CN111708088B - 一种基于磁梯度张量的瞬变电磁实时动态超前探测方法及系统 - Google Patents
一种基于磁梯度张量的瞬变电磁实时动态超前探测方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于磁梯度张量的瞬变电磁实时动态超前探测方法及系统，属于勘探地球物理领域，本发明将瞬变电磁场等价为一系列连续的静磁场、将导含水构造等价为磁偶极子体，通过在巷道空间正中心布置的组成“十”字形测线的五个观测点，直接观测二次场在x,y,z方向上的磁场强度分量，进行两两差分组合得到磁梯度张量。而后通过得到的磁梯度张量进行反演计算，实现对磁偶极子的定位。本发明直接基于磁梯度张量进行数据处理，精度、准确性较基于标量测量和反演的方法高，且装置简洁，具有即时性，可有效应用于在巷道掘进和工作面开采过程中对隐蔽突水致灾因素的超前探测与监测。
Description
技术领域
本发明涉及勘探地球物理的领域，尤其涉及一种基于磁梯度张量的瞬变电磁实时动态超前探测方法及系统。
背景技术
目前，在巷/隧道掘进过程中，广泛采用瞬变电磁法超前探测导/含水构造。对于断面较小的巷/隧道空间，大多采用环形扇面扫描技术，即在掘进工作面以不同角度布置多个探测方向，采用感应线圈观测各方向上二次场感应电动势响应信号，而后进行视电阻率计算与时深转换，绘制扇形视电阻率等值线图，根据视电阻率值的相对大小推测赋水异常区[1,2]。对于断面较大的巷/隧道空间，大多采用多点阵列式探测方法，即在掌子面上布置发射回线，在发射回线内部以阵列方式布置测点，采用单分量探头观测二次场感应电动势响应，而后进行视电阻率计算，绘制视电阻率等值线图，推测导/含水异常体[3]。近来，出现了巷/孔瞬变电磁超前探测技术，即在掌子面上布置发射回线，在钻孔中接收，沿钻孔深度布置测点，观测x，y，z等三个方向上二次场感应电动势响应，而后绘制视电阻率等值线图，实现钻孔周围含水异常体的空间定位[4]。上述方法均是观测二次场感应电动势信号响应，是一种标量测量方式，在视电阻率等值线图上，根据低阻异常区分布进行赋水异常体的定位，且探测距离有限、探测精度低，容易受金属干扰体影响。
与其他瞬变电磁法超前探测相比，地面发射、井下巷道中接收的地面-巷道瞬变电磁探测技术，充分利用地面与矿井瞬变电磁法的优点，在保证较大探测深度的基础上实现对导含水构造的高分辨率高精度探测[5,6]。同时，一般的瞬变电磁超前探测方法采用传统作业方式，采集数据和处理数据不同步进行。
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发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提供一种基于磁梯度张量的瞬变电磁实时动态超前探测方法，该方法通过判断磁梯度张量异常直接进行异常识别与定位，瞬时完成计算，快速定位识别隐蔽突水致灾因素，有效服务于巷道掘进及工作面开采，可实现动态监测。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于磁梯度张量的瞬变电磁实时动态超前探测方法，包括以下步骤：
步骤1：选取待勘探巷道，在巷道上方地面上布置矩形发射回线装置；在巷道中布置十字形测线，在测线端点与中心点布置5个测点，测点1位于十字交叉中心，每个测点布置一个接收探头；
步骤2：开始探测，对发射系统与接收系统同时进行校准授时，转为晶振同步，发射系统以固定时间间隔发射阶跃波，在大地中感应产生二次瞬变电磁场；
步骤3：巷道掘进过程中，接收探头随掘进工作面动态移动；接收探头在阶跃波关断期间依次接收5个测点在x,y,z三个方向上的二次磁场强度分量Hx,Hy,Hz；
步骤4：将5个测点的磁场强度分量Hx,Hy,Hz两两组合差分，得到在空间x,y,z三个方向的变化率，构成测点1处的磁梯度张量；
步骤5：利用测点1的磁梯度张量与测点1的磁场强度分量数据，通过导含水构造磁梯度张量定位方程，得到探测区域的信息并绘制出成果图；
步骤6：通过观测图中磁梯度定位的区域点是否存在聚集区域，以及对比上一时段的成果图，判断巷道中是否出现导/含水异常体；若出现异常体，进行异常体定位与示警。
进一步的，构建导含水构造磁梯度张量定位方程，以及异常定位方法如下：
测点1处的磁梯度张量，共包括9个要素，记为G，表示如下：
将瞬变电磁场中的导/含水异常体在时间维度上等价为一系列的磁性体或磁偶极子，其中心位置为(X,Y,Z)，在一固定采样延时上，距目标中心|r|处的观测点产生的磁场强度H为：
式中，|r|为观测点到目标中心的距离，r为起点是观测点终点是目标中心的矢量，r0为沿r方向的单位矢量，m代表磁偶极子的磁矩；在场点r+r0dr处的磁场强度H′表示为：
由H′减去H并结合磁梯度张量G推导得到导含水构造磁梯度张量定位方程：
即：
基于导含水构造磁梯度张量定位方程，利用测点1的磁梯度张量与测点1的磁场强度三分量数据，实现对目标异常体的定位。
进一步的，所述步骤3，以设置固定时间间隔的方式进行动态探测，即每隔时间t接收探头移动一次；或者根据掘进速度，以及掘进进尺大小进行动态探测，即巷道每掘进L米，接收探头移动一次。
本发明还提出了一种基于磁梯度张量的瞬变电磁实时动态超前探测系统，包括：布置于巷道上方地面的矩形发射回线装置、发射站点，布置于监控室的控制系统、数据处理系统与接收机，布置于巷道中的接收探头与通信系统；
所述发射站点位于发射回线框外，包括发电机与发射系统，将矩形发射回线与发射系统连接，形成发射回路；所述发射系统用于发射阶跃波，在大地中感应产生二次瞬变电磁场；所述控制系统用于对发射系统与接收系统同时进行校准授时，实现发射与接收系统的同步，也用于发送指令至接收机控制接收探头工作；所述通信系统传输接收探头探测到的数据至接收机，所述接收机接收与存储接收探头探测到的数据并将数据传输至数据处理系统；所述数据处理系统用于对数据实时处理并采用磁梯度张量反演实现对含水异常体的实时定位。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益的技术效果：
(1)本发明避免了矿井瞬变电磁法中采用小回线装置探测能力弱、盲区较大、发射接收线圈互感的问题，也避免了地面瞬变电磁法分辨率、勘探精度及可靠性不足的问题。接收探头接近异常体，异常场占总场的比值高，使得有效性和准确性显著提高。
(2)本发明通过地面控制系统直接控制发射系统和接收系统实现在线随时动态探测；通过瞬变电磁场与一系列连续的静磁场、导含水构造与磁性体的可等价性实现在线即时动态数据处理；通过将处理结果及突水响应模型进行对比实现在线即时动态解释。
(3)本发明采用地面发射、巷道接收的方式，但数据采集方式及异常体定位方式与原有的矿井瞬变电磁超前探测技术、地面—巷道瞬变电磁探测技术完全不同。在掘进工作面布置“十”字形交叉测线，在测线端点与中心点总计布置5个观测点，每个测点上采用3分量磁探头同时采集x,y,z方向的3分量磁场强度，而后两两组合，形成“十”字中心点处的磁梯度张量，直接进行异常体中心点的空间定位，不需进行视电阻率计算。
附图说明
图1是本发明的工作流程框图；
图2是本发明的磁梯度张量接收位置示意图；
图3是本发明的测点工作布置图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
煤矿中具有突水威胁的导含水构造，如陷落柱、断层、岩溶、积水采空区等，均可看作电性低阻异常体。当采用阶跃电流激发后，各异常体上均会生成随时间衰减的涡旋电流，并在周围空间产生随时间变化的瞬变电磁场。而通过把瞬变电磁场等价为一系列连续的静磁场，各异常体在时间维度上等价为一系列磁性体或磁偶极子，就可通过观测三分量电磁梯度张量来判断低阻异常体的方位。由此，磁梯度张量异常定位是基于：瞬变电磁场与一系列连续的静磁场、导含水构造与磁性体的可等价性。
本发明所述的一种基于磁梯度张量的瞬变电磁实时动态超前探测方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：选取待勘探巷道，根据拟掘进地下巷/隧道的位置与长度，在巷道上方地面对应位置处布置矩形发射回线装置，如图2所示，矩形长边与巷/隧道走向平行，短边与巷/隧道走向垂直，矩形回线长中心轴线与巷/隧道走向中心轴线重合，长度大于巷/隧道长度，可布置长度500m以上；短边中心点位于巷/隧道中心轴线上，可布置长度100m～500m；在巷道中布置“十”字形测线，在测线端点与中心点布置5个测点，如图3所示，其中x方向为巷道走向，y方向垂直于巷道走向，z方向为垂直方向；测点1位于“十”字交叉中心；测点2、测点3位于y方向测线的两个端点；测点4、测点5位于x方向测线的两个端点；各测点到测点1的距离均相等，距离大小视巷道断面宽度而定，一般设置为2m；每个测点布置一个接收探头；所述接收探头均采用3分量磁探头，同时接收二次场在x,y,z方向上的磁场强度分量。
步骤2：开始探测，对发射系统与接收系统同时进行校准授时，转为晶振同步，发射系统以固定时间间隔发射阶跃波，在大地中感应产生二次瞬变电磁场。
步骤3：巷道掘进过程中，接收探头随掘进工作面动态移动；接收探头在阶跃波关断期间依次接收5个测点在x,y,z三个方向上的二次磁场强度分量Hx,Hy,Hz；
所述动态移动方法包括：以设置固定时间间隔的方式进行动态探测，即每隔时间t接收探头移动一次；或者根据掘进速度，以及掘进进尺大小进行动态探测，即巷道每掘进L米，接收探头移动一次。
步骤4：将5个测点的磁场强度分量Hx,Hy,Hz两两组合差分，得到在空间x,y,z三个方向的变化率，构成测点1处的磁梯度张量。
步骤5：将瞬变电磁场等价为一系列连续的静磁场，各异常体在时间维度上等价为一系列磁性体或磁偶极子，因此，利用测点1的磁梯度张量与测点1的磁场强度分量数据，通过导含水构造磁梯度张量定位方程，得到探测区域的信息并绘制出成果图。
步骤6：通过观测图中磁梯度定位的区域点是否存在聚集区域，以及对比上一时段的成果图，判断巷道中是否出现导/含水异常体；若出现异常体，进行异常体定位与示警。停止掘进，结合水文地质资料、钻探资料进行综合解释，划分异常区域，判断突水范围，处理完成后解除警报。
构建导含水构造磁梯度张量定位方程，以及异常定位方法如下：
测点1处的磁梯度张量，共包括9个要素，记为G，表示如下：
将瞬变电磁场中的导/含水异常体在时间维度上等价为一系列的磁性体或磁偶极子，其中心位置为(X,Y,Z)，在一固定采样延时上，距目标中心|r|处的观测点产生的磁场强度H为：
式中，|r|为观测点到目标中心的距离，r为起点是观测点终点是目标中心的矢量，r0为沿r方向的单位矢量，m代表磁偶极子的磁矩；在场点r+r0dr处的磁场强度H′表示为：
由H′减去H并结合磁梯度张量G推导得到导含水构造磁梯度张量定位方程：
即：
基于导含水构造磁梯度张量定位方程，利用测点1的磁梯度张量与测点1的磁场强度三分量数据，得到巷道中的目标异常体，即导/含水异常体的空间定位。
本发明在数据处理过程中绕开视电阻率计算与目前普遍采用的3D反演，直接利用观测到的三个方向上的磁场分量或者是三个方向上的磁场变化率(感应电动势)，通过导含水构造磁梯度张量定位方程求得瞬变电磁三分量、电磁梯度张量与异常体空间位置的关系，瞬时完成计算，实现资料解释的即时性，该处理方法在现有的地面-巷道瞬变电磁法中还未有应用。
本发明还提出了一种基于磁梯度张量的瞬变电磁实时动态超前探测系统，包括：布置于巷道上方地面的矩形发射回线装置、发射站点，布置于监控室的控制系统、数据处理系统与接收机，布置于巷道中的接收探头与通信系统；
所述发射站点位于发射回线框外，包括发电机与发射系统，将矩形发射回线与发射系统连接，形成发射回路；所述发射系统用于发射阶跃波，在大地中感应产生二次瞬变电磁场；所述控制系统用于对发射系统与接收系统同时进行校准授时，实现发射与接收系统的同步，也用于发送指令至接收机控制接收探头工作；所述通信系统传输接收探头探测到的数据至接收机，所述接收机接收与存储接收探头探测到的数据并将数据传输至数据处理系统；所述数据处理系统用于对数据实时处理并采用磁梯度张量反演实现对含水异常体的实时定位。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种基于磁梯度张量的瞬变电磁实时动态超前探测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤1：选取待勘探巷道，在巷道上方地面上布置矩形发射回线装置；在巷道中布置十字形测线，在测线端点与中心点布置5个测点，测点1位于十字交叉中心，每个测点布置一个接收探头；
步骤2：开始探测，对发射系统与接收系统同时进行校准授时，转为晶振同步，发射系统以固定时间间隔发射阶跃波，在大地中感应产生二次瞬变电磁场；
步骤3：巷道掘进过程中，接收探头随掘进工作面动态移动；接收探头在阶跃波关断期间依次接收5个测点在x,y,z三个方向上的二次磁场强度分量Hx,Hy,Hz；
步骤4：将5个测点的磁场强度分量Hx,Hy,Hz两两组合差分，得到在空间x,y,z三个方向的变化率，构成测点1处的磁梯度张量；
步骤5：利用测点1的磁梯度张量与测点1的磁场强度分量数据，通过导含水构造磁梯度张量定位方程，得到探测区域的信息并绘制出成果图；
步骤6：通过观测图中磁梯度定位的区域点是否存在聚集区域，以及对比上一时段的成果图，判断巷道中是否出现导/含水异常体；若出现异常体，进行异常体定位与示警；
其中，构建导含水构造磁梯度张量定位方程，以及异常定位方法如下：
测点1处的磁梯度张量，共包括9个要素，记为G，表示如下：
将瞬变电磁场中的导/含水异常体在时间维度上等价为一系列的磁性体或磁偶极子，其中心位置为(X,Y,Z)，在一固定采样延时上，距目标中心|r|处的观测点产生的磁场强度H为：
式中，|r|为观测点到目标中心的距离，r为起点是观测点终点是目标中心的矢量，r0为沿r方向的单位矢量，m代表磁偶极子的磁矩；在场点r+r0dr处的磁场强度H′表示为：
由H′减去H并结合磁梯度张量G推导得到导含水构造磁梯度张量定位方程：
即：
基于导含水构造磁梯度张量定位方程，利用测点1的磁梯度张量与测点1的磁场强度三分量数据，实现对目标异常体的定位。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁梯度张量的瞬变电磁实时动态超前探测方法，其特征在于：所述步骤3，以设置固定时间间隔的方式进行动态探测，即每隔时间t接收探头移动一次；或者根据掘进速度，以及掘进进尺大小进行动态探测，即巷道每掘进L米，接收探头移动一次。
3.根据权利要求1或2所述方法实现的一种基于磁梯度张量的瞬变电磁实时动态超前探测系统，其特征在于：所述探测系统包括：布置于巷道上方地面的矩形发射回线装置、发射站点，布置于监控室的控制系统、数据处理系统与接收机，布置于巷道中的接收探头与通信系统；
所述发射站点位于发射回线框外，包括发电机与发射系统，将矩形发射回线与发射系统连接，形成发射回路；所述发射系统用于发射阶跃波；所述控制系统用于对发射系统与接收系统同时进行校准授时，实现发射与接收系统的同步，也用于发送指令至接收机控制接收探头工作；所述通信系统传输接收探头探测到的数据至接收机，所述接收机接收与存储接收探头探测到的数据并将数据传输至数据处理系统；所述数据处理系统用于对数据实时处理并采用磁梯度张量反演实现对含水异常体的实时定位。
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