一种煤矿井下孔巷瞬变电磁叠加超前探测装置及方法与流程

本发明涉及一种瞬变电磁超前探测装置及方法，属于煤矿开采领域，具体涉及一种煤矿井下孔巷瞬变电磁叠加超前探测装置及方法。

背景技术：

目前，随着煤矿开采深度的不断增加，含水构造的超前探测对煤矿安全生产意义重大，矿井瞬变电磁超前探测方法已成为井下最常用的超前探水方法之一。瞬变电磁方法是利用不接地回线或接地电极向地下发送脉冲式或方波式一次电磁场，用线圈或接地电极观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场，通过对该二次场的空间和时间的分布分析来认识有关地质问题。

由于煤矿掘进迎头工作时后方近距离存在掘进机、钻机等金属机械，对瞬变电磁探测会带来很大的金属体影响及电磁干扰，需要矿方将这些机械后移，影响矿方正常掘进工作；另一方面，原有矿井瞬变电磁超前探测技术探测深度有限，已不太满足现在正在发展的快速掘进需求。并且现在常规矿井瞬变电磁超前探测使用的接收装置为重叠回线装置，接收使用一个和发射线框规格一样的线圈(一般为2m×2m)，是不可能塞进钻孔中的(超前钻孔直径一般不大于73.5mm)，且只能测量垂直分量信号。

为解决这样几个问题，充分利用煤矿掘进迎头的钻孔条件，提出一种巷道中线圈发射，钻孔内三分量接收的瞬变电磁超前探测装置及方法，既可以通过将接收装置向迎头前方移动从而在不影响矿方掘进工作的前提下避开迎头处金属机械的各种干扰，又可将钻孔中多个位置的超前探测数据叠加处理显示，实现超长距离的迎头前方隐伏水害地质体预报。

技术实现要素：

本发明的主要目的是解决上述所存在的技术问题，提供了一种煤矿井下孔巷瞬变电磁叠加超前探测装置及方法。该装置及方法是一种在煤矿井下巷道中线圈发射，钻孔内三分量接收的瞬变电磁超前探测装置及方法，在不需要后移迎头附近的金属机械的前提下，提供迎头前方150m以上的低阻异常探测功能，扩大迎头前方水害超前探测的控制范围，指出可能存在的含水构造目标，为下一步灾害治理给予目标、方向。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：

一种煤矿井下孔巷瞬变电磁叠加超前探测装置，包括：

发射线框组，包括多匝竖直放置于井下钻孔孔口位置的方形小线框，用于发射瞬变电磁波形；

发射机，采用多路并行设置，与发射线框相连以进行大电流方波发射；

三分量接收探头，与多通道a/d采集装置连接，用于接收地质体受发射波形激发产生的感应电磁场并送至数据处理装置进行处理。

其中：发射机可同时对多个发射线框并行发射相同电流强度的方波，起信号叠加增强的效果。

所述线框边长不大于5m，匝数不小于10匝。

另外，本发明还提供了一种利用所述装置进行煤矿井下孔巷瞬变电磁叠加超前探测的方法：通过以下步骤实现：

(1)施工时，通过推送装置将三分量接收探头送入钻孔内，在某一指定深度让接收探头按相同的角度固定；

(2)沿某一平面按照一定的角度间距旋转孔外的发射线框，采集三分量感应电动势信号并记录发射线框角度，同时利用测斜装置记录测点位置的方位角、倾角、横滚角信息；

(3)将各个测点的测量信息分别记录至对应的采集通道，送入处理单元后以图形方式显示在接收用的显示器上，或存至存储设备中；

(4)根据显示图形可在认为有异常响应的位置进行复测或前后角度加密观测；

(5)接收装置在指定深度完成一次平面测量后，可继续沿其它平面重复(2)-(4)步骤；

(6)接收装置在指定深度完成所有平面测量后，可移动接收探头深度至下一指定位置，重复(1)-(5)步骤；

(7)将采集数据传至pc机，在pc机上使用处理解释软件对每一指定深度的测量数据进行资料处理，得出该深度前方异常体位置的信息；

(8)对多个指定深度的测量数据进行联合处理解释，获取异常体空间信息，形成大范围联合探测成果。

其中：所述测斜装置为测斜仪、电子罗盘。

并且，还要求保护一种用于处理上述探测方法得到数据的方法，其特征在于：所述方法为虚拟波场波形反演方法，具体步骤为：

(1)对各点观测的三分量数据进行合成；

(2)根据公式

将合成后瞬变场数据转换为波动场数据，式中hz(t)为瞬变场数据，u(τ)为波动场数据，t为采样时间，τ为与t对应的转换后的虚拟波场传播时间，k＝tⁿ为波形均衡因子，n为(0，2.5)区间内的任意值；

(3)对转换后的波场数据进行波形压缩；

(4)根据瞬变电磁定性算法给出视电阻率分布得出初始速度场；

(5)在测线波形图上选取参考子波；

(6)采用全波形反演技术对数据进行反演；

(7)对反演后得到的虚拟波场速度数据进行扇形坐标系转换；

(8)将每个深度上的反演结果数据进行归一化；

(9)将各个探测深度的归一化数据在一个坐标系下进一步坐标归位；

(10)对统一坐标系后的的所有数据进行网格化，绘制等值线图成像；

(11)依据成像结果解释可能存在的地质异常体。

本发明的技术效果为：

(1)本发明将探头置于钻孔中，远离了巷道内的金属机械等干扰源，避开了干扰影响；

(2)通过将接收装置向迎头前方移动从而在不影响矿方掘进工作的前提下避开迎头处金属机械的各种干扰，又可将钻孔中多个位置的超前探测数据叠加处理显示，实现超长距离的迎头前方隐伏水害地质体预报。

(3)提供了一种虚拟波场波形反演方法对得到的数据进行处理，可以有效实现三分量数据的分析。

附图说明

图1为本发明的工作及装置示意图；

图2为本发明的某一平面的发射线框旋转角度图；

图3为本发明的不同深度点超前探测结果叠加处理示意图；

图4-1是常规瞬变电磁超前探处理结果；

图4-2是孔内接收的瞬变电磁超前探处理结果；

图5-1是常规孔外超前探结果成果；

图5-2是孔外和孔内20m超前探叠合成果；

图5-3是孔外、孔内20m、孔内38m超前探叠合成果；

图6-1是各点观测的三分量数据进行合成图；

图6-2是各探测深度的归一化数据在一个坐标系下进一步坐标归位图；

图6-3是巷道孔口处有掘进机的测量数据，圆点曲线为孔口测量数据曲线，虚线为刚进入钻孔中曲线，三角曲线为进入孔中一段距离后曲线，十字曲线为进入钻孔很深后的曲线。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的阐述：

实施例

如图1，本实施例的煤矿井下孔巷瞬变电磁装置，包括多路并行发射机、发射线框、三分量接收探头、多通道a/d采集装置、嵌入式cpu与usb2.0接口。

本实施例的发射装置为竖直放置在井下迎头面探放水钻孔孔口位置的多匝方形小线框；线框边长不大于5m，匝数不小于10匝；接收装置为可放入钻孔中的三分量探头，三分量接收探头与多通道a/d采集装置连接，通过参数设置，来控制高性能嵌入式cpu与多通道a/d采集装置。

三分量探头分别探测1个垂直分量和2个正交的水平分量，等效接收面积不小于500m²；仪器主机为多路大电流方波发射装置，单路发射电流强度不小于3a，多路等效发射电流强度不小于10a；

高性能嵌入式cpu在对采集的数据进行处理之后，通过usb2.0接口，将数据导出。

采用上述结构后，本实施例的测量方式如下：

(1)施工时，通过推送装置将三分量接收探头送入钻孔内，在某一指定深度让接收装置按相同的角度固定；具体的，可以与孔口送进去时的角度相同，比如说送进孔的时候，x向正右，y向正下，z向正前，送进孔内，每次都保证探头这么放置。图4-1是孔外常规探测，后方有掘进机和钻机，数据处理结果不正常，图4-2是在同样条件下孔内探测，数据光滑，结果可靠。从这两个图中可以看出使用孔内接收可以在不后移巷道后方金属机械的前提下起到减小其干扰的作用，提高了数据处理解释精度。

(2)沿某一平面按照一定的角度间距旋转孔外的发射线框，采集对应的三分量感应电动势信号并记录发射线框角度，同时利用测斜装置测斜仪或电子罗盘记录测点位置的方位角、倾角、横滚角等信息，如图2所示。

(3)将各个测点的测量信息分别记录至对应的采集通道，送入处理单元后可以图形方式显示在接收用的显示器上，或存至存储设备；

(4)根据显示图形可在认为有异常响应的位置进行复测或前后角度加密观测；异常的判断是本领域的技术人员的公知常识，是本行业从业人员的专业技能，根据测量曲线幅值的大小可以初步判断是否可能存在异常。图4、图5中的异常也是需要专业人员根据专业知识和从业经验去判断，根据实际探测需求选择关注低阻异常区或高阻异常区，并可以在图上圈出需求的异常区域进行标记。

(5)接收装置在指定深度完成一次平面测量后，可继续沿其它平面重复步骤(2)-步骤(4)；

(6)接收装置在指定深度完成所有平面测量后，可移动接收探头深度至下一指定位置，如图3所示，然后重复步骤(1)-步骤(5)；

(7)将采集数据传至pc机，在pc机上使用处理解释软件对每一指定深度的测量数据进行资料处理，得出该深度前方异常体位置的信息；

(8)对多个指定深度的测量数据进行联合处理解释，获取异常体空间信息，形成大范围联合探测成果。

处理时，相比常规巷道内的瞬变电磁超前探测，本测量探头固定在某一深度时，需要根据发射线框角度，用相互垂直的三分量数据合成出一个新的指向发射线框角度方向的数据用于处理计算(如图6-1)，并且在计算时需要考虑当前探头所在的深度，将计算得到的数据归位至探头深度线与发射线框法线的交叉点(如图6-2)。常规巷道内瞬变电磁数据如下图6-3所示：圆点曲线为孔口测量数据曲线，虚线为刚进入钻孔中曲线，三角曲线为进入孔中一段距离后曲线，十字曲线为进入钻孔很深后的曲线。本实施例采用虚拟波场波形反演方法对其进行处理。

本实施例在于探头进孔，充分利用了迎头的空间条件，并测量三分量数据，常规巷道内瞬变电磁方法只测量1个垂直分量数据，并对三分量孔内数据进行处理，还可以叠加成像。

图5-1是常规探测，探测深度仅60多米，叠加孔内数据后增加到图5-2的80米和图5-3的150米，异常区的反映也更加明显。可见对孔中超前数据进行叠加处理，确实能显著提升超前探测的探测范围，准确反映地质异常。

叠加成像技术需要将多个深度处理得到的超前结果进行归一化和深度归入同一坐标系统，然后统一进行克里金插值后成像。常规巷道内瞬变电磁方法只在孔口进行测量，没有其他深度数据，也谈不上叠加成像处理。

三分量数据观测也是我们的特点，常规方法中没有三分量数据测量。

虚拟波场波形反演方法步骤：

(1)如图6-1，本测量探头固定在某一深度时，需要根据发射线框角度，用相互垂直的三分量数据合成出一个新的指向发射线框角度方向的数据用于处理计算。

(2)根据公式

将合成后瞬变场数据转换为波动场数据，式中hz(t)为瞬变场数据，u(τ)为波动场数据，t为采样时间，τ为与t对应的转换后的虚拟波场传播时间，k＝tⁿ为波形均衡因子，n为(0，2.5)区间内的任意值；

(3)对转换后的波场数据进行波形压缩；

(4)根据瞬变电磁定性算法给出视电阻率分布得出初始速度场；

(5)在测线波形图上选取参考子波；

(6)采用波形匹配反演技术对数据进行反演；

(7)对反演后得到的虚拟波场速度数据进行扇形坐标系转换；

(8)将每个深度上的反演结果数据进行归一化；

(9)将各个探测深度的归一化数据在一个坐标系下进一步坐标归位，具体如图6-3所示，在计算时需要考虑当前探头所在的深度，将计算得到的数据归位至探头深度线与发射线框法线的交叉点；

(10)对统一坐标系后的的所有数据进行网格化，绘制等值线图成像；

(11)依据成像结果解释可能存在的地质异常体。专业人员根据专业知识和从业经验判断，可以简单认为深蓝色的为低电阻异常区，深红色的为高电阻异常区，但实际工作中不一定关注哪一种异常区，比如只关注低阻异常区，那就有可能在图上只圈出低阻区域，不标记高阻区域。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。