CN111812721B - 钻孔底部隐伏水害全方位超前探测装置及其方法 - Google Patents

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CN111812721B CN202010601018.2A CN202010601018A CN111812721B CN 111812721 B CN111812721 B CN 111812721B CN 202010601018 A CN202010601018 A CN 202010601018A CN 111812721 B CN111812721 B CN 111812721B
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Abstract

一种钻孔底部隐伏水害全方位超前探测装置及其方法，该装置包括收发装置和测斜模块，所述收发装置内设有接收装置，所述接收装置包含内骨架以及放置于内骨架内的长条磁芯，所述内骨架外中心法线指向长边方向绕制有接收垂直分量线圈，垂直绕制有接收水平分量线圈，所述收发装置还包含发射装置，所述发射装置包含位于接收装置外缘的外骨架，所述外骨架的外侧绕制有发射垂直分量线圈和发射水平分量线圈，且发射垂直分量线圈和发射水平分量线圈的等效面积相同；由此，本发明利用多源变电流组合发射和多分量并行接收的时域电磁探测装置，确保设备无需移动即可全方位观测设备前方的低阻异常体，最终实现钻孔底部前方隐伏水害的超前地质预报。

Description

钻孔底部隐伏水害全方位超前探测装置及其方法
技术领域
本发明涉及地球物理勘探的技术领域，尤其涉及一种钻孔底部隐伏水害全方位超前探测装置及其方法。
背景技术
煤矿事故大多出现在巷道掘进期间，突水事故是其中重大灾害之一，为保证巷道安全快速掘进，矿方极为关注未掘区域的隐蔽致灾因素，近年来，随着煤矿井下钻孔物探技术发展，能够探测钻孔径向地质异常体的方法已有较多种类，尤其是可能造成水害威胁的低阻异常体，探测手段和精度均达到了较高水平，但对于矿方非常关注的钻孔底部前方的隐蔽致灾因素探查尚无较好的方法。主要原因在于钻孔空间太小，探测设备无法在平面上移动或转动，不能进行二维或三维观测，缺乏足够的背景数据，也就很难给出前方地质异常的细致分布。
为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种钻孔底部隐伏水害全方位超前探测装置及其方法，以克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钻孔底部隐伏水害全方位超前探测装置及其方法，有效克服现有技术的缺陷，能全方位观测设备前方的低阻异常体，实现钻孔底部前方隐伏水害的超前地质预报。
为实现上述目的，本发明公开了一种钻孔底部隐伏水害全方位超前探测装置，包括收发装置和测斜模块，所述收发装置设置于测斜模块的前端，其特征在于：
所述收发装置内设有接收装置，所述接收装置包含内骨架以及放置于内骨架内的长条磁芯，所述内骨架外以长条磁芯的中心法线指向长边方向绕制有接收垂直分量线圈，所述内骨架外与长边反向垂直的方向绕制有接收水平分量线圈，所述收发装置还包含位于接收装置外的发射装置，所述发射装置包含位于接收装置外缘的外骨架，所述外骨架的中部外侧与接收垂直分量线圈的方向相同绕制有发射垂直分量线圈，在外骨架外与接收水平分量线圈相同的反向绕制有发射水平分量线圈，且发射垂直分量线圈和发射水平分量线圈的等效面积相同。
其中：由于发射垂直分量线圈的等效面积按照公式(1)进行计算：
SV＝nVπr2 (1)
式中nV为发射垂直分量线圈的匝数，r为外骨架的半径长度；
发射水平分量线圈的等效面积按照公式(2)进行计算：
SH＝2nHrl (2)
式中l为外骨架长边长度；
由公式(1)和公式(2)可推出发射水平分量线圈的匝数应为如下公式(3)所示：
Figure BDA0002558951510000021
其中nH为发射水平分量线圈22的匝数。
其中：还包含测试探管，所述测试探管包含发射装置，并在发射装置的外骨架中部内侧布设一个极小的测试接收线圈，测试接收线圈的匝数为20匝以下，线径为0.6mm以下，测试接收线圈绕一垂直轴旋转，轴上方有一固定量角器以控制测试接收线圈的中心法线直线角度。
其中：所述长条磁芯的长度为30-38cm，直径为3-3.5cm，接收垂直分量线圈为线径0.6mm的漆包线绕制125匝，接收水平分量线圈为线径0.1mm的漆包线绕制640匝。
其中：所述长条磁芯的长度为34cm，直径为3.2cm。
其中：还包含连接电缆和孔外主机，所述测斜模块后端通过连接电缆连接至孔外主机。
还公开了一种钻孔底部隐伏水害全方位超前探测方法，其特征在于包含如下步骤：
步骤一：安装调试设备，将收发装置、测斜模块、连接电缆和孔外主机进行依次连接且放入钻孔内，准备对超前探测区域进行超前探测；
步骤二：一组发射电流组合探测完成后，改变水平分量发射线圈电流方向，测量反方向电流组合二次场信号，两组组合全部测量后，即完成了一个扇形超前探测剖面；
步骤三：通过旋转推送杆改变探管工具面角，改动幅度不小于15°，重复步骤二，直至工具面角转动180度，此时完成钻孔底板前方的全方位探测；
步骤四：将主机中测量的所有二次数据及对应的工具面角信息全部导出至地面电脑中；
步骤五：根据线圈匝数、电流强度、电流关断时间等参数计算关断影响，从所有实测二次场数据中消除其影响；
步骤六：对所有测点的垂直分量数据进行多项式拟合，提取一组背景场数据，并用所有测点的实测数据与其进行比值运算，提取垂直分量纯异常场比值数据，同理提取所有测点的水平分量纯异常场比值数据；
步骤七：根据发射电流组合对应的一次场角度根据矢量合成原理将两个方向的纯异常场合成，并与数值模拟的背景曲线组合重构成全新的合成总场数据；
步骤八：对所有的合成总场数据采用带约束的自适应反演算法计算对应的深度和电阻率；
步骤九：将同一工具面角标签下的测点合成数据反演结果根据一次场角度分解为平面扇形坐标参数，绘制每一工具面角标签下的钻孔底部前方电阻率扇形平面展示图；
步骤十：将所有测点合成数据根据一次场角度和工具面角分解为三维空间坐标参数，绘制钻孔底部前方电阻率立体展示图，其中低阻异常体即代表未知的隐伏水害。
其中：步骤一中包含通过测试探管进行测试，根据设置好的发射电流组合，按照一定的角度间隔旋转小型测试接收线圈，将接收信号最强的角度记为此组发射电流组合的探测角度；在90°范围内应至少确定7个探测角度。
通过上述内容可知，本发明的钻孔底部隐伏水害全方位超前探测装置及其方法具有如下效果：
1、利用多源变电流组合发射和多分量并行接收的时域电磁探测装置，确保设备无需移动即可全方位观测设备前方的低阻异常体，最终实现钻孔底部前方隐伏水害的超前地质预报。
2、同时以不同强度发射电流激发双正交小线圈、双分量共同采集二次时域电磁场信号，效率更高。
本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。
附图说明
图1显示了本发明的接收装置的示意图。
图2显示了本发明的发射装置的示意图。
图3显示了本发明的测试探管的示意图。
图4显示了本发明孔底超前探测工作方式示意图。
图5显示了本发明改变方位角后的孔底超前探测工作方式示意图。
图6显示了本发明的一次完整测量的测点空间分布正视图。
图7显示了本发明的对应一个工具面角的扇形平面超前探测结果示意图。
图8显示了本发明的对应一次完整测量的三维立体超前探测结果示意图。
具体实施方式
参见图1至图8，显示了本发明的钻孔底部隐伏水害全方位超前探测装置及其方法。
所述钻孔底部隐伏水害全方位超前探测装置包括收发装置1、测斜模块2、连接电缆3和孔外主机4，所述收发装置1设置于测斜模块2的前端，所述测斜模块2后端通过连接电缆3连接至孔外主机4。
其中所述收发装置1内设有图1所示的接收装置，所述接收装置包含内骨架以及放置于内骨架内的长条磁芯10，所述内骨架外以长条磁芯10的中心法线指向长边方向绕制有接收垂直分量线圈11，所述内骨架外与长边反向垂直的方向绕制有接收水平分量线圈12，其中，所述长条磁芯10的长度为30-38cm，优选为34cm，直径为3-3.5cm，优选为3.2cm，接收垂直分量线圈11为线径0.6mm的漆包线绕制125匝，接收水平分量线圈12为线径0.1mm的漆包线绕制640匝，所述收发装置1还包含位于接收装置外的发射装置，参见图2，所述发射装置包含位于接收装置外缘的外骨架20(图中虚线即为接收装置)，所述外骨架的中部外侧与接收垂直分量线圈11的方向相同绕制有发射垂直分量线圈21，发射垂直分量线圈21优选为1mm的漆包线绕制25匝，在外骨架20外与接收水平分量线圈12相同的反向绕制有发射水平分量线圈22，且发射垂直分量线圈21和发射水平分量线圈22的等效面积相同，两者采用相同的漆包线，由于发射垂直分量线圈21的等效面积按照公式(1)进行计算：
SV＝nVπr2 (1)
式中nV为发射垂直分量线圈21的匝数，r为外骨架20的半径长度。
发射水平分量线圈22的等效面积按照公式(2)进行计算：
SH＝2nHrl (2)
式中nH为水平分量发射线圈匝数，l为外骨架长边长度。
由公式(1)和公式(2)可推出发射水平分量线圈22的匝数应为如下公式(3)所示：
Figure BDA0002558951510000071
其中nH为发射水平分量线圈22的匝数。
其中，由于发射装置的线圈规格不一样，需要测试通以不同强度电流时的一次场方向，由此，设计了图3所示的测试探管，所述测试探管包含图2中所示的发射装置，并在发射装置的外骨架20中部内侧布设一个极小的测试接收线圈23，测试接收线圈23的匝数可控制20匝以下，线径可控制在0.6mm以下，让其可绕一垂直轴旋转，轴上方有一固定量角器24，固定量角器24可控制测试线圈中心法线直线角度，该测试探管测试时对发射垂直分量线圈21和发射水平分量线圈22提供不同强度方波发射电流，每组发射电流组合情况下，在0°到90°按一定角度间隔(如5°)旋转测试线圈，找到二次场测量幅值最大的一个角度，则将其记录为该组电流组合激发的一次场角度。在90°范围内需要找到不少于对应7个一次场角度(角度间隔尽量平均分布)的发射电流组合，将水平分量发射线圈找到的所有电流反向，可得到对应90°到180°范围内一次场角度的发射电流组合。
本发明还涉及一种钻孔底部隐伏水害全方位超前探测方法，其包含如下步骤：
步骤一：安装调试设备，将收发装置1、测斜模块2、连接电缆3和孔外主机4进行依次连接且放入钻孔101内，准备对超前探测区域102进行超前探测，其中测斜模块4确定工具面角5，在该步骤中，还可通过测试探管进行前期的测试，以确定发射装置的水平分量一次场方向6和垂直分量一次场方向7，从而得到合成一次总场方向8.
步骤二：如图4所示，在工具面角5初始角度位置(如0°)，按照测试中得出的发射电流组合逐个发射，并使用接收装置的接收垂直分量线圈11和接收水平分量线圈12同时接收信号，完成该工具面角的扇形超前探测，将两个分量的二次场信号、工具面角等信息通过后方的连接电缆3传递至孔口主机4处记录和显示。
步骤三：一组发射电流组合测量完毕后，旋转推送杆改变收发装置的工具面角，改变量不小于15°，重复步骤二的观测方式，直到工具面角比初始角度旋转了180°(如图6所示，如果工具面角变化间隔为45°，则探测了4组扇形超前剖面，正视图形成“米”字形测线)。
步骤四：将主机中测量的所有二次数据及对应的工具面角信息全部导出至地面电脑中。
步骤五：根据线圈匝数、电流强度、电流关断时间等参数计算关断影响，从所有实测二次场数据中消除其影响。
首先根据公式(4)计算发射垂直分量线圈的电感系数：
Figure BDA0002558951510000091
式中，n为线圈匝数，L为单匝线圈自感系数，M为两匝线圈互感系数，μ0为真空磁导率，r为线圈半径。
公式(4)为通用公式，将其中所有参数替换为接收垂直分量线圈参数，即可求得接收垂直分量线圈的电感系数，发射垂直分量线圈的电感系数和接收垂直分量线圈的电感系数相加即得垂直分量总电感系数，同理可得水平分量总电感系数。
根据公式(5)可计算由电感引起的感应电动势为：
Figure BDA0002558951510000092
Figure BDA0002558951510000093
表示某一分量的总电感系数，dI/dt为电流关断期间的电流与关断时间的微分值，由于主机对电流全波形进行了记录，因此可用关断期间的电流差商代替微商。
此时从每一测点每一分量的实测二次场值ET中减去对应的
Figure BDA0002558951510000094
即可校正关断效应的影响。
步骤六：对所有测点的校正后垂直分量数据进行多项式拟合，提取一组背景场数据，并用所有测点的实测数据与其进行比值运算，提取垂直分量纯异常场数据。
如公式(6)，设校正后垂直分量总二次场由两部分组成：
E＝EB+EA (6)
EB为不存在异常时的地质背景场，EA为异常体的独立响应。对测线每一点的同一测道进行多项式拟合趋势面分析，即可求得背景场，而每一点的残差值即为纯异常场。
趋势面拟合公式(7)为：
EB＝b0+b1d+b2t+b3t2+b4dt+b5t2+…+bL-1tP (7)
式中，d为测点距离，t为时间道，P为趋势面的次数，b0,b1,b2,…bL-1为待定系数，
Figure BDA0002558951510000101
为拟合系数的个数。
将校正后垂直分量总二次场E代入公式(7)，参照最小二乘法估值原理，通过公式(8)得到：
Figure BDA0002558951510000102
根据极值定理，为使Q达到最小，对式(8)求导后求取线性方程组，即可求出式(7)的L个系数值，进而求出背景EB和异常体的独立响应EA，由如下公式(9)求取垂直分量纯异常场比值数据：
Figure BDA0002558951510000103
通过同样的方法可提取出水平分量纯异常场比值数据。
步骤七：对一组测线(同一工具面角)，根据发射电流组合对应的一次场角度根据矢量合成原理将两个方向的纯异常场合成，并与数值模拟的背景曲线组合重构成全新的合成总场数据。
根据公式(10)矢量合成对应一次场角度的总场纯异常场比值数据
Figure BDA0002558951510000104
式中
Figure BDA0002558951510000105
为总场纯异常场比值数据，
Figure BDA0002558951510000106
为垂直分量纯异常场比值数据，
Figure BDA0002558951510000111
水平分量纯异常场比值数据，θ为对应的一次场角度。
再根据公式(11)与数值模拟的背景曲线组合重构成全新的合成总场数据。
Figure BDA0002558951510000112
式中，ET为重构后的合成总场数据，
Figure BDA0002558951510000113
为数值模拟的背景场数据。
步骤八：对所有的合成总场数据采用带约束的自适应反演算法计算对应的深度和电阻率
反演目标函数设为
Figure BDA0002558951510000114
式中μ是拉格朗日因子，d是观测数据向量，F是正演算子，m为模型参数向量，
Figure BDA0002558951510000115
是反演所要求达到的拟合差，W＝diag{1/σ1,1/σ2,...,σj,...,1/σm}是第j个数据的标准差，
Figure BDA0002558951510000116
是模型粗糙度函数，z为探测距离。
迭代公式(13)为：
Figure BDA0002558951510000117
式中Δmk是第k次反演的模型修改量，Δdk是第k次模型响应与观测数据的残差，J1是雅可比矩阵，其元素就可表现为
Figure BDA0002558951510000118
令第k次反演的拉格朗日因子为公式(14)：
Figure BDA0002558951510000119
即可实现反演的自适应调节，保障了使目标函数达到极小的同时，也能使模型光滑度函数达到极小。
进一步加入可行域约束：
a)先判断每一层反演电阻率是否超出给定的下限md和上限mu，根据经验可取md为0.1Ω·m，取mu为10000Ω·m。
b)如果某一层电阻率超出给定的范围，那么当前的模型修正量Δmk＝Δmk/2，直到每一层电阻率满足电阻率变化范围。
c)为了不使反演结果快速的陷入局部极小，还需要使每次迭代的修正量的一范数不能超过一个上限，即||Δmk||1＜mmax，根据经验mmax一般在30Ω·m到50Ω·m之间选取。
完成以上反演流程，即可求得对应ET的探测半径和电阻率分布。
步骤九：将同一工具面角标签下的测点合成数据反演结果根据一次场角度θ分解为平面扇形坐标参数，即将与电阻率ρ对应的深度H根据如下公式(15)和(16)转换为二维平面X2、Z2坐标
X2＝Hcosθ (15)
Z2＝Hsinθ (16)
之后可利用Suffer软件绘制每一工具面角标签下的钻孔底部前方电阻率扇形平面展示图，如图7所示。
步骤十：将所有测点合成数据根据一次场角度θ和工具面角α分解为三维空间坐标参数，即将与电阻率ρ对应的深度H根据如下公式(17)、(18)、(19)转换为三维立体X3、Y3、Z3坐标
X3＝X2cosα＝Hcosθcosα (17)
Y3＝X2sinα＝Hcosθsinα (18)
Z3＝Z2＝Hsinθ (19)
之后可利用Voxler软件绘制钻孔底部前方电阻率立体展示图，其中低阻异常体即代表未知的隐伏水害，如图8所示。
由此可见，本发明的优点在于：
1、利用多源变电流组合发射和多分量并行接收的时域电磁探测装置，确保设备无需移动即可全方位观测设备前方的低阻异常体，最终实现钻孔底部前方隐伏水害的超前地质预报。
2、同时以不同强度发射电流激发双正交小线圈、双分量共同采集二次时域电磁场信号，效率更高。
显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。

Claims (8)

1.一种钻孔底部隐伏水害全方位超前探测装置，包括收发装置和测斜模块，所述收发装置设置于测斜模块的前端，其特征在于：
所述收发装置内设有接收装置，所述接收装置包含内骨架以及放置于内骨架内的长条磁芯，所述内骨架外以长条磁芯的中心法线指向长边方向绕制有接收垂直分量线圈，所述内骨架外与长边反向垂直的方向绕制有接收水平分量线圈，所述收发装置还包含位于接收装置外的发射装置，所述发射装置包含位于接收装置外缘的外骨架，所述外骨架的中部外侧与接收垂直分量线圈的方向相同绕制有发射垂直分量线圈，在外骨架外与接收水平分量线圈相同的反向绕制有发射水平分量线圈，且发射垂直分量线圈和发射水平分量线圈的等效面积相同。
2.如权利要求1所述的钻孔底部隐伏水害全方位超前探测装置，其特征在于：由于发射垂直分量线圈的等效面积按照公式(1)进行计算：
SV＝nVπr2 (1)
式中nV为发射垂直分量线圈的匝数，r为外骨架的半径长度；
发射水平分量线圈的等效面积按照公式(2)进行计算：
SH＝2nHrl (2)
式中l为外骨架长边长度；
由公式(1)和公式(2)可推出发射水平分量线圈的匝数应为如下公式(3)所示：
Figure FDA0003956075840000021
其中nH为发射水平分量线圈22的匝数。
3.如权利要求1所述的钻孔底部隐伏水害全方位超前探测装置，其特征在于：还包含测试探管，所述测试探管包含发射装置，并在发射装置的外骨架中部内侧布设一个极小的测试接收线圈，测试接收线圈的匝数为20匝以下，线径为0.6mm以下，测试接收线圈绕一垂直轴旋转，轴上方有一固定量角器以控制测试接收线圈的中心法线直线角度。
4.如权利要求1所述的钻孔底部隐伏水害全方位超前探测装置，其特征在于：所述长条磁芯的长度为30-38cm，直径为3-3.5cm，接收垂直分量线圈为线径0.6mm的漆包线绕制125匝，接收水平分量线圈为线径0.1mm的漆包线绕制640匝。
5.如权利要求4所述的钻孔底部隐伏水害全方位超前探测装置，其特征在于：所述长条磁芯的长度为34cm，直径为3.2cm。
6.如权利要求1所述的钻孔底部隐伏水害全方位超前探测装置，其特征在于：还包含连接电缆和孔外主机，所述测斜模块后端通过连接电缆连接至孔外主机。
7.一种基于权利要求1-6任一一项所述的全方位超前探测装置的钻孔底部隐伏水害超前探测方法，其特征在于包含如下步骤：
步骤一：安装调试设备，将收发装置、测斜模块、连接电缆和孔外主机进行依次连接且放入钻孔内，准备对超前探测区域进行超前探测；
步骤二：一组发射电流组合探测完成后，改变水平分量发射线圈电流方向，测量反方向电流组合二次场信号，两组组合全部测量后，即完成了一个扇形超前探测剖面；
步骤三：通过旋转推送杆改变探管工具面角，改动幅度不小于15°，重复步骤二，直至工具面角转动180度，此时完成钻孔底板前方的全方位探测；
步骤四：将主机中测量的所有二次数据及对应的工具面角信息全部导出至地面电脑中；
步骤五：根据线圈匝数、电流强度、电流关断时间参数计算关断影响，从所有实测二次场数据中消除其影响；
步骤六：对所有测点的垂直分量数据进行多项式拟合，提取一组背景场数据，并用所有测点的实测数据与其进行比值运算，提取垂直分量纯异常场比值数据，同理提取所有测点的水平分量纯异常场比值数据；
步骤七：根据发射电流组合对应的一次场角度根据矢量合成原理将两个方向的纯异常场合成，并与数值模拟的背景曲线组合重构成全新的合成总场数据；
步骤八：对所有的合成总场数据采用带约束的自适应反演算法计算对应的深度和电阻率；
步骤九：将同一工具面角标签下的测点合成数据反演结果根据一次场角度分解为平面扇形坐标参数，绘制每一工具面角标签下的钻孔底部前方电阻率扇形平面展示图；
步骤十：将所有测点合成数据根据一次场角度和工具面角分解为三维空间坐标参数，绘制钻孔底部前方电阻率立体展示图，其中低阻异常体即代表未知的隐伏水害。
8.如权利要求7所述的钻孔底部隐伏水害全方位超前探测方法，其特征在于：步骤一中包含通过测试探管进行测试，根据设置好的发射电流组合，按照一定的角度间隔旋转小型测试接收线圈，将接收信号最强的角度记为此组发射电流组合的探测角度；在90°范围内应至少确定7个探测角度。
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