CN114252929A - 一种矿井底板水源核磁共振探测装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种矿井底板水源核磁共振探测装置及其工作方法，包括主机，主机与发射系统连接，用于向发射系统发送发射指令，以控制所述发射系统向与其连接的发射线圈发射脉冲，驱动设置于矿井底板区域的发射线圈工作，以探测水源；接收线圈布置于发射线圈的下方，用于接收回波信号，接收系统与接收线圈连接，主机与接收系统连接，用于对预处理后的回波信号进行信号处理，提取电阻率分布特征和核磁共振核函数三维分布特征，根据两种分布特征，采用迭代算法反演三维含水率分布，且在反演过程中引入全变分项以降低反演多解性，得到矿井底板水源的三维位置和形态特征；本公开能够进行施工矿井中底板灾害水源的定量化预报。

Description

一种矿井底板水源核磁共振探测装置及其工作方法

技术领域

本公开属于地球物理勘探技术领域，具体涉及一种矿井底板水源核磁共振探测装置及其工作方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着煤田煤炭资源日趋紧缺，矿井开采逐步向深部延拓，其生产受底板灰岩裂隙岩溶水威胁。因此，在矿井生产过程中物探先行，提前探明矿井底板水分布特征，及时采取地层加固、疏水降压等手段进行处理，对于保障矿井安全至关重要。目前矿井地板水探测领域多采用直流电法或瞬变电磁法，通过探测低阻异常间接获取地下含水体位置。该类传统探测方案可能受到非水低阻体干扰，并且难以评价含水率。

与之相比，核磁共振探测是一种近几年新发展起来的，能够直接对地层中水分进行定量探测的地球物理探测方法。该方法利用水中氢质子具有的顺磁特性，通过线圈施加激发磁场，使得氢质子产生共振发生跃迁；关断激发磁场后，氢质子恢复原有状态，产生核磁共振信号。地层中的水量越大，核磁共振信号越强，可实现对水量的直接定量探测，被公认为是一种直接定量探水技术。传统矿井核磁工作探测受井下极端环境限制，在探测分辨率、探测精度、探测深度等多方面无法充分发挥对勘探开发的指导作用。具体来说，存在以下问题：

其一，矿井空间狭小，布设线圈空间有限，传统正方形线圈形式使得其覆盖面积更加受限，不利于发射和接收，使得核磁共振矿井底板水探测深度受到限制，难以满足工程需求。

其二，井中钢拱架、钢筋网、传输电缆等干扰因素较多，影响核磁共振探测信号信噪比，降低了核磁共振探测的探测精度和探测分辨率。

其三，传统核磁共振多采用基于均匀半空间或层状模型的一维反演，较少考虑矿井结构、地下电阻率分布等对核磁共振探测信号的影响，当地下环境复杂时，反演所得含水率分布误差较大。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种矿井底板水源核磁共振探测装置及其工作方法，本公开能够进行施工矿井中底板灾害水源的定量化预报，相对于传统核磁共振探测手段在矿井底板水源探测的分辨率、精度和深度上有所提升。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种矿井底板水源核磁共振探测装置，包括主机、发射系统、接收系统、发射线圈和接收线圈，其中：

所述主机与发射系统连接，用于向发射系统发送发射指令，以控制所述发射系统向与其连接的发射线圈发射脉冲，驱动设置于矿井底板区域的发射线圈工作，以探测水源；

所述接收线圈布置于发射线圈的下方，用于接收回波信号，所述接收系统与接收线圈连接，用于对所述回波信号进行预处理；

所述主机与接收系统连接，用于对预处理后的回波信号进行信号处理，提取电阻率分布特征和核磁共振核函数三维分布特征，根据两种分布特征，采用迭代算法反演三维含水率分布，且在反演过程中引入全变分项以降低反演多解性，得到矿井底板水源的三维位置和形态特征。

作为可选择的实施方式，所述发射系统包括控制器、脉冲信号波形发生器、脉冲输出驱动电路、脉冲关断和极性转换保护电路、发送电流检测组件和输出信号调整电路，所述控制器与主机连接，且和脉冲信号波形发生器连接，所述脉冲信号波形发生器与脉冲输出驱动电路连接，脉冲输出驱动电路的输出端设置有脉冲关断和极性转换保护电路，以形成驱动信号，所述发送电流检测组件用于检测该驱动信号，并反馈至输出信号调整电路和控制器，所述输出信号调整电路与所述脉冲输出驱动电路连接。

作为可选择的实施方式，所述发射系统与电源连接。

作为可选择的实施方式，所述接收系统，包括与接收线圈连接的隔离电路，与隔离电路连接的前置放大电路，与前置放大电路连接的滤波放大电路，以及与滤波放大电路、主机连接的采集电路。

作为可选择的实施方式，所述发射线圈和接收线圈，均包括多匝长方形线圈，且长方形线圈的短边边长与矿井巷道宽度相匹配，长边边长按短边边长的1.5～3倍范围设置。

作为可选择的实施方式，所述主机、发射系统、接收系统、发射线圈、接收线圈和连接的电缆均经过防爆处理。

基于上述装置的工作方法，包括以下步骤：

测量矿井巷道内地磁场值，作为静态磁场，根据静态磁场计算Larmor频率；

控制主机对发射系统发送信号，发射系统通过发射线圈开始发射脉冲，发射停止后接收系统采集信号，经过接收系统将接收线圈采集的回波信号进行预处理，得到核磁共振探测数据；

进行多次探测，并将获得的核磁共振探测数据取平均，探测结束后不发射信号，仅凭接收系统和接收线圈记录噪声数据，根据噪声数据特征对探测所得核磁共振响应数据进行去噪；

获取矿井底板下方电阻率分布特征，进行基于有限单元法的核磁共振正演，获得矿井底板下方的核磁共振核函数三维分布特征；

利用核函数分布和探测所得的核磁共振信号，进行矿井底板下方含水率三维分布反演，反演过程中，引入全变分项降低反演多解性，得到矿井底板水源的三维位置和形态特征。

作为可选择的实施方式，核磁共振核函数三维分布特征的计算过程包括：

其中ω₀为Larmor频率，M₀为单位体积内水的静磁化强度常数，I为激发电流强度，B_⊥为激发磁场在地下的三维分布，γ为水中氢质子的旋磁比，q为核磁共振激发脉冲距。

作为可选择的实施方式，进行矿井底板下方含水率三维分布反演的具体过程包括：核磁共振响应信号和三维核函数分布与三维含水率分布的关系如下：

E₀(q)＝∫K·n dV

其中E₀为核磁共振响应信号，q为核磁共振激发脉冲距，K为三维核函数分布，n为三维含水率分布。

作为可选择的实施方式，反演过程中，引入全变分项降低反演多解性的具体过程包括：将探测装置下方的一个三维区域设置为反演区域，用正方形规则网格对其进行剖分，计算每个网格对应的核函数数值，采用迭代方式求解含水率范围分布，目标函数为：

目标函数由两部分构成，前部分为核磁共振拟合项，K、n、E分别为三维核函数、三维含水率和核磁共振响应信号的矩阵形式，后部分为三维含水率的全变分，α为两部分强度的协调参数。

作为可选择的实施方式，含水率三维分布的计算过程通过LBFGS算法迭代求解三维。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开采用大功率发射系统和多匝长方形发射和接收线圈，提升线圈中的电流强度和线圈的等效面积，以提升激发磁场强度，进而获取更强的核磁共振探测信号，提升探测数据信噪比，使得矿井底板水源探测深度得到提高。

本公开的探测过程中使用多次测量取平均的方式提升核磁共振探测数据信噪比，并使用接收线圈单独采集的方式记录背景噪声特征，以压制核磁共振探测数据中背景噪声的影响，进一步提升数据质量，使得矿井底板水源探测精度得到提高。

本公开采用迭代算法反演三维含水率分布，引入全变分项降低反演多解性，使得反演所得结果更加规则，利用LBFGS算法提升反演速度并优化反演效果，输出较接近于真实的三维含水率分布情况，使得矿井底板水源探测分辨率得到提高。

为使本公开的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1本实施例的系统框图；

图2本实施例在矿井底板的布置示意图；

图3本实施例的三维含水率分布反演结果示例图。

图中：1主机，2电源，3发射系统，4接收系统，5发射线圈，6接收线圈，7控制器，8脉冲信号波形发生器，9脉冲输出驱动电路，10输出电流调整电路，11脉冲关断和极性转换保护，12输出脉冲电压/电流检测，13隔离电路，14前置放大电路，15滤波放大电路，16采集电路，17底板水源。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

图1是矿井底板水源核磁共振探测装置的系统框图，图2为探测装置在矿井底板的布置示意图，包括主机1、电源2、发射系统3、接收系统4、发射线圈5、接收线圈6和电缆等组件。所述各组件均经过防爆处理，满足矿井安全施工要求。

所述主机1通过电缆与发射系统3、接收系统4分别相连，能够直接控制发射系统3、接收系统4的工作状态，并对数据进行分析成像。

所述电源2采用符合矿井电气设备安规标准的直流36V电源工作，为发射系统3供能。

所述发射系统3与发射线圈5相连，能够向发射线圈5发射脉冲，由控制器7、脉冲信号波形发生器8、脉冲输出驱动电路9、脉冲关断和极性转换保护电路10、发送电流检测组件11、输出电流调整电路12等组成。控制器7与主机1连接，且和脉冲信号波形发生器8连接，脉冲信号波形发生器8与脉冲输出驱动电路9连接，脉冲输出驱动电路9的输出端设置有脉冲关断和极性转换保护电路11，以形成驱动信号，所述发送电流检测组件12用于检测该驱动信号，并反馈至输出电流调整电路10和控制器7，输出电流调整电路10与脉冲输出驱动电路9连接。

发射系统采用桥式发射电路，储能电路外接口与电源连接，可实现大功率发射。

所述发射线圈5与发射系统3连接，发射线圈5所选用的形状为针对矿井底板优化的长方形，采用多匝小线圈形式，相较于传统正方形线圈具有更大的覆盖面积。所述线圈铺设与矿井底板，探测底板下方水源。

所述接收线圈6采用与发射线圈5同形式的多匝长方形线圈，与发射线圈5布设于底板同一位置，接收线圈6布置于发射线圈5的下方。

所述接收系统4能够接收及放大处理接收线圈采集的回波信号，包括隔离电路13、前置放大电路14、滤波放大电路15和采集电路16。所述隔离电路13与接收线圈6相连，内部与前置放大电路14相连，隔离电路13能控制接收线圈6和接收系统4的接触和隔离，具有保护电路的作用。所述前置放大器14和滤波放大器15对线圈采集的原始回波信号具有放大作用，其中滤波器放大电路15对回波信号可以进行滤除噪声干扰的处理。所述采集电路16能够对放大、滤除噪声后的回波信号进行采集和处理。

本实施例的基于上述装置的工作方法，包括以下步骤：

步骤1：了解矿井尺寸，大致确定发射线圈5、接收线圈6安装位置，发射5和接收线圈6均采用多匝长方形线圈的形式，短边边长与矿井巷道宽度一致，长边边长按短边边长的1.5～3倍范围设置。通过上述方案提升发射线圈5和接收线圈6等效面积，以增强核磁共振信号强度，提升矿井底板水源探测深度。

步骤2：将仪器各组成部件相连，确保各组件连接紧密，满足矿井防爆标准和安全施工要求。使用地磁场测量仪多次测出的地磁场的平均值作为静态磁场，静态磁场乘以氢核磁的磁旋比计算得到Larmor频率ω₀。

步骤3：操控主机对发射系统发送信号，发射系统3通过发射线圈5开始发射脉冲。发射停止后，接收系统4将接收线圈6采集的回波信号完成放大滤除噪声处理，得到核磁共振探测数据。在满足矿井防爆标准的前提下采用大电流、大功率发射信号，以增强核磁共振信号强度，提升矿井底板水源探测深度。

步骤4：多次重复步骤3，将获得的核磁共振探测数据取平均，以提升探测数据信噪比；探测结束后不发射信号，仅凭接收系统4和接收线圈6记录背景噪声数据，根据噪声数据特征对探测所得核磁共振响应数据进行去噪，进一步提升数据信噪比，提升矿井底板水源探测的精度和分辨率。

步骤5：采用高密度电法、瞬变电磁法等手段获取矿井底板下方电阻率分布特征，并根据线圈形态、地磁场参数、电阻率分布特征等开展基于有限单元法的核磁共振正演，获得矿井底板下方的核磁共振核函数三维分布特征。

核磁共振三维核函数表达式为：

其中ω₀为Larmor频率，M₀为单位体积内水的静磁化强度常数，I为激发电流强度，B_⊥为激发磁场在地下的三维分布，γ为水中氢质子的旋磁比，q为核磁共振激发脉冲距。

步骤6：利用步骤5获得的核函数分布和探测所得的核磁共振信号，进行矿井底板下方含水率三维分布反演，得到矿井底板水源的三维位置和形态特征。

核磁共振响应信号和三维核函数分布与三维含水率分布的关系如下：

E₀(q)＝∫K·n dV

其中E₀为核磁共振响应信号，q为核磁共振激发脉冲距，K为三维核函数分布，n为三维含水率分布。

将探测装置下方的一个三维区域设置为反演区域，用正方形规则网格对其进行剖分，计算每个网格对应的核函数数值。采用迭代方式求解含水率范围分布，目标函数为：

目标函数由两部分构成，前部分为核磁共振拟合项，K、n、E分别为三维核函数、三维含水率和核磁共振响应信号的矩阵形式，后部分为三维含水率的全变分，α为两部分强度的协调参数。引入含水率分布的全变分项，使得最终反演结果更加规则，降低反演多解性。通过LBFGS算法迭代求解三维含水率分布，LBFGS迭代算法可提升反演速度并优化反演效果，输出较接近于真实的三维含水率分布情况，从而实现矿井底板水源探测与预报。

为验证本实施例核磁共振矿井底板水源反演效果，以下述电性模型进行模拟示例。在如下条件下采集核磁共振数据：核磁共振发射线圈和接收线圈均为100匝，尺寸为4m×10m，周围电阻率为300Ω·m，地磁场强度为50000nT，地磁倾角为45°，地磁偏角为0°，拉莫尔频率为ω₀＝0.04258×|B₀|，此处为2129Hz。含水体模型为长50m，宽50m，厚8m，中心位于线圈中心正下方22m,含水体电阻率为10Ω·m，含水率为50％。假设地下电阻率分布已知，对线圈正下方矿井底板50m×50m×50m范围进行含水率反演，反演网格为边长1m的正方体，所得反演结果如图3所示。可见上述基于LBFGS的含水率三维反演方法可以获得较为接近真实模型的含水体位置和形态，线圈正下方反演结果更为准确。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种矿井底板水源核磁共振探测装置，其特征是：包括主机、发射系统、接收系统、发射线圈和接收线圈，其中：

所述主机与发射系统连接，用于向发射系统发送发射指令，以控制所述发射系统向与其连接的发射线圈发射脉冲，驱动设置于矿井底板区域的发射线圈工作，以探测水源；

所述接收线圈布置于发射线圈的下方，用于接收回波信号，所述接收系统与接收线圈连接，用于对所述回波信号进行预处理；

所述主机与接收系统连接，用于对预处理后的回波信号进行信号处理，提取电阻率分布特征和核磁共振核函数三维分布特征，根据两种分布特征，采用迭代算法反演三维含水率分布，且在反演过程中引入全变分项以降低反演多解性，得到矿井底板水源的三维位置和形态特征。

2.如权利要求1所述的一种矿井底板水源核磁共振探测装置，其特征是：所述发射系统包括控制器、脉冲信号波形发生器、脉冲输出驱动电路、脉冲关断和极性转换保护电路、发送电流检测组件和输出信号调整电路，所述控制器与主机连接，且和脉冲信号波形发生器连接，所述脉冲信号波形发生器与脉冲输出驱动电路连接，脉冲输出驱动电路的输出端设置有脉冲关断和极性转换保护电路，以形成驱动信号，所述发送电流检测组件用于检测该驱动信号，并反馈至输出信号调整电路和控制器，所述输出信号调整电路与所述脉冲输出驱动电路连接。

3.如权利要求1所述的一种矿井底板水源核磁共振探测装置，其特征是：所述发射系统与电源连接。

4.如权利要求1所述的一种矿井底板水源核磁共振探测装置，其特征是：所述接收系统，包括与接收线圈连接的隔离电路，与隔离电路连接的前置放大电路，与前置放大电路连接的滤波放大电路，以及与滤波放大电路、主机连接的采集电路。

5.如权利要求1所述的一种矿井底板水源核磁共振探测装置，其特征是：所述发射线圈和接收线圈，均包括多匝长方形线圈，且长方形线圈的短边边长与矿井巷道宽度相匹配，长边边长按短边边长的1.5～3倍范围设置。

6.如权利要求1所述的一种矿井底板水源核磁共振探测装置，其特征是：所述主机、发射系统、接收系统、发射线圈、接收线圈和连接的电缆均经过防爆处理。

7.基于权利要求1-6中任一项所述的装置的工作方法，其特征是：包括以下步骤：

测量矿井巷道内地磁场值，作为静态磁场，根据静态磁场计算Larmor频率；

控制主机对发射系统发送信号，发射系统通过发射线圈开始发射脉冲，发射停止后接收系统采集信号，经过接收系统将接收线圈采集的回波信号进行预处理，得到核磁共振探测数据；

进行多次探测，并将获得的核磁共振探测数据取平均，探测结束后不发射信号，仅凭接收系统和接收线圈记录噪声数据，根据噪声数据特征对探测所得核磁共振响应数据进行去噪；

获取矿井底板下方电阻率分布特征，进行基于有限单元法的核磁共振正演，获得矿井底板下方的核磁共振核函数三维分布特征；

利用核磁共振核函数的分布特征和探测所得的核磁共振信号，进行矿井底板下方含水率三维分布反演，反演过程中，引入全变分项降低反演多解性，得到矿井底板水源的三维位置和形态特征。

8.如权利要求7所述的工作方法，其特征是：核磁共振核函数三维分布特征的计算过程包括：

其中ω₀为Larmor频率，M₀为单位体积内水的静磁化强度常数，I为激发电流强度，B_⊥为激发磁场在地下的三维分布，γ为水中氢质子的旋磁比，q为核磁共振激发脉冲距。

9.如权利要求7所述的工作方法，其特征是：进行矿井底板下方含水率三维分布反演的具体过程包括：核磁共振响应信号和三维核函数分布与三维含水率分布的关系如下：

E₀(q)＝∫K·n dV

其中E₀为核磁共振响应信号，q为核磁共振激发脉冲距，K为三维核函数分布，n为三维含水率分布。

10.如权利要求7所述的工作方法，其特征是：反演过程中，引入全变分项降低反演多解性的具体过程包括：将探测装置下方的一个三维区域设置为反演区域，用正方形规则网格对其进行剖分，计算每个网格对应的核函数数值，采用迭代方式求解含水率范围分布，目标函数为：

目标函数由两部分构成，前部分为核磁共振拟合项，K、n、E分别为三维核函数、三维含水率和核磁共振响应信号的矩阵形式，后部分为三维含水率的全变分，α为两部分强度的协调参数；

或，

含水率三维分布的计算过程通过LBFGS算法迭代求解三维。

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