CN109752766A - 一种矿井激发极化探测系统及精细成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种极化探测系统及精细成像方法，属于电法勘探领域，具体是涉及一种矿井激发极化探测系统及精细成像方法。其中，系统包括：数据采集电极组，包括通过分机与主机相连的若干个电极组；信号调理装置，调理数据采集电极组的输入数据并送至处理器处理；电位补偿装置，用于电位补偿处理器返回的不满足探测要求的数据并将处理后的数据送至信号调理装置。因此，本发明实现了实时的矿井激发极化实时探查装置与方法，极大的提高了探测效果；本发明提出的矿井激发极化探查方法，实现了对工作面前方不良地质的精细化反演成像，可对工作面前方的不良地质情况反演成像，具有很好的工程实用价值。

Description

一种矿井激发极化探测系统及精细成像方法

技术领域

本发明涉及一种极化探测系统及精细成像方法，属于电法勘探领域，具体是涉及一种矿井激发极化探测系统及精细成像方法。

背景技术

电法勘探是利用地壳中岩矿石的电磁学性质和电化学性质的差异，通过对电磁场的空间分布规律和时间特性的观测和研究，实现寻找不同类型有用矿产、查明地质构造和解决地质问题的地球物理勘探方法。煤矿不良地质的探查对于预防煤矿施工灾害具有重要的作用，由于激发极化法对水构造等突涌水源反映敏感，被用于煤矿地面探测。

激发极化法以电阻率和极化率两个物性参数为物质基础，可以提供地下介质导电性方面的分布信息。但随着资源探测难度的加大，实际勘探工作对激发极化方法的应用提出了更高的要求。

在高效和可靠获取大量高精度激发极化数据的能力方面，目前普遍采用的激发极化接收机还有较大差距，不足之处主要体现在以下方面:激发极化目前还没有实现煤矿巷道探测，探测需要在地面布设探测，耗费大量时间；接收机检测信号分辨能力差，测量精度低；接收机没法进行后续去噪处理和数据质量评价。

因此，高效获取高精度激发极化数据则成为激发极化法当前迫切需要解决的技术难题。开发出矿井激发极化探测装置，使高质量获取测点观测资料成为可能，才能实现激发极化法精细探测的目标。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在上述的技术问题；提供了一种矿井激发极化探测系统及精细成像方法，本发明可对煤矿工作面前方地质情况做出成像，可连续探测，探测效率高，实现了探测系统测量、数据获取和反演成像的功能。

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：

一种矿井激发极化探测系统，包括：

数据采集电极组，包括通过分机与主机相连的若干个电极组；

信号调理装置，调理数据采集电极组的输入数据并送至处理器处理；

电位补偿装置，用于电位补偿处理器返回的不满足探测要求的数据并将处理后的数据送至信号调理装置。

在本发明的至少一个实施例中，包括：所述信号调理装置包括：

运算放大器OP31，其正极输入端通过电感线圈L31连接电源并分别通过电容C31和电容C32接地；其负极输入端通过电感L32连接电源并分别通过电容C33和电容C34接地；其正负极输入端之间连接可调电阻R35；其一个比较输入端通过可调电阻R33接地并通过可调电阻R34连接其输出端；其另一个比较输入端并联电阻R31和电阻R32；其输出端连接二极管D31的负极以及二极管D32的正极。

在本发明的至少一个实施例中，所述采集装置电路包括：

第一运放，其一比较输入依次连接电阻R12、电阻R13、其输出端、二极管LM41、电阻R11；其另一比较输入端依次通过电阻R14、二极管D43接地；其输出端通过电阻R45后再分别通过电阻R48和电容C41接地；

第二运放，其一比较输入端分别通过电阻R44，电容C42接地，并通过电阻R41连接第一运放的输出端；其另一比较输入端连接其输出端；其输出端通过电阻R42连接三极管Q41的集电极；所述三极管Q41的集电极与栅极通过电阻R49相连；所述三极管Q41的发射极连接三极管Q42的集电极；

第三运放，其一比较输入端通过电容C45接地并通过电阻R15连接与非门IC2的输入端，其另一比较输入端连接与非门IC2的输入端并通过电阻R16连接其输出端，其输出端连接与非门IC1的输入端；所述与非门IC2的输出端连接与非门IC3的输入端并通过电阻R几连接与非门IC1的输入端；所述与非门IC3的另一输入端通过电阻R18、电容C47接地；所述与非门IC3的输出端通过电容C46连接与非门IC1的输入端，

第四运放，其一输入端连接与非门IC1的输出端并通过电阻R48，电容C41接地，其另一输入端连接其输出端；其输出端连接电阻R43，所述电阻R43的一端通过二极管D41连接三极管Q41的栅极并且通过可调电阻W42连接三极管Q41的发射极，同时还通过电阻R40、可调电阻W41连接三极管Q42的栅极；

第五运放，其一个比较输入端分别通过电阻R46，电容C43接地并连接三极管Q42的发射极；其另一比较输入端分别通过电阻R47、电容C44连接其输出端，并通过电阻R43连接第四比较器的输出端。

在本发明的至少一个实施例中，所述处理器执行以下步骤：

步骤1，根据体极化介质的视极化率的计算公式直接给出第i点的极化率响应；

步骤2，利用第i点的极化率响应η_i，对第j个模型块的极化率η_j求导，得到第i点的视极化率对第j个模型块的极化率η_j的偏导数；

步骤3，根据数据处理结果，绘制视极化率等值线图。

在本发明的至少一个实施例中，所述步骤2中，采用对数形式表示视极化率和极化率。

一种矿井激发极化探测方法，包括：

数据采集步骤，利用通过分机与主机相连的若干个电极组采集数据；

数据调理步骤，调理数据采集电极组和或电位补偿装置的输入数据并送至处理器处理；

精细成像步骤，将不满足探测要求的数据返回至电位补偿装置进行电位补偿，并利用满足探测要求的数据绘制视极化率等值线图。

在本发明的至少一个实施例中，所述精细成像步骤具体包括：

步骤1，根据体极化介质的视极化率的计算公式直接给出第i点的极化率响应；

步骤2，利用第i点的极化率响应η_i，对第j个模型块的极化率η_j求导，得到第i点的视极化率对第j个模型块的极化率η_j的偏导数；

步骤3，根据数据处理结果，绘制视极化率等值线图。

在本发明的至少一个实施例中，所述步骤2进一步包括：

步骤2.1，基于下式根据体极化介质的视极化率的计算公式直接给出第i点的极化率响应：

其中ρ_i和分别为第点的视电阻率和等效视电阻率；

步骤2.2，利用用第i点的极化率响应η_i，对第j个模型块的极化率η_j求导，得到第i点的视极化率对第j个模型块的极化率η_j的偏导数：

在本发明的至少一个实施例中，基于下式将视极化率和极化率采用对数形式表示，有

在本发明的至少一个实施例中，通过采用线性反演方法完成极化率反演。

因此，本发明具有如下优点：

(1)本发明实现了实时的矿井激发极化实时探查装置与方法，极大的提高了探测效果；

(2)本发明提出的矿井激发极化探查方法，实现了对工作面前方不良地质的精细化反演成像，可对工作面前方的不良地质情况反演成像，具有很好的工程实用价值。

附图说明

图1是本发明的矿井激发极化法探测装置面板；

图2是本发明的系统结构硬件框图；

图3矿井激发极化法高精度采集电极组

图4是本发明的自然电位补偿电路图；

图5是本发明的激发极化法数据采集装置面板电路图；

图6是本发明的矿井激发极化法精细成像流程图；

图7是本发明的矿井激发极化法精细成像成果图。

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：

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本实施例提供的矿井激发极化装置，其中数据采集系统(如图2所示)用于收集接收机数据并进行预处理及成图显示，监测接收机存储数据文件，实现后续精细数据处理；探测主机用于发射电场信号和大动态范围、高精度观测接收信号。

所述数据采集系统还用于叠加数据传输系统传输的有用信号，提高接收信号的信噪比。

所述探测主机接收电路采用工频陷波技术抑制噪声对有用信号的干扰，提高信噪比；所述探测主机采用高精度电源为模拟电路供电；所述探测主机在发送机供电时采集总场电位差，发送机断电时采集二次场电位差，现场采集过程中实现数据的实时监测。

如图1所示是本发明的矿井激发极化法探测装置面板。探测装置面板由发射连接口、接收连接口、USB连接口、充电端口以及开关按钮组成。发射连接口和接收连接口在探测中分别实施主机电流的发射和接收，发射信号和接收信号都为电压信号；数据的传输使用USB连接口，主机充电使用充电端口，一起的开关使用开关按钮。

图2是本发明的系统结构硬件框图。矿井激发极化法探测系统首先将传感器接收到的信号进行采集，然后对采集到的数据进行信号调理，经过信号调理后的数据进行信号放大，然后输入至处理器，经过处理器分析后满足探测要求的数据进行存储，如果输入的数据不满足探测要求则对该数据进行电位补偿处理，处理后进行信号调理，之后重新输入至处理器，直到满足探测要求为止。探测完成，数据存储完成后将所有数据进行输出，得到需要进行处理的数据。

图3矿井激发极化法高精度采集电极组，所述的采集电极组属于数据采集的硬件部分。由于矿井激发极化探测方法无法采用大电流发射的方法，因此需要根据矿井施工的特点采用高精度采集电极组组合的方式进行矿井激发极化法探测，由于采用多路电极组进行发射和接收，发射和接收信号更加接近目标体，因此，该电极组首先达到了提高探测精度的目的；其次，提高了探测的发射功率，有效地提高了探测结果的抗干扰能力。高精度采集电极组由一台主机、若干台分机以及连接在分机上的若干组电极组组成。每组电极组发射和接收的采集信号通过连接装置传输给与之连接的分机中，然后每台分机再将采集的信号传输至主机上。

图4是本发明的自然电位补偿电路图。自然电位补偿电路图包括电感线圈L31，电感线圈L32，可调电阻R31，可调电阻R32，可调电阻R33，可调电阻R34，滑动变阻器R35，电容C31，电容C32，电容C33，电容C34，二极管D31，二极管D32，运算放大器OP31。L31代表线圈1的电感，L32代表线圈2的电感，L代表感应线圈的电感。电感线圈L31和电容C31，电容C32组成的电路作为电源正极接入运算放大器；电感线圈L32和电容C33，电容C34组成的电路作为电源负极接入运算放大器；可调电阻R33，可调电阻R34组成的电路接入运算放大器；在运算放大器输出端接入由二极管D31，二极管D32组成的电路。当感应线圈L31与感应线圈L32绕向相同时，则二者产生的感应电压正负极的相对位置相同，对应到线圈分接头正负极的相对位置也相同。使得磁体在正常动态运行时，补偿后各线圈电压信号几乎为零。当某一线圈产生电阻，阻性电压将被测量到从而进行相应的保护。并且由于该方法可对每一个线圈进行补偿。这样补偿电压大小调节方便，调节时线性度良好。

图5是本发明的激发极化法数据采集装置面板电路图。所述采集装置面板电路通过电容C47接地，通过二极管D43接地，电容C47与二极管D43连接后接入电阻R14，电阻R14另一端接运算放大器，二极管D43另一端接电阻R18，电阻R18另一端接与非门，电容一端接地，另一端接入电阻R15和接入运算放大器，电容C45一端接地，另一端连接电阻R15，电阻R13一段接至电阻R12，另一端接入运算放大器输出端，电阻R48和电容C41连接后接地，另一端在接入电阻R41，电阻R44和电容C42后接入运算放大器输入端，与非门IC2和电阻R16连接后接入运算放大器，运算放大器输出端连接至与非门IC1，与非门IC3输出后在接入电容C46后接入与非门IC1输入端，与非门IC1输出端接入运算放大器，电阻R42，电阻R43，电阻R49和电位器连接后接至三极管Q41，三极管另一端接至三极管Q42，电阻R40和电位器W41，电位器W41另一端接至三极管Q42，三极管Q42另一端接与电阻R46后作为输入端连接至运算放大器，电阻R47电容C44并联后作为输入端连接至运算放大器，经运算放大器后输出。

处理后得到稳定的信号，再经过芯片转换后，输出的采集信号不仅精度更高，而且稳定性更好。由于使用的电子元器件较少，大大减少了成本。隔离效果更好，使用寿命更长，稳定性更好。

图6是本发明的矿井激发极化法精细成像流程图。首先读取数据文件，在读入数据文件后获取测点数目，在获取测点数目后进入数据循环，在确定测点数目至少为两个点后进行数据计算，否则本次图形绘制结束。数据计算完成后进入绘图准备中，在绘图前进行数据计算的确认，如果数据计算没有完成，则循环变量增加继续进行数据计算，所有数据计算完成后进行图形的绘制。

本发明提供的矿井激发极化精细成像方法：

(1)循环变量设置为文件起始位置，如果不是文件起始位置则不进行循环操作；

(2)根据体极化介质的视极化率的计算公式直接给出第i点的极化率响应：

其中ρ_i和分别为第点的视电阻率和等效视电阻率。然后用第i点的极化率响应η_i，对第j个模型块的极化率η_j求导，得

那么，我们只需求出即可。然而根据等效电阻率公式

其中ρ和ρ^*分别为电阻率和等效电阻率，有

将(4)式代入(2)式中，经整理，便得到第i点的视极化率对第j个模型块的极化率η_j的偏导数

为保证反演过程的稳定性，也可以将视极化率和极化率采用对数形式，有

对于非线性极化率反演的偏导数矩阵，与电阻率反演的偏导数矩阵有一定的相似性，只需将电阻率的反演过程略作修改便可完成极化率反演。

极化率的线性和非线性反演方法都是可靠的。从理论而言，非线性反演方法可能是最好的。它的主要优点就是可以处理大的极化率值，并且反演过程和电阻率的反演过程基本相同。但它的计算量几乎是线性反演方法的两倍，这又成为它的一个不足。但在实际反演中，大部分都采用线性反演方法，主要是因为我们可以很容易的通过加大电阻率反演的迭代次数，尽量的提高电阻率反演结果的质量来改善极化率的反演结果。因此，这使其成为极化率反演中被广泛采用方法。

坐标转换。具体的公式可以总结为：在常数坐标轴下，x＝r_x+(data-x_Min)*x_Sf，其中x代表转换后的横坐标值，r_x代表坐标系中横轴的最小值，data是待转换的值，x_Min是对话框输入的参数，x_Sf代表间距因子；在常数坐标轴下，y＝r_y+r_h-(data-y_Min)*y_Sf，其中y代表转换后的纵坐标值，r_y代表坐标系中纵轴的最小值，r_h代表坐标系中纵轴的最大值，data是待转换的值，y_Min是对话框输入的参数，y_Sf代表间距因子。

(3)数据处理完成进行下一步绘图准备，否则进入数据体循环，循环至文件头重新进行数据计算；

(4)利用surfer软件进行数据的图形绘制，绘制视极化率等值线图；

(5)等待surfer绘制出彩色等值线图即为绘制结束。此时完成整个流程。

如图7所示是本发明的矿井激发极化法精细成像的成果图。本发明提供的矿井激发极化精细成像方法是当地下存在低阻球状异常体时，在球心正上方位置的视电阻率ρ_s有极小值，在其两侧视电阻率ρ_s有极大值；当地下存在高阻球状异常体时，在其球心正上方位置的视电阻率ρ_s有极大值，而在其两侧视电阻率ρ_s有极小值。图像解释以地下存在低阻球状异常体为例。所以，球心在地面上的投影位置可以根据视电阻率ρ_s曲线的主极值点坐标来确定。而且可以利用视电阻率ρ_s曲线的某些特征参数或特征点来确定球状异常体的埋深h。

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 (10)

1.一种矿井激发极化探测系统，其特征在于，包括：

数据采集电极组，包括通过分机与主机相连的若干个电极组；

信号调理装置，调理数据采集电极组的输入数据并送至处理器处理；

电位补偿装置，用于电位补偿处理器返回的不满足探测要求的数据并将处理后的数据送至信号调理装置。

2.根据权利要求1所述的一种矿井激发极化探测系统，其特征在于，包括：所述信号调理装置包括：

运算放大器OP31，其正极输入端通过电感线圈L31连接电源并分别通过电容C31和电容C32接地；其负极输入端通过电感L32连接电源并分别通过电容C33和电容C34接地；其正负极输入端之间连接可调电阻R35；其一个比较输入端通过可调电阻R33接地并通过可调电阻R34连接其输出端；其另一个比较输入端并联电阻R31和电阻R32；其输出端连接二极管D31的负极以及二极管D32的正极。

3.根据权利要求1所述的一种矿井激发极化探测系统，其特征在于，所述采集装置电路包括：

第一运放，其一比较输入依次连接电阻R12、电阻R13、其输出端、二极管LM41、电阻R11；其另一比较输入端依次通过电阻R14、二极管D43接地；其输出端通过电阻R45后再分别通过电阻R48和电容C41接地；

第二运放，其一比较输入端分别通过电阻R44，电容C42接地，并通过电阻R41连接第一运放的输出端；其另一比较输入端连接其输出端；其输出端通过电阻R42连接三极管Q41的集电极；所述三极管Q41的集电极与栅极通过电阻R49相连；所述三极管Q41的发射极连接三极管Q42的集电极；

第三运放，其一比较输入端通过电容C45接地并通过电阻R15连接与非门IC2的输入端，其另一比较输入端连接与非门IC2的输入端并通过电阻R16连接其输出端，其输出端连接与非门IC1的输入端；所述与非门IC2的输出端连接与非门IC3的输入端并通过电阻R几连接与非门IC1的输入端；所述与非门IC3的另一输入端通过电阻R18、电容C47接地；所述与非门IC3的输出端通过电容C46连接与非门IC1的输入端，

第四运放，其一输入端连接与非门IC1的输出端并通过电阻R48，电容C41接地，其另一输入端连接其输出端；其输出端连接电阻R43，所述电阻R43的一端通过二极管D41连接三极管Q41的栅极并且通过可调电阻W42连接三极管Q41的发射极，同时还通过电阻R40、可调电阻W41连接三极管Q42的栅极；

第五运放，其一个比较输入端分别通过电阻R46，电容C43接地并连接三极管Q42的发射极；其另一比较输入端分别通过电阻R47、电容C44连接其输出端，并通过电阻R43连接第四比较器的输出端。

4.根据权利要求1所述的一种矿井激发极化探测系统，其特征在于，所述处理器执行以下步骤：

步骤1，根据体极化介质的视极化率的计算公式直接给出第i点的极化率响应；

步骤2，利用第i点的极化率响应η_i，对第j个模型块的极化率η_j求导，得到第i点的视极化率对第j个模型块的极化率η_j的偏导数；

步骤3，根据数据处理结果，绘制视极化率等值线图。

5.根据权利要求1所述的一种矿井激发极化探测系统，其特征在于，所述步骤2中，采用对数形式表示视极化率和极化率。

6.一种矿井激发极化探测方法，其特征在于，包括：

数据采集步骤，利用通过分机与主机相连的若干个电极组采集数据；

数据调理步骤，调理数据采集电极组和或电位补偿装置的输入数据并送至处理器处理；

精细成像步骤，将不满足探测要求的数据返回至电位补偿装置进行电位补偿，并利用满足探测要求的数据绘制视极化率等值线图。

7.根据权利要求6所述的一种矿井激发极化探测方法，其特征在于，所述精细成像步骤具体包括：

步骤1，根据体极化介质的视极化率的计算公式直接给出第i点的极化率响应；

步骤2，利用第i点的极化率响应η_i，对第j个模型块的极化率η_j求导，得到第i点的视极化率对第j个模型块的极化率η_j的偏导数；

步骤3，根据数据处理结果，绘制视极化率等值线图。

8.根据权利要求7所述的一种矿井激发极化探测方法，其特征在于，所述步骤2进一步包括：

步骤2.1，基于下式根据体极化介质的视极化率的计算公式直接给出第i点的极化率响应：

其中ρ_i和分别为第点的视电阻率和等效视电阻率；

步骤2.2，利用用第i点的极化率响应η_i，对第j个模型块的极化率η_j求导，得到第i点的视极化率对第j个模型块的极化率η_j的偏导数：

9.根据权利要求8所述的一种矿井激发极化探测方法，其特征在于，基于下式将视极化率和极化率采用对数形式表示，有

10.根据权利要求6所述的一种矿井激发极化探测方法，其特征在于，通过采用线性反演方法完成极化率反演。