CN112255692A - 频率域电性源矿井超前电磁探测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种频率域电性源矿井超前电磁探测方法，适用于矿井巷道内进行远距离超前探测水使用。利用巷道空间布设长导线电性源，在巷道迎头的端面上设置‘十’型结构的电场传感器与迎头地层耦合，接收电场分量，将电场数据进行处理解释推断掘进头前方地质体构造特征，完成矿井超前探测。利用导线电性源为接触式电流源探测，定向性好；在迎头设置垂直结构的‘十’型电场传感器，通过接触式接收电场信号，干扰信号少；通过改变频率达到控制探测深浅的目的。

Description

频率域电性源矿井超前电磁探测方法
技术领域
本发明涉及一种探测方法，尤其适用于矿井巷道内进行远距离超前探测使用的一种频率域电性源矿井超前电磁探测方法，属于煤矿开采突水防治领域。
背景技术
在煤矿突水防治方面，瞬变电磁法得到了广泛的应用，减少了煤矿突水事故的发生，降低了经济损失，保证了人民的安全。矿井瞬变电磁法被广泛应用于煤矿防治水工作中，是目前矿井物探的主要手段之一，但受井下巷道施工空间所限，边长2-3m、匝数30-60的多匝小回线重叠或分离磁性源装置是矿井瞬变电磁法主要装置形式，但存在以下技术瓶颈。(1)发射磁矩小、探测有效距离短；(2)巷道金属锚网屏蔽作用严重和干扰信号强；(3)地质异常体的定向探测难。其中。以上问题产生的根本原因是多匝小回线磁性源瞬变电磁法受矿井下巷道施工环境影响。目前看来矿井下巷道环境不可改变，改变施工方式和源的性质有望缓解与根除上述问题，提出频率域电性源矿井超前电磁探测方法。
发明内容
发明问题：针对上述技术的不足之处，提供一种可以弥补小线圈发射的能量不足问题、可以改善全空间‘镜面效应’的多解性问题，可为矿井水防治提供更为可靠的地质资料的频率域电性源矿井超前电磁探测方法。
技术方案：为实现上述技术目的，本发明的频率域电性源矿井超前电磁探测方法，使用导线电流源、电场传感器和工矿主机，激发载流导线及电场传感器分别与工矿主机相连接，工矿主机采集激发载流导线及电场传感器的工作信号并记录，导线电流源顺着巷道铺设，用于向巷道迎头发射电磁波；将电场传感器镶嵌在巷道迎头，采集导线电流源发射进入巷道迎头的电磁波反射后携带有地层信息的电场信号；
具体的：
在巷道内顺着巷道走势布设导线电性源直至巷道迎头前方，同在时巷道迎头的端面上设置‘十’型结构的电场传感器与迎头地层耦合，利用‘十’型结构的电场传感器接收垂直方向上的两个电场，若迎头地层内部含水，则水作为良导地质体将会感应二次信号，所以当‘十’型结构的电场传感器接收到的携带有良导地质体的探测数据处理解释后，依照探测数据中存在的二次信号从而判断掘进工作面迎头前方是否存在导常体，以及异常体的相对大小和相对位置信息，从而实现井下施工的提前预警，避免出现施工灾害。
‘十’型结构的电场传感器对于接收到的两个方向上的电场分量，利用公式
Figure BDA0002729072270000021
将接收到的电场信号E转换为视电阻信息,利用趋肤深度公式
Figure BDA0002729072270000022
计算不同频率信号的探测深度，其中，PE＝IL。
所述‘十’型电场传感器为两个“一”字型电场传感器互相垂直组成的，‘十’型电场传感器布设在迎头用于接收两个垂直方向的电场；“一”字型电场传感的长度为2m。
确定井下实际探测迎头位置的步骤：
a.根据矿井地质资料，研究煤岩层的地层产状，根据地层产状特点设计电场传感器的布设形式，在巷道迎头断面上设置‘十’型电场传感器，并利用‘十’型电场传感器分别接收沿地层倾斜方向电场和垂直地层倾斜方向两个方向的电场，保持两个方向电场测量时处于同一个状态；
b.将工矿主机作为频率域电性源电磁主机通过电缆与‘十’型电场传感器相连接，得到‘十’型电场传感器反馈的电磁数据并进行存储，接收的电磁数据以[频率,视电导率]形式展示并存储，通过改变频率从而控制探测深浅。
矿井下组成‘十’型电场传感器的两个“一”字型电场传感器接受的电位差数据表征方式如下：
Ⅰ两个“一”字型电场传感器统一采用对数坐标系，将各自测得数据[频率，视电导率]绘制在对数坐标曲线；
Ⅱ将两个方向测量的电场分量数据进行视电导率换算或者电阻率反演，将会得到不同方向的地电信息，综合现有地电信息对地质体进行综合地质解释；
Ⅲ将电场数据以[频率,视电阻率]的形式存储，通过查看[频率,视电阻率]曲线初步判断煤岩层电导率变化趋势，进而判定地层富含水区域。
所述导线电流源使用的导线长度根据巷道长度和解决问题而定，导线电流源的一端挨着巷道迎头设置。
所述导线电流源位于巷道内和‘十’型电场传感器设置井下巷道迎头位置，通过旋转“‘十’型电场传感器可接受不同方向的电场信息，获得更为丰富的电磁响应，进而更为准确地判断地层富含水区域。
有益效果：与传统的电磁超前探测方法相比，本发明在巷道中铺设导线电性源直至巷道迎头前方，导线电性源为接触式电流源探测，定向性好；在迎头设置垂直结构的‘十’型电场传感器，‘十’型电场传感器与巷道岩壁接触式，接收电场信号，减少干扰信号；通过改变频率达到控制探测深浅的目的。
附图说明
图1为本发明井下频率域电性源矿井超前电磁探测方法探测示意图；
图2为本发明井下频率域电性源矿井超前探测地质异常体示意图；
图3为本发明矿井频率域电性源矿井超前探测结果示意图；
图4为本发明井下频率域电性源矿井超前电磁探测方法流程图。
具体实施方法
下面结合具体附图中的实施例对本发明作进一步的描述：
如图1所示，本发明频率域电性源矿井超前电磁探测方法，使用导线电流源、电场传感器和工矿主机，激发载流导线及电场传感器分别与工矿主机相连接，工矿主机采集激发载流导线及电场传感器的工作信号并记录，导线电流源顺着巷道铺设，用于向巷道迎头发射电磁波；将电场传感器镶嵌在巷道迎头，采集导线电流源发射进入巷道迎头的电磁波反射后携带有地层信息的电场信号；
如图4所示，具体的：
在巷道内顺着巷道走势布设导线电性源直至巷道迎头前方，同在时巷道迎头的端面上设置‘十’型结构的电场传感器与迎头地层耦合，所述‘十’型电场传感器为两个“一”字型电场传感器互相垂直组成的，‘十’型电场传感器布设在迎头用于接收两个垂直方向的电场；“一”字型电场传感的长度为2m；
确定井下实际探测迎头位置的步骤：
a.根据矿井地质资料，研究煤岩层的地层产状，根据地层产状特点设计电场传感器的布设形式，在巷道迎头断面上设置‘十’型电场传感器，并利用‘十’型电场传感器分别接收沿地层倾斜方向电场和垂直地层倾斜方向两个方向的电场，保持两个方向电场测量时处于同一个状态；
b.将工矿主机作为频率域电性源电磁主机通过电缆与‘十’型电场传感器相连接，得到‘十’型电场传感器反馈的电磁数据并进行存储，接收的电磁数据以[频率,视电导率]形式展示并存储，通过改变频率从而控制探测深浅；
利用‘十’型结构的电场传感器接收垂直方向上的两个电场，若迎头地层内部含水，则水作为良导地质体将会感应二次信号，所以当‘十’型结构的电场传感器接收到的携带有良导地质体的探测数据处理解释后，依照探测数据中存在的二次信号从而判断掘进工作面迎头前方是否存在导常体，图2表示迎头前方有异常体时源发出的电流穿过异常体，异常体的相对大小和相对位置信息，从而实现井下施工的提前预警，避免出现施工灾害。图3为超前探测结果，用以表示迎头前方探测频率与电阻率变化趋势；
‘十’型结构的电场传感器对于接收到的两个方向上的电场分量，利用公式
Figure BDA0002729072270000041
将接收到的电场信号E转换为视电阻信息,利用趋肤深度公式
Figure BDA0002729072270000042
计算不同频率信号的探测深度，其中，PE＝IL。
矿井下组成‘十’型电场传感器的两个“一”字型电场传感器接受的电位差数据表征方式如下：
Ⅰ两个“一”字型电场传感器统一采用对数坐标系，将各自测得数据[频率，视电导率]绘制在对数坐标曲线；
Ⅱ将两个方向测量的电场分量数据进行视电导率换算或者电阻率反演，将会得到不同方向的地电信息，综合现有地电信息对地质体进行综合地质解释；
Ⅲ将电场数据以[频率,视电阻率]的形式存储，通过查看[频率,视电阻率]曲线初步判断煤岩层电导率变化趋势，进而判定地层富含水区域。
所述导线电流源使用的导线长度根据巷道长度和解决问题而定，导线电流源的一端挨着巷道迎头设置。
所述导线电流源位于巷道内和‘十’型电场传感器设置井下巷道迎头位置，通过旋转“‘十’型电场传感器可接受不同方向的电场信息，获得更为丰富的电磁响应，进而更为准确地判断地层富含水区域。

Claims (7)

1.一种频率域电性源矿井超前电磁探测方法，使用导线电流源、电场传感器和工矿主机，其特征在于：激发载流导线及电场传感器分别与工矿主机相连接，工矿主机采集激发载流导线及电场传感器的工作信号并记录，导线电流源顺着巷道铺设，用于向巷道迎头发射电磁波；将电场传感器镶嵌在巷道迎头，采集导线电流源发射进入巷道迎头的电磁波反射后携带有地层信息的电场信号；
具体的：
在巷道内顺着巷道走势布设导线电性源直至巷道迎头前方，同时在巷道迎头的端面上设置‘十’型结构的电场传感器与迎头地层耦合，利用‘十’型结构的电场传感器接收垂直方向上的两个电场，若迎头地层内部含水，则水作为良导地质体将会感应二次信号，所以当‘十’型结构的电场传感器接收到的携带有良导地质体的探测数据处理解释后，依照探测数据中存在的二次信号从而判断掘进工作面迎头前方是否存在导常体，以及异常体的相对大小和相对位置信息，从而实现井下施工的提前预警，避免出现施工灾害。
2.根据权利要求1所述的频率域电性源矿井超前电磁探测方法，其特征在于：‘十’型结构的电场传感器对于接收到的两个方向上的电场分量，利用公式
Figure FDA0002729072260000011
将接收到的电场信号E转换为视电阻信息,利用趋肤深度公式
Figure FDA0002729072260000012
计算不同频率信号的探测深度，其中，PE＝IL。
3.根据权利要求1所述的频率域电性源矿井超前电磁探测方法，其特征在于：所述‘十’型电场传感器为两个“一”字型电场传感器互相垂直组成的，‘十’型电场传感器布设在迎头用于接收两个垂直方向的电场；“一”字型电场传感的长度为2m。
4.根据权利要求1或3所述的频率域电性源矿井超前电磁探测方法，其特征在于确定井下实际探测迎头位置的步骤：
a.根据矿井地质资料，研究煤岩层的地层产状，根据地层产状特点设计电场传感器的布设形式，在巷道迎头断面上设置‘十’型电场传感器，并利用‘十’型电场传感器分别接收沿地层倾斜方向电场和垂直地层倾斜方向两个方向的电场，保持两个方向电场测量时处于同一个状态；
b.将工矿主机作为频率域电性源电磁主机通过电缆与‘十’型电场传感器相连接，得到‘十’型电场传感器反馈的电磁数据并进行存储，接收的电磁数据以[频率,视电导率]形式展示并存储。
5.根据权利要求4所述的频率域电性源矿井超前电磁探测方法，其特征在于：矿井下组成‘十’型电场传感器的两个“一”字型电场传感器接受的电位差数据表征方式如下：
Ⅰ两个“一”字型电场传感器统一采用对数坐标系，将各自测得数据[频率，视电导率]绘制在对数坐标曲线；
Ⅱ将两个方向测量的电场分量数据进行视电导率换算或者电阻率反演，将会得到不同方向的地电信息，综合现有地电信息对地质体进行综合地质解释㈩
Ⅲ将电场数据以[频率,视电阻率]的形式存储，通过查看[频率,视电阻率]曲线初步判断煤岩层电导率变化趋势，进而判定地层富含水区域。
6.根据权利要求1所述的频率域电性源矿井超前电磁探测方法，其特征在于：所述导线电流源使用的导线长度根据巷道长度和解决问题而定，导线电流源的一端挨着巷道迎头设置。
7.根据权利要求1所述的频率域电性源矿井超前电磁探测方法，其特征在于：所述导线电流源位于巷道内和‘十’型电场传感器设置井下巷道迎头位置，通过旋转“‘十’型电场传感器可接受不同方向的电场信息，获得更为丰富的电磁响应，进而更为准确地判断地层富含水区域。
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