CN111929741A - 5g+cmft—r时域电磁场勘探系统与方法 - Google Patents

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万之杰
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Abstract

本发明公开了5G+CMFT—R时域电磁场勘探系统与方法，适用于煤矿开采过程中顶板水害的探测与防治。鉴于我国西北地区煤层顶板厚、地表复杂等特点，针对现有地面和井下瞬变电磁探测方法的不足，本发明采用发射线圈环绕采煤工作面方式实施一次电磁场发射，连接井下信号发射和地面信号采集系统，完成接收发射同频同步；地面用接收线圈按测网布置逐点接收二次电磁场。将采集完成后的电流和电压数据转化成视电阻率数据，以获取不同层位的视电阻率图像并进行异常解释。本发明能够充分发挥瞬变电磁法在西北煤矿区的探测优势，以更低的成本获得更高精度的探测结果，能够准确地判定煤层顶板富水区空间位置，从而为煤矿的安全、高效生产提供可靠的技术参数。

Description

5G+CMFT—R时域电磁场勘探系统与方法
技术领域
本发明涉及煤矿开采水害探测与防治技术领域，具体是5G+CMFT—R时域电磁场勘探系统与方法。
背景技术
我国西北地区的早中侏罗纪煤田煤层层数多、厚度大，资源丰富，近年来部分煤田弱富水软岩水-沙混合型间歇式突水事故多发，短时水量大，严重威胁矿井安全生产。因此，需要利用地球物理勘探手段来探明煤矿中的富水异常区域，以便于制定相应的防范措施。瞬变电磁法由于施工效率高、纯二次场观测以及对低阻体敏感，使得它在当前的煤田水文地质勘探中成为首选方法。由于西北地区地表沟壑纵横、地形起伏大，导致地面瞬变电磁法操作困难、施工成本高。此外，该区域煤层顶板探测要求深度通常在150m以上，而井下瞬变电磁法探测有效距离在100m以内，无法满足井下安全生产要求，并且井下瞬变电磁法受煤矿内仪器设备、金属管道等干扰，数据值易产生畸变，导致探测结果不可靠。近年提出的“一种基于井上下空间立体瞬变电磁数据采集的探测系统”能够实现立体动态探测、提高探测精度，但存在发射线圈受地表起伏影响、接收区域仅限制于巷道内部，无法反映工作面内顶板岩层赋水性特征等缺点。
本发明基于现有地面和井下瞬变电磁法探测能力的不足，针对我国西北部煤矿区水害防治难点，提出5G+CMFT—R时域电磁场勘探系统与方法，旨在降低成本、提高探测结果的准确性，满足矿井安全、高效的生产要求。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供5G+CMFT—R时域电磁场勘探系统与方法，以解决瞬变电磁法在井下探测距离有限、分辨能力差、数据不可靠，在地面受地形影响施工困难、成本高等问题，提高探测结果的准确性，满足矿井安全、高效的生产要求。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
5G+CMFT—R时域电磁场勘探系统，其特征在于：系统包括井下信号发射系统、地面信号采集系统、数据传输控制系统和数据成像解译系统。
所述井下信号发射系统包括发射机模块、发射线圈模块。
所述地面信号采集系统包括接收机模块、接收线圈模块。
所述数据传输控制系统包括矿用光纤电缆、5G井下通讯基站、5G地面通讯基站，其两端分别与井下信号发射系统和地面信号采集系统连接。
所述数据成像解译系统安装于接收机内。
作为优选，所述发射机为可发射大电流的高功率发射机，内置发射电源、5G信号接收模块，发射机一般具有防爆性能；
作为优选，所述发射线圈由优质铜线制成，可承载大电流、高电压；
作为优选，所述接收机内置5G信号接收模块，具有待机时间长，采样率高等特点；一般待机时间不小于8小时，采样间隔小于1μs，采样频率高于1M；
作为优选，所述接收线圈由优质铜线制成，可绕制多匝，具有频带宽，灵敏度高等特点；
5G+CMFT—R时域电磁场勘探方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)测网布置：根据探测区域的地质资料和煤层开采记录，获取待测工作面在地面垂直投影的大地坐标，将地面投影范围在X和Y方向各延展一定比例n(1.3≤n≤1.5)作为测网范围，在测网范围内根据勘探要求精度布置测线和测点，原则是线距≤40m、点距≤20m；
(2)系统布置：首先将发射线圈布置在巷道内并围绕工作面一周，线圈两端分别与发射机接口连接，用于发射电磁波，发射机通过内置5G信号接收模块与5G井下通讯基站相连，同时将接收线圈与接收机接口连接，接收机通过内置5G信号接收模块与5G地面通讯基站相连，5G井下通讯基站通过矿用光纤电缆与5G地面通讯基站连接通讯，最终实现接收发射同频同步；
(3)发射与接收：井下发射机按探测要求设置参数，开始发射脉冲磁场并记录电流数据，地面按测网的网格点逐点接收二次电磁场信号并记录电压数据；
(4)数据处理与成像：将采集到的电流、电压数据通过专业软件转化成视电阻率数据，获取不同层位的视电阻率图像，并分析电磁波响应特征。
本发明的有益效果：
(1)本发明充分考虑了矿井环境的特点，将发射线圈环绕整个工作面，避免了地面瞬变电磁法受地形起伏大、操作困难、施工成本高等问题。
(2)利用大功率发射机在井下发射大磁矩瞬变电磁信号，克服了传统矿井小线圈瞬变电磁探测距离短、精度低及施工复杂的问题，能获取更强的瞬变电磁响应信息，从而提高对煤层顶板岩层赋水性的判定精度，为矿井安全生产提供可靠的技术依据。
(3)本发明采用井下发射一次电磁场和地面接收二次感应电磁场的“透射”工作模式，针对煤层顶板不同岩层形成了电磁场透视观测方式，数据解析成像结果较现有瞬变电磁探测具有更高的分辨率，尤其是对电性异常区深度的判定更准确。
(4)本发明中地面探测区域大于工作面投影区域，可为煤层开采实际破坏区域提供更全面、丰富的瞬变电磁数据，满足矿井安全生产的需求。
附图说明
图1为本发明观测方法立体示意图其中：1、测网，2、测线，3、测点，4、富水异常体，5、煤层6、发射线圈，7、巷道，8、发射机，9、5G井下通讯基站，10、接收机，11、接收线圈，12、5G地面通讯基站，13、矿用光纤电缆。
具体实施方式
本发明用下列实施案例来进一步说明，但本发明的保护范围并不限于下列实施案例。
参考图1，本发明所述的5G+CMFT—R时域电磁场勘探系统，包括井下信号发射系统、地面信号采集系统、数据传输控制系统和数据成像解译系统。所述井下信号发射系统包括发射机模块8、发射线圈模块6，发射机8为可发射大电流的高功率发射机，内置发射电源、5G信号接收模块，发射机8一般具有防爆性能，发射线圈6由优质铜线制成，可承载大电流、高电压；所述地面信号采集系统包括接收机模块10、接收线圈模块11，接收机10内置5G信号接收模块，具有待机时间长，采样率高等特点；一般待机时间不小于8小时，采样间隔小于1μs，采样频率高于1M，接收线圈11由优质铜线制成，可绕制多匝，具有频带宽，灵敏度高等特点；所述数据传输控制系统包括矿用光纤电缆13、5G井下通讯基站9、5G地面通讯基站12，其两端分别与井下信号发射系统和地面信号采集系统连接；所述数据成像解译系统安装于接收机内。
5G+CMFT—R时域电磁场勘探方法，包括以下步骤：
(1)测网布置：根据探测区域的地质资料和煤层开采记录，获取待测工作面在地面垂直投影的大地坐标，将地面投影范围在X和Y方向各延展一定比例n(1.3≤n≤1.5)作为测网范围，在测网范围内根据勘探要求精度布置测线和测点，原则是线距≤40m、点距≤20m；
(2)系统布置：首先将发射线圈布置在巷道内并围绕工作面一周，线圈两端分别与发射机接口连接，用于发射电磁波，发射机通过内置5G信号接收模块与5G井下通讯基站相连，同时将接收线圈与接收机接口连接，接收机通过内置5G信号接收模块与5G地面通讯基站相连，5G井下通讯基站通过矿用光纤电缆与5G地面通讯基站连接通讯，最终实现接收发射同频同步；
(3)发射与接收：井下发射机按探测要求设置参数，开始发射脉冲磁场并记录电流数据，地面按测网的网格点逐点接收二次电磁场信号并记录电压数据；
(4)数据处理与成像：将采集到的电流、电压数据通过专业软件转化成视电阻率数据，获取不同层位的视电阻率图像，并分析电磁波响应特征。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (6)

1.5G+CMFT—R时域电磁场勘探系统，其特征在于：系统包括井下信号发射系统、地面信号采集系统、数据传输控制系统和数据成像解译系统。所述井下信号发射系统包括发射机模块、发射线圈模块。所述地面信号采集系统包括接收机模块、接收线圈模块。所述数据传输控制系统包括矿用光纤电缆、5G井下通讯基站、5G地面通讯基站，其两端分别与井下信号发射系统和地面信号采集系统连接。所述数据成像解译系统安装于接收机内。
2.如权利要求书1所述的5G+CMFT—R时域电磁场勘探系统，其特征是：所述发射机为可发射大电流的高功率发射机，内置发射电源、5G信号接收模块，发射机一般具有防爆性能。
3.如权利要求书1所述的5G+CMFT—R时域电磁场勘探系统，其特征是：所述发射线圈由优质铜线制成，可承载大电流、高电压。
4.如权利要求书1所述的5G+CMFT—R时域电磁场勘探系统，其特征是：所述接收机内置5G信号接收模块，具有待机时间长，采样率高等特点；一般待机时间不小于8小时，采样间隔小于1μs，采样频率高于1M。
5.如权利要求书1所述的5G+CMFT—R时域电磁场勘探系统，其特征是：所述接收线圈由优质铜线制成，可绕制多匝，具有频带宽，灵敏度高等特点。
6.基于权利要求1-5中任一项所述的系统的实施方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)测网布置：根据探测区域的地质资料和煤层开采记录，获取待测工作面在地面垂直投影的大地坐标，将地面投影范围在X和Y方向各延展一定比例n(1.3≤n≤1.5)作为测网范围，在测网范围内根据勘探要求精度布置测线和测点，原则是线距≤40m、点距≤20m；
(2)系统布置：首先将发射线圈布置在巷道内并围绕工作面一周，线圈两端分别与发射机接口连接，用于发射电磁波，发射机通过内置5G信号接收模块与5G井下通讯基站相连，同时将接收线圈与接收机接口连接，接收机通过内置5G信号接收模块与5G地面通讯基站相连，5G井下通讯基站通过矿用光纤电缆与5G地面通讯基站连接通讯，最终实现接收发射同频；
(3)发射与接收：井下发射机按探测要求设置参数，开始发射脉冲磁场，地面按测网的网格点逐点接收二次场电磁场信号，并记录数据；
(4)数据处理与成像：将采集到的数据通过专业软件转化成视电阻率数据，获取不同层位的视电阻率图像，并分析电磁波响应特征。
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