图5是地下巷道倾斜时地面-矿井巷道瞬变电磁响应磁场的第一水平分量与矿井地电模型对比图。如图所示，倾斜巷道情况下，在地表利用大线圈发射大功率电磁信号，在地下巷道利用磁通门接收的二次场水平分量Bx与矿井地质模型有很好的对应。
图6是地下巷道倾斜时地面-矿井巷道瞬变电磁响应磁场的第二水平分量示意图，横坐标是测量点号，纵坐标是磁场，为多测道图。
图7是地下巷道倾斜时地面-矿井巷道瞬变电磁响应磁场的第二水平分量与矿井地电模型对比图。如图所示，倾斜巷道情况下，在地表利用大线圈发射大功率电磁信号，在地下巷道利用磁通门接收的二次场水平分量By与矿井地质模型有很好的对应，但是与Bz分量和Bx分量相比，By分量值非常弱。
对于水平巷道，具体步骤与倾斜巷道类似。
图8是地下巷道水平时地面-矿井巷道瞬变电磁三分量探测示意图。
图9是地下巷道水平时地面-矿井巷道瞬变电磁响应磁场的垂直分量示意图，横坐标是测量点号，纵坐标是磁场，为多测道图。
图10是地下巷道倾斜时地面-矿井巷道瞬变电磁响应磁场的垂直分量与矿井地电模型对比图。如图所示，倾斜巷道情况下，在地表利用大线圈发射大功率电磁信号，在地下巷道利用磁通门接收的二次场垂直分量Bz与矿井地质模型有很好的对应。
图11是地下巷道水平时地面-矿井巷道瞬变电磁响应磁场的第一水平分量示意图，横坐标是测量点号，纵坐标是磁场，为多测道图。
图12是地下巷道倾斜时地面-矿井巷道瞬变电磁响应磁场的第一水平分量与矿井地电模型对比图。如图所示，倾斜巷道情况下，在地表利用大线圈发射大功率电磁信号，在地下巷道利用磁通门接收的二次场水平分量Bx与矿井地质模型有很好的对应。
图13是地下巷道水平时地面-矿井巷道瞬变电磁响应磁场的第二水平分量示意图，横坐标是测量点号，纵坐标是磁场，为多测道图。
图14是地下巷道倾斜时地面-矿井巷道瞬变电磁响应磁场的第二水平分量与矿井地电模型对比图。如图所示，倾斜巷道情况下，在地表利用大线圈发射大功率电磁信号，在地下巷道利用磁通门接收的二次场水平分量By与矿井地质模型有很好的对应关系；但是与Bz分量和Bx分量相比，By分量值非常弱。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种地面-矿井巷道瞬变电磁三分量探测方法，其特征在于：针对巷道的两种情况：倾斜巷道和水平巷道，分别利用大线圈在地表发射大功率信号，并利用磁通门传感器在巷道中接收二次感应场的磁场三分量响应信号，对接收到的磁场三分量响应信号与矿井地电模型进行对比分析，得出探测结论。
2.根据权利要求1所述地面-矿井巷道瞬变电磁三分量探测方法，其特征在于：所述磁场三分量响应信号包括磁场垂直分量信号Bz、磁场第一水平分量信号Bx和磁场第二水平分量信号By，所述磁场第一水平分量信号Bx与磁场第二水平分量信号By在水平面上相互垂直。
3.根据权利要求2所述地面-矿井巷道瞬变电磁三分量探测方法，其特征在于：对于倾斜巷道，具体步骤如下：
(a)大线圈在地表发射大功率信号，利用磁通门传感器在巷道中接收二次感应场的磁场三分量响应信号；
(b)对于磁场垂直分量Bz，绘制以测点号为横坐标，磁场振幅为纵坐标的多测道图；
(c)对比矿井地电模型与磁场垂直分量Bz的关系，得出与异常地质体空间位置、几何大小相关的初步结论；
(d)对于磁场第一水平分量Bx，绘制以测点号为横坐标，磁场振幅为纵坐标的多测道图；
(e)对比矿井地电模型与磁场第一水平分量Bx的关系，得出与异常地质体空间位置、几何大小相关的初步结论；
(f)对于磁场第二水平分量By，绘制以测点号为横坐标，磁场振幅为纵坐标的多测道图；
(g)对比矿井地电模型与磁场第二水平分量By的关系，得出与异常地质体空间位置、几何大小相关的初步结论。
4.根据权利要求2所述地面-矿井巷道瞬变电磁三分量探测方法，其特征在于：对于水平巷道，具体步骤如下：
(A)大线圈在地表发射大功率信号，利用磁通门传感器在巷道中接收二次感应场的磁场三分量响应信号；
(B)对于磁场垂直分量Bz，绘制以测点号为横坐标，磁场振幅为纵坐标的多测道图；
(C)对比矿井地电模型与磁场垂直分量Bz的关系，得出与异常地质体空间位置、几何大小相关的初步结论；
(D)对于磁场第一水平分量Bx，绘制以测点号为横坐标，磁场振幅为纵坐标的多测道图；
(E)对比矿井地电模型与磁场第一水平分量Bx的关系，得出与异常地质体空间位置、几何大小相关的初步结论；
(F)对于磁场第二水平分量By，绘制以测点号为横坐标，磁场振幅为纵坐标的多测道图；
(G)对比矿井地电模型与磁场第二水平分量By的关系，得出与异常地质体空间位置、几何大小相关的初步结论。
5.根据权利要求1-4中任意一项所示地面-矿井巷道瞬变电磁三分量探测方法，其特征在于：所述大线圈的尺寸范围为100米×100米～300米×300米，匝数为1～4匝，电流大小为5～10A。
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