CN109696710B - 基于多场信息反馈的矿井瞬变电磁自动化观测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多场信息反馈的矿井瞬变电磁自动化观测方法，属于矿山安全综合防治技术领域。其所采用的观测系统包括矿井瞬变电磁探测系统主机、收发线圈及多场信息反馈装置；其观测方法：对多场信息反馈装置进行零点校正，获取多场信息初始值；根据设计探测方案布置瞬变电磁测点，布置常规观测系统，在各个瞬变电磁测点布置所述收发线圈，依次完成瞬变电磁一次场信号的发射与感应二次场信号的接收；采集数据并进行数据处理等步骤。本发明可以更为准确地反映矿井瞬变电磁探测现场环境，通过多场信息瞬变电磁数据的实时反馈与采集保存，实现矿井瞬变电磁井下收发线圈随机摆放、无序测量、自动化观测，提高瞬变电磁探测的效率与分辨率。

Description

基于多场信息反馈的矿井瞬变电磁自动化观测方法
技术领域
本发明属于矿山安全综合防治技术领域，具体涉及一种基于多场信息反馈的矿井瞬变电磁自动化观测方法。
背景技术
瞬变电磁法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地下介质中引起的二次感应涡流场的一种方法。瞬变电磁法按照应用范围包含地面与矿井瞬变电磁法，矿井瞬变电磁法广泛应用于煤矿井下掘进迎头超前、巷道顶底板、工作面顶底板、侧帮水害探测领域，是一种时间域方法。
目前，现有技术中的井下瞬变电磁法探测施工与观测技术存在以下问题：
第一、矿井瞬变电磁法的探测方向均由收发线圈平面的法线方向确定，探测方向的确立、观测系统的设计工作的确立均基于人为摆放确定，角度误差大；
第二、煤矿井下背景电磁场对目前矿井瞬变电磁法的探测精度影响较大，常规探测技术并未考虑背景电磁场对探测结果的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多场信息反馈的矿井瞬变电磁自动化观测方法，其主要应用于矿井瞬变电磁法的探测施工及数据处理，该观测方法可以降低收发天线人为摆放带来的角度误差、探测精度高。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种基于多场信息反馈的矿井瞬变电磁自动化观测方法，其所采用的观测系统包括矿井瞬变电磁探测系统主机、收发线圈及多场信息反馈装置，所述的收发线圈单侧布置所述多场信息反馈装置，所述收发线圈与所述多场信息反馈装置均连接所述矿井瞬变电磁探测系统主机，其特征在于，所述观测方法依次包括以下步骤：
a对多场信息反馈装置进行零点校正，获取多场信息初始值，所述的校正方法及公式为：
定义巷道掘进方向右帮为三维坐标X方向，巷道掘进方向为三维坐标Y方向，巷道顶板正上方为三维坐标Z方向，线圈平面沿XZ平面摆放，线圈边缘平行于巷道顶底板与左右帮，底部放置在巷道底板，以线圈的中心点作为三维坐标零点，定义此时线圈为初始状态，以此状态为基础，按照公式(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)进行相关多场信息的零点校正：
X0＝X＇-a/2 (1)
Y0＝Y＇-b (2)
Z0＝Z＇-c/2 (3)
α0＝α＇ (4)
β0＝β＇ (5)
γ0＝γ＇ (6)
B0＝B＇ (7)
式(1)中：X0为X方向坐标初始值，X＇为X方向位置数据，a为线圈边长；
式(2)中：Y0为Y方向坐标初始值，Y＇为Y方向位置数据，b为线圈平面到巷道迎头的距离；
式(3)中：Z0为Z方向坐标初始值，Z＇为Z方向位置数据，c为线圈位置巷道高度；
式(4)中：α0为X方向旋转角度初始值，α＇为X方向旋转角度；
式(5)中：β0为Y方向旋转角度初始值，β＇为Y方向旋转角度；
式(6)中：γ0为Z方向旋转角度初始值，γ＇为Z方向旋转角度；
式(7)中：B0为背景电磁场初始值，B＇为背景电磁场值；
b、根据设计探测方案布置瞬变电磁测点，布置常规观测系统，在各个瞬变电磁测点布置所述收发线圈，依次完成瞬变电磁一次场信号的发射与感应二次场信号的接收；
c、采集数据，在数据采集的同时，反馈各个测点探测的多场信息，矿井瞬变电磁探测系统主机随时进行提示校正，保存所得到的瞬变电磁探测数据与多场信息数据；
d、数据处理，在数据处理过程中，由保存的瞬变电磁多场信息，校正噪声值，降低背景噪声对探测结果的影响，以测线距离为横坐标，深度为纵坐标，绘制视电阻率等值线断面图；
e、根据探测断面图成果，将低阻异常区域解释为富水异常区。
上述低阻异常区域是指在电阻率断面图中视电阻率相对较低的范围确定的区域，其具体边界需结合地质资料、探测区域的电性特征、背景场情况综合确定，在不存在干扰跳点的情况下，异常区域边界阻值一般不大于最大阻值的1/3。
作为本发明的一个优选方案，步骤b中，常规观测系统的布置方式为：
设计三个横向探测方向，分别为与巷道顶板呈45°夹角向前方顶板探测、顺岩层方向向前方探测及与巷道底板呈45°夹角向前方底板探测，再设计一个纵向探测方向；
每个横向探测方向布置横向探测角度14个，分别是左侧帮180°、165°、150°、135°、120°、105°；正前方左侧90°、右侧90°；右侧帮0°、15°、30°、45°、60°、75°；三个横向探测方向共布置42个探测角度；纵向探测方向布置13个探测角度，分别是顶板180°、165°、150°、135°、120°、105°；正前方90°；底板75°、60°、45°、30°、15°、0°；4个探测方向共计55个探测角度。
作为本发明的另一个优选方案，步骤c中，所述的反馈各个测点探测的多场信息，矿井瞬变电磁探测系统主机随时进行提示校正的具体方法为：
根据收发线圈摆放的状态，由三维陀螺仪装置实时读取收发线圈的三维角度数据、背景电磁场数据、三轴加速度、气压数据、高度数据并进行保存，在系统主机屏幕实时显示三维角度数据、背景电磁场数据、三轴加速度、气压数据、高度数据的状态信息，并进行读取判断；然后根据实时显示的多场信息对现场装置情况与周围环境情况作初步的判断并校正线圈位置姿态，重新核实位置参数，当收发线圈由于人为摆放导致整体不处于同一平面时，系统提示注意收发线圈摆放。
进一步的，步骤d中，所述的背景噪声按照公式(8)进行校正：
Figure GDA0002382583160000031
式(8)中：
V1/I1为在没有噪声干扰条件下，接收线圈接收到的归一化二次电位值；
V2/I2为噪声干扰条件下，接收线圈接收到的归一化二次电位值，其比值为校正系数k，用实际测量结果除以校正系数即可得到校正后的视电阻率值。
进一步的，还可采用超前探测自动化观测系统进行观测，当采用超前自动化观测系统进行观测时，在施工区域布置收发线圈，进行零点校正，获取多场信息初始值，改变收发线圈法线方向，开始进行测量，各个测点方向采集随机无序，矿井瞬变电磁探测系统主机随时对数据采集状态进行提示，同时保存多场信息，实现随机、无序、自动化观测，通过数据处理，以测线距离为横坐标，深度为纵坐标，绘制视电阻率等值线断面图。
进一步的，当采用超前探测自动化观测系统进行矿井瞬变电磁测量时，根据公式(9)、(10)、(11)、(12)、(13)、(14)建立自动化观测系统：
Umn(x,y,z,ρ)＝Pmn(h,ρ) (9)
xmn＝hmn cosθni (10)
ymn＝hmn cosθnj (11)
zmn＝hmn cosθnk (12)
Figure GDA0002382583160000032
Figure GDA0002382583160000033
式(9)中：Pmn为随机测量瞬变电磁扇形剖面第n个测点m时间序列的瞬变电磁信号值，Umn为经过转换计算的自动化观测系统第n个测点m时间序列的瞬变电磁信号值，ρ为电阻率值；
式(10)中：θni为第n个测点与x方向的夹角，由反馈装置读取；
式(11)中：θnj为第n个测点与y方向的夹角，由反馈装置读取；
式(12)中：θnk为第n个测点与z方向的夹角，由反馈装置读取，hmn为第n个测点m时间序列对应的深度值；
式(13)中：s为反馈角度样本标准差，其中，单个工程探测测点个数n≥40，当s≥25时，判定探测测点分离度良好，观测系统能够反映巷道掘进前方全方位空间信息；当s＜25时，判定探测测点较为集中，此时观测系统反映的是巷道掘进前方某一方位空间信息；当
Figure GDA0002382583160000041
Figure GDA0002382583160000042
时，判断巷道前方信息主要分布于掘进正前方；当
Figure GDA0002382583160000043
时，判断巷道前方信息分布较为均匀；当
Figure GDA0002382583160000044
时，判断巷道前方信息主要分布于掘进方向周边。
与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：
本发明自动化观测方法可以实现对三维角度数据、背景电磁场数据、三轴加速度、气压数据、高度数据的实时反馈与保存，并且可在井下瞬变电磁探测过程中实时校正收发天线的探测方向，降低收发天线人为摆放带来的角度误差，在数据处理过程中考虑背景电磁场等多场信息的影响，更为准确地反映矿井瞬变电磁探测现场环境，通过多场信息瞬变电磁数据的实时反馈与采集保存，实现矿井瞬变电磁井下收发线圈随机摆放、无序测量、自动化观测，提高瞬变电磁探测的效率与分辨率。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明矿井瞬变电磁多场信息反馈装置示意图；
图2为本发明多场信息反馈装置零点校正示意图；
图3为本发明常规观测系统布置示意图；
图4为本发明多场信息反馈校正逻辑流程图；
图5为本发明矿井瞬变电磁自动化观测系统示意图。
具体实施方式
本发明提出了一种基于多场信息反馈的矿井瞬变电磁自动化观测方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。
如图1所示，本发明一种基于多场信息反馈的矿井瞬变电磁自动化观测方法所采用的观测系统，包括连接矿井瞬变电磁探测系统主机、收发线圈、多场信息反馈装置各部件，图1是矿井瞬变电磁多场信息反馈装置示意图。在瞬变电磁收发线圈单侧布置多场信息反馈装置，收发线圈与多场信息反馈装置连接主机，主机为其进行供电，相互之间进行数据传输。
根据设计探测方案对其进行零点校正，获取多场信息初始值，按照以下方法及公式进行多场信息反馈装置的零点校正：
进行多场信息反馈装置零点校正，图2为多场信息反馈装置零点校正示意图，定义巷道掘进方向右帮为三维坐标X方向，巷道掘进方向为三维坐标Y方向，巷道顶板正上方为三维坐标Z方向，矩形线圈平面沿XZ平面摆放，线圈边缘平行于巷道顶底板与左右帮，底部放置在巷道底板，以矩形线圈的中心点作为三维坐标零点，定义此时线圈为初始状态，以此状态为基础，按照以下公式进行相关多场信息的零点校正：
X0＝X＇-a/2 (1)
Y0＝Y＇-b (2)
Z0＝Z＇-c/2 (3)
α0＝α＇ (4)
β0＝β＇ (5)
γ0＝γ＇ (6)
B0＝B＇ (7)
式中：X0为X方向坐标初始值，X＇为X方向位置数据，Y0为Y方向坐标初始值，Y＇为Y方向位置数据，Z0为Z方向坐标初始值，Z＇为Z方向位置数据，α0为X方向旋转角度初始值，α＇为X方向旋转角度，β0为Y方向旋转角度初始值，β＇为Y方向旋转角度，γ0为Z方向旋转角度初始值，γ＇为Z方向旋转角度，a为线圈边长，b为线圈平面到巷道迎头的距离，c为线圈位置巷道高度，B0为背景电磁场初始值，B＇为背景电磁场值。
根据设计探测方案布置瞬变电磁测点，在各个瞬变电磁测点布置收发线圈，依次完成瞬变电磁一次场信号的发射与感应二次场信号的接收，常规观测系统按照以下方法进行布置：
图3为常规观测系统布置示意图，设计3个横向探测方向(与巷道顶板呈45°夹角向前方顶板探测、顺岩层方向向前方探测、与巷道底板呈45°夹角向前方底板探测)和1个纵向探测方向。每个横向探测方向布置横向探测角度13个，分别是左侧帮(180°、165°、150°、135°、120°、105°)、正前方(90°)、右侧帮(0°、15°、30°、45°、60°、75°)，3个横向探测方向共布置39个探测角度；纵向探测方向布置13个探测角度，分别是顶板(180°、165°、150°、135°、120°、105°)、正前方(90°)、底板(75°、60°、45°、30°、15°、0°)，4个探测方向共计52个探测角度。
在数据采集的同时，反馈各个测点探测的多场信息，主机系统随时进行提示校正，保存所得到的瞬变电磁探测数据与多场信息数据。
图4为多场信息反馈校正逻辑流程图，根据收发线圈摆放的状态，由三维陀螺仪装置实时读取收发线圈的三维角度数据、背景电磁场数据、三轴加速度、气压数据、高度数据并进行保存，在系统主机屏幕实时显示三维角度数据、背景电磁场数据、三轴加速度、气压数据、高度数据的状态信息供施工操作人员进行读取判断，施工操作人员可根据实时显示的多场信息对现场装置情况与周围环境情况作初步的判断并校正线圈位置姿态，重新核实位置参数，当收发线圈由于人为摆放导致整体不处于同一平面时，系统可提示施工人员注意收发线圈摆放，直至满足方向精度要求，完成数据采集工作。
进行矿井瞬变电磁数据处理，由保存的瞬变电磁多场信息，校正噪声值，降低背景噪声对探测结果的影响，背景噪声按照以下公式进行校正：
Figure GDA0002382583160000061
V1/I1为在没有噪声干扰条件下，接收线圈接收到的归一化二次电位值，V2/I2为噪声干扰条件下，接收线圈接收到的归一化二次电位值，其比值为校正系数k，用实际测量结果除以校正系数即可得到校正后的视电阻率值，完成校正处理后，以测线距离为横坐标，深度为纵坐标，绘制视电阻率等值线断面成果图；
当采用超前探测自动化观测系统进行矿井瞬变电磁测量时，根据以下公式建立自动化观测系统：
Umn(x,y,z,ρ)＝Pmn(h,ρ)； (9)
xmn＝hmn cosθni； (10)
ymn＝hmn cosθnj； (11)
zmn＝hmn cosθnk； (12)
Figure GDA0002382583160000062
Figure GDA0002382583160000063
图5为矿井瞬变电磁自动化观测系统示意图，Pmn为随机测量瞬变电磁扇形剖面第n个测点m时间序列的瞬变电磁信号值，Umn为经过转换计算的自动化观测系统第n个测点m时间序列的瞬变电磁信号值，θni为第n个测点与x方向的夹角，由反馈装置读取，θnj为第n个测点与y方向的夹角，由反馈装置读取，θnk为第n个测点与z方向的夹角，由反馈装置读取，hmn为第n个测点m时间序列对应的深度值，ρmn为第n个测点m时间序列对应的视电阻率阻值，s为反馈角度样本标准差。在该自动化观测系统中，为了满足超前探测观测精度，单个工程探测测点个数n不能小于40，当s≥25时，判定探测测点分离度良好，观测系统能够反映巷道掘进前方全方位空间信息，当s≤25时，判定探测测点较为集中，此时观测系统反映的是巷道掘进前方某一方位空间信息，当
Figure GDA0002382583160000071
时，可以判断巷道前方信息主要分布于掘进正前方，当
Figure GDA0002382583160000072
时，可以判断巷道前方信息分布较为均匀，当
Figure GDA0002382583160000073
时，可以判断巷道前方信息主要分布于掘进方向周边。
根据以上自动化观测系统建立公式，无需进行观测系统设计，可以直接进行收发线圈随机摆放无序测量，系统可按照已上算法进行多场信息识别与转换，自动建立好对应的观测系统数据，可根据自动化观测系统数据对起进行直接判定与数据处理成图。
本发明未述及的部分借鉴现有技术即可实现。
需要说明的是：在本说明书的教导下本领域技术人员所做出的任何等同方式，或明显变型方式均应在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于多场信息反馈的矿井瞬变电磁自动化观测方法，其所采用的观测系统包括矿井瞬变电磁探测系统主机、收发线圈及多场信息反馈装置，所述的收发线圈单侧布置所述多场信息反馈装置，所述收发线圈与所述多场信息反馈装置均连接所述矿井瞬变电磁探测系统主机，其特征在于，所述观测方法依次包括以下步骤：
a、对多场信息反馈装置进行零点校正，获取多场信息初始值，所述的校正方法及公式为：
定义巷道掘进方向右帮为三维坐标X方向，巷道掘进方向为三维坐标Y方向，巷道顶板正上方为三维坐标Z方向，线圈平面沿XZ平面摆放，线圈边缘平行于巷道顶底板与左右帮，底部放置在巷道底板，以线圈的中心点作为三维坐标零点，定义此时线圈为初始状态，以此状态为基础，按照公式(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)进行相关多场信息的零点校正：
X0＝X＇-a/2 (1)
Y0＝Y＇-b (2)
Z0＝Z＇-c/2 (3)
α0＝α＇ (4)
β0＝β＇ (5)
γ0＝γ＇ (6)
B0＝B＇ (7)
式(1)中：X0为X方向坐标初始值，X＇为X方向位置数据，a为线圈边长；
式(2)中：Y0为Y方向坐标初始值，Y＇为Y方向位置数据，b为线圈平面到巷道迎头的距离；
式(3)中：Z0为Z方向坐标初始值，Z＇为Z方向位置数据，c为线圈位置巷道高度；
式(4)中：α0为X方向旋转角度初始值，α＇为X方向旋转角度；
式(5)中：β0为Y方向旋转角度初始值，β＇为Y方向旋转角度；
式(6)中：γ0为Z方向旋转角度初始值，γ＇为Z方向旋转角度；
式(7)中：B0为背景电磁场初始值，B＇为背景电磁场值；
b、根据设计探测方案布置瞬变电磁测点，布置常规观测系统，在各个瞬变电磁测点布置所述收发线圈，依次完成瞬变电磁一次场信号的发射与感应二次场信号的接收；
c、采集数据，在数据采集的同时，反馈各个测点探测的多场信息，矿井瞬变电磁探测系统主机随时进行提示校正，保存所得到的瞬变电磁探测数据与多场信息数据；
d、数据处理，在数据处理过程中，由保存的瞬变电磁多场信息，校正噪声值，降低背景噪声对探测结果的影响，以测线距离为横坐标，深度为纵坐标，绘制视电阻率等值线断面图；
e、根据探测断面图成果，将低阻异常区域解释为富水异常区。
2.根据权利要求1所述的一种基于多场信息反馈的矿井瞬变电磁自动化观测方法，其特征在于，步骤b中，常规观测系统的布置方式为：
设计三个横向探测方向，分别为与巷道顶板呈45°夹角向前方顶板探测、顺岩层方向向前方探测及与巷道底板呈45°夹角向前方底板探测，再设计一个纵向探测方向；
每个横向探测方向布置横向探测角度14个，分别是左侧帮180°、165°、150°、135°、120°、105°；正前方左侧90°、右侧90°；右侧帮0°、15°、30°、45°、60°、75°；三个横向探测方向共布置42个探测角度；纵向探测方向布置13个探测角度，分别是顶板180°、165°、150°、135°、120°、105°；正前方90°；底板75°、60°、45°、30°、15°、0°；4个探测方向共计55个探测角度。
3.根据权利要求1所述的一种基于多场信息反馈的矿井瞬变电磁自动化观测方法，其特征在于：步骤c中，所述的反馈各个测点探测的多场信息，矿井瞬变电磁探测系统主机随时进行提示校正的具体方法为：
根据收发线圈摆放的状态，由三维陀螺仪装置实时读取收发线圈的三维角度数据、背景电磁场数据、三轴加速度、气压数据、高度数据并进行保存，在系统主机屏幕实时显示三维角度数据、背景电磁场数据、三轴加速度、气压数据、高度数据的状态信息，并进行读取判断；然后根据实时显示的多场信息对现场装置情况与周围环境情况作初步的判断并校正线圈位置姿态，重新核实位置参数，当收发线圈由于人为摆放导致整体不处于同一平面时，系统提示注意收发线圈摆放。
4.根据权利要求1所述的一种基于多场信息反馈的矿井瞬变电磁自动化观测方法，其特征在于：步骤d中，所述的背景噪声按照公式(8)进行校正：
Figure FDA0002382583150000021
式(8)中：
V1/I1为在没有噪声干扰条件下，接收线圈接收到的归一化二次电位值；
V2/I2为噪声干扰条件下，接收线圈接收到的归一化二次电位值，其比值为校正系数k，用实际测量结果除以校正系数即可得到校正后的视电阻率值。
5.根据权利要求1所述的一种基于多场信息反馈的矿井瞬变电磁自动化观测方法，其特征在于：还可采用超前探测自动化观测系统进行观测，当采用超前自动化观测系统进行观测时，在施工区域布置收发线圈，进行零点校正，获取多场信息初始值，改变收发线圈法线方向，开始进行测量，各个测点方向采集随机无序，矿井瞬变电磁探测系统主机随时对数据采集状态进行提示，同时保存多场信息，实现随机、无序、自动化观测，通过数据处理，以测线距离为横坐标，深度为纵坐标，绘制视电阻率等值线断面图。
6.根据权利要求5所述的一种基于多场信息反馈的矿井瞬变电磁自动化观测方法，其特征在于：当采用超前探测自动化观测系统进行矿井瞬变电磁测量时，根据公式(9)、(10)、(11)、(12)、(13)、(14)建立自动化观测系统：
Umn(x,y,z,ρ)＝Pmn(h,ρ) (9)
xmn＝hmncosθni (10)
ymn＝hmncosθnj (11)
zmn＝hmncosθnk (12)
Figure FDA0002382583150000031
Figure FDA0002382583150000032
式(9)中：Pmn为随机测量瞬变电磁扇形剖面第n个测点m时间序列的瞬变电磁信号值，Umn为经过转换计算的自动化观测系统第n个测点m时间序列的瞬变电磁信号值，ρ为电阻率值；
式(10)中：θni为第n个测点与x方向的夹角，由反馈装置读取；
式(11)中：θnj为第n个测点与y方向的夹角，由反馈装置读取；
式(12)中：θnk为第n个测点与z方向的夹角，由反馈装置读取，hmn为第n个测点m时间序列对应的深度值；
式(13)中：s为反馈角度样本标准差，其中，单个工程探测测点个数n≥40，当s≥25时，判定探测测点分离度良好，观测系统能够反映巷道掘进前方全方位空间信息；当s＜25时，判定探测测点较为集中，此时观测系统反映的是巷道掘进前方某一方位空间信息；当
Figure FDA0002382583150000033
时，判断巷道前方信息主要分布于掘进正前方；当
Figure FDA0002382583150000034
时，判断巷道前方信息分布较为均匀；当
Figure FDA0002382583150000035
时，判断巷道前方信息主要分布于掘进方向周边。
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