礦井瞬變電磁三分量探測方法與流程

本發明涉及一種探測方法，屬于應用地球物理學領域，尤其適用于礦井巷道內電各向異性礦井地質進行超前探測的礦井瞬變電磁三分量探測方法。

背景技術：

在煤礦突水防治方面，瞬變電磁法得到了廣泛的應用，減少了煤礦突水事故的發生，降低了經濟損失，保證了人民的安全。瞬變電磁法是一種極具發展前景的方法，其對低阻異常反應靈敏，可查明含水地質如巖溶洞穴與通道、煤礦采空區、深部不規則水體等。瞬變電磁法具有探測深度大，對低阻地質體靈敏，與探測目標耦合好，異常響應強，形態簡單，分辨能力強等優點。隨著煤炭向深部、縱向開采，地質條件變得更為復雜，礦井地質電各向異性特征嚴重，此時，基于水平層狀介質的瞬變電磁探測理論，僅探測一個分量二次場信息來判斷前方異常體的空間位置的瞬變電磁探測技術將受到極大的挑戰。

瞬變電磁法也稱時間域電磁法，簡稱TEM，它是基于水平層狀介質理論，利用不接地回線或接地線源向地下發射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間，利用線圈或接地電極觀測異常體產生的二次渦流場的方法，通過測量斷電后各個時間段的二次場隨時間變化規律，即感應電壓。根據電磁場理論，把測量數據轉換成為地層深度與地層電阻率信息，進而得到不同深度的地層地電特征。

礦井地質電各向異性特征嚴重，給基于水平層狀介質理論的瞬變電磁探測技術在巷道內進行超前探測帶來了嚴重的挑戰。

目前礦井瞬變電磁法在巷道內的超前探測都是基于地層為層狀介質理論，僅測量掘進面的法向分量，對于電各向異性地層，僅依靠法向分量數據進行判別地質異常體，將會帶來嚴重錯誤地質結論。例如，對于陡峭直立斷層，斷層破碎帶是良好地下水儲存空間，其模型可以類比地電模型圖11，在進行超前探測時，由于直立斷層破碎帶幾乎不切割一次場，因此感應的二次場十分微弱，根據微弱的二次場很難推斷掘進面前方有低阻斷層破碎帶。

技術實現要素：

發明問題：本發明的目的是克服現有技術中的不足之處，提供了更為全面的超前探測方法，該方法可以適應具有電各向異性特征的礦井地質，可以準確地探測異常體空間位置的礦井瞬變電磁三分量探測方法。

技術方案：為實現上述技術目的，本發明礦井瞬變電磁三分量探測方法，利用激發線圈、三組接收線圈、多通道瞬變電磁儀和工礦主機，其中多通道瞬變電磁儀分別與激發線圈及接收線圈，激發線圈和接收線圈分別與工礦主機相連接，其特征在于：首先對各種地層模型進行正演模擬，對所獲得的礦井瞬變電磁三分量響應進行匯總分析；之后在實際測試井下掘進巷道迎頭位置時，利用接收線圈采集當前巷道的瞬變電磁三分量數據，將采集到的當前巷道的瞬變電磁三分量數據與前方異常體模型的的全空間瞬變電磁三分量信息對比，對數據進行處理解釋，從而判斷出掘進工作面迎頭前方是否存在板狀異常體、板狀異常體在煤層中的姿態、異常體的大小及位置信息。

所述的對各種地層模型進行正演模擬的步驟為：

a.設計均勻全空間模型，對其響應進行數值模擬，得到二次感應電壓隨時間的變化曲線；

b.設計含有板狀異常體的地電模型，分別對板狀體為水平和垂直放置時的響應進行數值模擬，得到板狀體不同放置方式的多種對應二次感應電壓隨時間的變化曲線；分別將垂直和水平板狀體的響應曲線與均勻全空間曲線對比，總結規律數據；

c.建立掘進迎頭正前方異常體模型，用以示意異常體相對巷道掘進的位置，在巷道迎頭位置采用三分量采集方式和扇形測點布置方式，獲得其垂直分量響應和水平分量響應；

其垂直分量響應的不同時間剖面曲線均顯現出單峰異常，在巷道扇形測點90°方向異常響應最強，該方向對應于迎頭正前方探測方向，水平分量響應在左側幫探測角度為負值，而右側幫探測角度為正值，左右側幫探測角度為45°的測點分別出現負極大值和正極大值，90°方向的水平分量響應為0，這是由于當發射方向沿迎頭正前方時，發射線圈左右兩邊介質完全對稱，兩邊介質的水平響應相互抵消，比較垂直分量和水平分量響應結果，水平分量對于異常體的位置反應更為靈敏，更利于定位異常體的方向；

d.建立掘進巷道迎頭側幫的異常體模型，通過正演模擬獲得其垂直分量和水平分量響應，其垂直分量響應的不同時間剖面曲線均在右側幫45°方向出現極大值，準確反映了異常體的方位，水平分量曲線有兩個零點，一個位于左側幫45°方向，一個位于右側幫45°方向，右側幫45°方向對應于異常體方向，該角度探測時，發射線圈左右兩側介質完全對稱，因此水平分量為零，左側幫45°方向對應于垂直分量最低點位置，該發射方向與異常體所在方向完全正交，此時瞬變電磁場受異常體影響最小，因此垂直分量與水平分量響應都較弱。將迎頭側幫結果與迎頭正前方結果對比，響應結果的變化完全反映了異常體方位的變化，因此三分量綜合解釋為異常體方向定位提供了新的途徑。

所述實際測試井下掘進巷道迎頭位置的步驟：

a.在被測巷道的掘進工作面的迎頭位置安裝激發線圈和接收線圈，啟動磁性源發射裝置發射一次場脈沖，通過三組接收線圈接收周圍地質體產生的二次場信號，接收線圈將采集到的信號反饋給工礦主機，并利用工礦主機將模擬信號轉換為數值信號同時保存從而得到三分量信息；

b.工礦主機作為瞬變電磁主機通過電纜與所有接收線圈相連，得到接收線圈反饋的電磁數據以感應電壓的形式表達瞬變電磁二次場信息，將瞬變電磁二次場信息數據分為兩列，分別為時間序列和感應電壓序列：將多個接收線圈的時間序列數據進行時-深轉換得到探測的深度，同時將感應電壓轉換為視電阻率，從而得到[探測深度，視電阻率]數據組；

c.利用歸納出的[探測深度，視電阻率]數據組在雙對數坐標系中繪制感應電動勢值V關于時間t的感應電壓-時間曲線；由于電磁波傳播時間的長短與探測深度相對應，而感應電動勢的大小則反映地層電阻率信息，因此感應電壓-時間曲線中變化趨勢體現由淺到深的地層電阻率的變化，從而得到被測巷道的瞬變電磁三分量信息；

d.改變發射線圈擺放位置重復步驟a-c，從而得到多組感應電壓-時間曲線；

e.利用多組感應電壓-時間曲線判斷掘進工作面的迎頭方向的煤層中是否存在板狀異常體，板狀異常體在煤層中的姿態：

當繪制出的多組感應電壓-時間曲線中多數曲線為電動勢V隨著時間t平穩降低為零時，判斷掘進工作面的迎頭方向前方的煤層為均勻介質，不含有異常體；

當繪制出的多組感應電壓-時間曲線中多數曲線不為電動勢V隨著時間t平穩降低為零情況時，則判斷掘進工作面的迎頭方向前方的煤層中存在異常體，此時分別進行水平方向和垂直方向二次場的感應電壓隨時間的變化曲線，

當繪制出的變化曲線為電動勢V隨著時間t降低為零，且在降低過程中出現非線性衰減，曲線出現凸起時，判判斷掘進工作面的迎頭方向前方的煤層中存在豎直放置的異常體，

當繪制出的變化曲線為電動勢V隨著時間t未降低到零就結束，且在降低過程中出現下凹和上凸的變化，則判斷掘進工作面的迎頭方向前方的煤層中含有垂直狀態的板狀異常體；

f.利用多組感應電壓-時間曲線根據各種地層模型不同位置異常體的三分量數值模擬結果判斷掘進工作面迎頭前方異常體的大小及位置信息：

將垂直分量結果與理論曲線對比，根據曲線的幅值大小判斷異常體的強弱，進而判斷其大小；將水平分量結果與理論曲線對比，根據曲線的零點位置，更為準確判斷異常體的賦存位置。

所述模擬水平方向和垂直方向的感應電壓隨時間的變化曲線的步驟如下：

Ⅰ對感應電壓數值模擬得到數據，統一采用對數坐標，得到多個[探測深度，視電阻率]對數坐標曲線；

Ⅱ將所有方向分量進行視電阻率換算或者電阻率反演，將會得到不同方向的地電信息，綜合地電信息，對地質體進行綜合地質解釋。

所述激發線圈和三組接收線圈采用的匝數不同，激發線圈的匝數為40匝，三組接收線圈的匝數均為60匝；其中發射線圈為采煤工作面掘進頭法線方向設置，所述三組接收線圈互相垂直設置，其中一組接收線圈與發射線圈方向一致，利用重疊回線裝置布設，其余兩組接收線圈按照掘進頭切線方向的分別為上下水平和左右水平設置，實現一次發射接收所有方向響應數據。

所述激發線圈和接收線圈設置在在井下巷道迎頭位置，通過變換發射與接收線圈角度，進行扇形掃描，探測三個方向的異常體二次電磁響應，獲得更為豐富的電磁響應，進而更為準確地判斷地層富含水區域。

有益效果：由于采用了上述技術方案，根據地質特點，在掘進工作面上設置發射線圈和三方向的接收線圈，同時測量三方向二次場的電磁分量，并對三分量數據進行綜合處理解釋，從而有效判斷出掘進工作面前方煤層中是否存在異常體，并為準確異常體的空間位置，為礦井超前探測提供一個全新的地球物理探測方法。

通過本方法獲得異常體三分量信息，可以更為準確地探測異常體空間位置分布，更換發射線圈和接收線圈的位置，多次采集三方向二次場的電磁分量信息，克服了現有技術中單分量測量不足的問題，可靠性高，適應更加復雜的礦井地質條件，不但能檢測出巷道外地理狀態中是否含有異常體，同時還能夠判斷出異常體的大致三維結構，特別是對于含有直立斷層破碎帶以及直立產狀的陷落柱，利用礦井瞬變電磁三分量數據綜合解釋，可以減少多解性，為礦井地質探測提供更為豐富、準確和可靠的地球物理數據。

附圖說明

圖1為本發明的井下三分量探測設置示意圖；

圖2為本發明的巷道迎頭扇形探測信息的示意圖；

圖3為本發明的垂直重疊回線圈接受與掘進頭垂直的瞬變電磁響應示意圖；

圖4為本發明的左右水平重疊回線圈接受與掘進頭平行的瞬變電磁二次場分量示意圖；

圖5為本發明的上下水平重疊回線圈接受與掘進頭平行的瞬變電磁二次場分量示意圖；

圖6為本發明的三分量探測線圈的三維模型示意圖；

圖7為本發明中均勻介質模型礦井地電模型以及超前探測示意圖；

圖8為本發明中均勻介質模型礦井地電模型超前探測感應電壓-時間曲線示意圖；

圖9為本發明中含有垂直板狀異常體礦井超前地電模型示意圖；

圖10為本發明中含有垂直板狀異常體礦井超前地電模型超前探測感應電壓-時間曲線示意圖；

圖11為本發明中含有水平板狀異常體礦井超前地電模型示意圖；

圖12為本發明中含有水平板狀異常體礦井超前地電模型超前探測感應電壓-時間曲線示意圖；

圖13為本發明中含有水平板狀異常體礦井超前地電模型超前探測感應電壓-時間曲線和含有垂直板狀異常體礦井超前地電模型超前探測感應電壓-時間曲線對比圖示意圖。

圖14為本發明中異常體位于迎頭正前方模型示意圖；

圖15(a)為本發明中正前方異常體垂直分量響應特征示意圖；

圖15(b)為本發明中正前方異常體垂直分量響應特征示意圖；

圖16為本發明中異常體位于迎頭右側幫模型示意圖；

圖17(a)為本發明中右側幫異常體的垂直分量響應特征示意圖；

圖17(b)本發明中右側幫異常體的垂直分量響應特征示意圖；

圖18為本發明中三分量探測流程示意圖。

具體實施方法

下面結合具體附圖中的實施例對本發明作進一步的描述：

如圖1所示，本發明的礦井瞬變電磁三分量探測方法，它利用激發線圈、三組接收線圈和與激發線圈和接收線圈相連接的多通道瞬變電磁儀，激發線圈和接收線圈分別與工礦主機相連接，所述激發線圈和三組接收線圈采用的匝數不同，激發線圈的匝數為40匝，三組接收線圈的匝數均為60匝；其中發射線圈為采煤工作面掘進頭法線方向設置，所述三組接收線圈互相垂直設置，其中一組接收線圈與發射線圈方向一致，利用重疊回線裝置布設，其余兩組接收線圈按照掘進頭切線方向的分別為上下水平和左右水平設置，實現一次發射接收所有方向響應數據；采用三分量探測方法的具體步驟如下：

1.以井下掘進工作面實際地層參數為依據，對各種地層模型進行正演模擬，對所獲得的礦井瞬變電磁三分量響應進行匯總分析，具體步驟包括：

a.設計均勻全空間模型，對其響應進行數值模擬，得到二次感應電壓隨時間的變化曲線；

b.設計含有板狀異常體的地電模型，分別對板狀體為水平和垂直放置時的響應進行數值模擬，得到板狀體不同放置方式的多種對應二次感應電壓隨時間的變化曲線；分別將垂直和水平板狀體的響應曲線與均勻全空間曲線對比，總結規律；

c.如圖14所示，建立掘進迎頭正前方異常體模型，用以示意異常體相對巷道掘進的位置，在巷道迎頭位置采用圖1所示的三分量采集方式和圖2的扇形測點布置方式，獲得其垂直分量和水平分量響應(圖15)。其垂直分量響應圖15不同時間剖面曲線均顯現出單峰異常，在圖2中巷道90°方向異常響應最強，該方向對應于迎頭正前方探測方向。其水平分量響應(圖15b)在左側幫探測角度為負值，而右側幫探測角度為正值，圖14總的4號測點和10號測點分別出現負極大值和正極大值。90°方向的水平分量響應為0，這是由于當發射方向沿迎頭正前方時，發射線圈左右兩邊介質完全對稱，兩邊介質的水平響應相互抵消。比較垂直分量和水平分量響應結果，水平分量對于異常體的位置反應更為靈敏，更利于定位異常體的方向；

d.如圖16所示建立掘進巷道迎頭側幫的異常體模型，通過正演模擬獲得其垂直分量和水平分量響應(圖17)。其垂直分量響應(圖17a)的不同時間剖面曲線均在右側幫45°方向出現極大值，準確反映了異常體的方位。如圖17b所示，水平分量曲線有兩個零點，一個位于左側幫45°方向，一個位于右側幫45°方向，右側幫45°方向對應于異常體方向，該角度探測時，發射線圈左右兩側介質完全對稱，因此水平分量為零，左側幫45°方向對應于垂直分量最低點位置，該發射方向與異常體所在方向完全正交，此時瞬變電磁場受異常體影響最小，因此垂直分量與水平分量響應都較弱。將迎頭側幫結果與迎頭正前方結果對比，響應結果的變化完全反映了異常體方位的變化，因此三分量綜合解釋為異常體方向定位提供了新的途徑。

2.在井下掘進巷道迎頭位置，利用接收線圈采集當前巷道的三分量數據，利用獲得前方異常體模型的的全空間三分量信息，對數據進行處理解釋，具體步驟包括：

a.如圖2所示，在被測巷道的掘進工作面的迎頭位置安裝激發線圈和接收線圈，通過變換發射與接收線圈角度，進行扇形掃描，探測三個方向的異常體二次電磁響應，獲得更為豐富的電磁響應，圖中箭頭方向代表每個測點的探測方向，采用扇形方式是指在巷道迎頭位置依次采集不同角度數據，在每個角度發射時均采集三個方向的數據，也就是將整個裝置所有線圈沿扇形每隔15度不斷旋轉采集數據；

啟動磁性源發射裝置發射一次場脈沖，通過接收線圈接收周圍地質體產生的二次場信號，接收線圈將采集到的信號反饋給工礦主機，并利用工礦主機將模擬信號轉換為數值信號同時保存；

b.工礦主機作為瞬變電磁主機通過電纜與所有接收線圈相連，得到接收線圈反饋的電磁數據以感應電壓的形式表達瞬變電磁二次場信息，將瞬變電磁二次場信息數據分為兩列，分別為時間序列和感應電壓序列：將多個接收線圈的時間序列數據進行時-深轉換得到探測的深度，同時將感應電壓轉換為視電阻率，從而得到[探測深度，視電阻率]數據組；

c.利用歸納出的[探測深度，視電阻率]數據組在雙對數坐標系中繪制感應電動勢值V關于時間t的感應電壓-時間曲線；由于電磁波傳播時間的長短與探測深度相對應，而感應電動勢的大小則反映地層電阻率信息，因此感應電壓-時間曲線中變化趨勢體現由淺到深的地層電阻率的變化；

d.改變發射線圈擺放位置重復步驟a-c，從而得到多組感應電壓-時間曲線；

e.利用多組感應電壓-時間曲線判斷掘進工作面的迎頭方向的煤層中是否存在板狀異常體，板狀異常體在煤層中的姿態：

當繪制出的多組感應電壓-時間曲線中多數曲線為電動勢V隨著時間t平穩降低為零時，判斷掘進工作面的迎頭方向前方的煤層為均勻介質，不含有異常體；

當繪制出的多組感應電壓-時間曲線中多數曲線不為電動勢V隨著時間t平穩降低為零情況時，則判斷掘進工作面的迎頭方向前方的煤層中存在異常體，此時分別進行水平方向和垂直方向二次場的感應電壓隨時間的變化曲線，所述模擬水平方向和垂直方向的感應電壓隨時間的變化曲線的步驟如下：先對感應電壓數值模擬得到數據，統一采用對數坐標，得到多個[探測深度，視電阻率]對數坐標曲線；將所有方向分量進行視電阻率換算或者電阻率反演，將會得到不同方向的地電信息：

當繪制出的變化曲線為電動勢V隨著時間t降低為零，且在降低過程中出現非線性衰減，曲線出現凸起時，判判斷掘進工作面的迎頭方向前方的煤層中存在豎直放置的異常體，

當繪制出的變化曲線為電動勢V隨著時間t未降低到零就結束，且在降低過程中出現下凹和上凸的變化，則判斷掘進工作面的迎頭方向前方的煤層中含有垂直狀態的板狀異常體。

f.利用多組感應電壓-時間曲線根據不同位置異常體的三分量數值模擬結果判斷掘進工作面迎頭前方異常體的大小及位置信息；

將垂直分量結果與理論曲線對比，根據曲線的幅值大小判斷異常體的強弱，進而判斷其大小；將水平分量結果與理論曲線對比，根據曲線的零點位置，更為準確判斷異常體的賦存位置。

顯然，綜合多分量進行判別地質異常體比單分量要可靠的多。均勻介質、板狀異常體存在時的不同方向測量三組綜合二次感應曲線，可以看出他們之間存在很大差別，因此，基于這些數據換算或者反演的地層電阻率信息將有很大差別，綜合考慮去偽存真是三分量瞬變電磁技術遠優于單分量探測瞬變電磁的重要特點。