瞬變電磁法地孔探測方法與裝置制造方法
【專利摘要】一種地面布置對目標(biāo)地層全包圍的大發(fā)射回線，供電產(chǎn)生一次電磁場，井下順層鉆孔中直接接收孔周圍三分量的二次場，探測隱伏致災(zāi)體的瞬變電磁地孔探測方法和裝置，實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收分離，不僅可以避免地面局部良導(dǎo)電體、工業(yè)電磁信號和周期電信號等的干擾，而且可以避開地層表面低阻層或低阻礦化帶的“屏蔽”影響；接收裝置放在鉆孔內(nèi)還可以避開孔外復(fù)雜的施工環(huán)境，如煤礦巷道內(nèi)存在掘進(jìn)設(shè)備、錨桿、錨網(wǎng)、運(yùn)輸設(shè)備和工業(yè)用電等。
【專利說明】瞬變電磁法地孔探測方法與裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于地球物理勘探【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種地面布置對目標(biāo)地層全包圍的大發(fā)射回線，供電產(chǎn)生一次電磁場，井下順層鉆孔中直接接收孔周圍三分量的二次場，探測隱伏致災(zāi)體的瞬變電磁地孔探測方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在地球物理勘探【技術(shù)領(lǐng)域】，通常需要一種可靠的探測方法，以滿足相關(guān)行業(yè)安全生產(chǎn)的需要。瞬變電磁地孔探測方法即是一種新的應(yīng)用于探測隱伏致災(zāi)體的預(yù)測預(yù)報(bào)方法，其能夠精確探測地下巷道掘進(jìn)前方周邊，以及回采工作面內(nèi)和頂?shù)装逯幸欢ň嚯x范圍內(nèi)災(zāi)害地質(zhì)體。
[0003]瞬變電磁法屬感應(yīng)類方法，其利用不接地回線或接地線源，在供電期間向地下發(fā)射一次電磁場(習(xí)慣上簡稱“一次場”)，一次場關(guān)斷后，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，大地或探測目標(biāo)體在一次場的作用下，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，又稱渦流。這種渦流有空間和時(shí)間特性，其大小與諸多因素有關(guān)，如目標(biāo)體的空間特征和電性特征、激發(fā)場的特征等，而且因?yàn)闊釗p耗的緣故會(huì)逐漸減弱直至消失。因渦流具有隨時(shí)間變化的特征，在產(chǎn)生渦流的目標(biāo)體周圍產(chǎn)生新的磁場，稱為二次磁場(習(xí)慣上簡稱“二次場”)。目前的瞬變電磁法勘探過程中，常利用器觀測垂直分量二次場的強(qiáng)弱、空間分布特性和時(shí)間特性，一次布置，只采集單一分量的數(shù)據(jù)，方位單一，分辨率相對偏低。
[0004]瞬變電磁法以對低阻體反應(yīng)靈敏，而被廣泛應(yīng)用于尋找水資源、低阻礦體和礦井隱伏含/導(dǎo)水區(qū)域或通道的探測中。然而，在工作過程中，當(dāng)遇到周邊有大的良導(dǎo)電體、地面或空間存在工業(yè)電磁信號和周期電信號干擾時(shí)，對觀測的數(shù)據(jù)產(chǎn)生嚴(yán)重影響；另外，地層表面存在低阻層或低阻礦化帶時(shí)，深部良導(dǎo)電地質(zhì)體被激發(fā)的二次場信號較弱，易被淺部低阻層強(qiáng)信號“屏蔽”。以上影響因素的存在，嚴(yán)重影響瞬變電磁的探測能力，若能夠避開干擾，解決“屏蔽”等不利因素的影響，對礦井深部采場所面臨的具有引起災(zāi)害性突發(fā)事件的隱伏致災(zāi)體的探測，具有非常重大的意義。
[0005]在解決上述問題的過程中，逐漸形成了較多的近目標(biāo)體的探測方法，有地震反射波法、瑞雷波法、地質(zhì)雷達(dá)法、礦井瞬變電磁法、礦井直流電阻率法、紅外測溫法和申請?zhí)枮?00810044794.6的專利所記載的預(yù)報(bào)隧道施工掌子面前方涌水位置的方法，這些方法各有優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是顯而易見的，簡述如下:
[0006]地震反射波法在實(shí)際工作中，接收的信號較復(fù)雜，斷層界面的負(fù)視速度反射波難以準(zhǔn)確提取，導(dǎo)致解釋結(jié)果存在較嚴(yán)重的多解性，而且地震反射波對地下水的反應(yīng)不敏感，不能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)前方強(qiáng)含水地質(zhì)異常體，尤其是對點(diǎn)狀導(dǎo)水通道更是無能為力。
[0007]瑞雷波法同樣對含水體不敏感，不能準(zhǔn)確預(yù)測掘進(jìn)前方的含水體，且超前距離一般只有50m，特別在松軟煤層中超前距離較短。
[0008]地質(zhì)雷達(dá)探測方法探測距離較短，大約在20m?30m以內(nèi)，同時(shí)雷達(dá)記錄易受附近機(jī)器干擾。[0009]礦井瞬變電磁探測方法原理同地面瞬變電磁法，該方法的缺點(diǎn)是不能探測掘進(jìn)頭附近約20m范圍內(nèi)的地質(zhì)體；巷道內(nèi)金屬體、局部電性不均勻體被激發(fā)后產(chǎn)生的渦流場，對采集的數(shù)據(jù)影響較大，出現(xiàn)難以排除的假異常；對目標(biāo)異常體在空間上的定位存在不確定性。
[0010]礦井直流電阻率法接收電極布置在掘進(jìn)迎頭后方，受施工環(huán)境(鐵軌、金屬支架、錨網(wǎng)、電器設(shè)備、局部水坑或潮濕地段等)和巷道空間影響較大，接收的數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，假異常偏多；單次探測距離有限，一般認(rèn)為80?100m。
[0011]紅外測溫方法探測距離較短，一般小于30m，且目前仍局限于定性預(yù)報(bào)異常體的含水性，對含水量亦不能進(jìn)行定量或半定量預(yù)報(bào)。
[0012]申請?zhí)枮?00810044794.6的發(fā)明專利說明了一種預(yù)報(bào)隧道施工掌子面前方涌水位置的方法。不能定量預(yù)測地下水體相對于掌子面的距離。其工作方式是在施工掌子面后面的隧道周邊，隨隧道施工掌子面的前移，按一定間距逐點(diǎn)跟蹤測試隧道周邊巖體的溫度。其溫度測試在5?12m深的巖孔中進(jìn)行，因此需要在隧道后方等間距實(shí)施一定數(shù)量的鉆孔，具有相對較大的工作量。
[0013]為避開各種干擾源的影響，增加單次探測距離，提高對隱伏致災(zāi)體的探測能力，確保安全生產(chǎn)，迫切需要一種單次預(yù)報(bào)距離更長，精度更高的探測方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明提出了一種在地面布置不接地回線，對目標(biāo)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)全包圍，供電產(chǎn)生一次電磁場，井下順層鉆孔中直接接收孔周圍三個(gè)方向(三分量)二次場的瞬變電磁法地孔探測方法與裝置。
[0015]本發(fā)明探測工作原理是:在地面布置發(fā)射系統(tǒng)，利用階躍波形電磁脈沖激發(fā)，向地下發(fā)射一次場，一次場關(guān)斷期間，良導(dǎo)電地質(zhì)體在一次場的作用下，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，即渦流，因渦流隨時(shí)間變化的作用，在其周圍產(chǎn)生新的磁場，即二次磁場。由于良導(dǎo)電地質(zhì)體內(nèi)感應(yīng)電流的熱損耗，二次磁場大致按照指數(shù)規(guī)律隨時(shí)間衰減，形成瞬變磁場，其包含著與地質(zhì)體有關(guān)的地質(zhì)信息。通過鉆孔中的接收裝置，觀測鉆孔周圍三分量的二次場隨時(shí)間的變化規(guī)律，并對觀測的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，可以推測解譯地層或地質(zhì)體的幾何和物性特征。
[0016]根據(jù)本發(fā)明，不僅可以避免地面局部良導(dǎo)電體、工業(yè)電磁信號和周期電信號等的干擾，而且可以避開地層表面低阻層或低阻礦化帶的“屏蔽”影響；接收裝置放在鉆孔內(nèi)還可以避開孔外復(fù)雜的施工環(huán)境，如煤礦巷道內(nèi)存在掘進(jìn)設(shè)備、錨桿、錨網(wǎng)、運(yùn)輸設(shè)備和工業(yè)用電等。
[0017]根據(jù)本發(fā)明，在鉆孔中接收信號，距離目標(biāo)體近，距離干擾源遠(yuǎn)，信號信噪比高；接收三個(gè)分量的二次場信號，對鉆孔周圍一定范圍內(nèi)地層進(jìn)行掃描，能夠?qū)崿F(xiàn)對孔周圍的含/導(dǎo)水構(gòu)造(或含富水區(qū)域)、老空積水、巖溶陷落柱、灰?guī)r水等隱伏地質(zhì)異常體的準(zhǔn)確定位。如用于探測煤層內(nèi)部、頂板、底板和掘進(jìn)巷道(或隧道)前方的隱伏致災(zāi)地質(zhì)異常體。
[0018]根據(jù)本發(fā)明，同一個(gè)發(fā)射源，可以實(shí)現(xiàn)對不同目標(biāo)層位的精確掃描探測，即探測縱向上不同目標(biāo)地層(如煤層頂、底板)內(nèi)地質(zhì)異常體時(shí)，可共用一個(gè)發(fā)射源。
[0019]根據(jù)本發(fā)明，橫向探測距離可以視探測目的任務(wù)和鉆孔深度可長可短。[0020]具體的，本發(fā)明提供一種地面布置不接地回線，供電產(chǎn)生一次電磁場，井下順層鉆孔中直接接收孔周圍二次場的瞬變電磁法探測方法，該方法可以用于煤層工作面內(nèi)部、頂板、底板和掘進(jìn)巷道(或隧道)迎頭前方隱伏致災(zāi)體的探測，其特征在于，包括以下幾個(gè)方面:
[0021](I)在需要探測的煤層工作面內(nèi)，或者頂?shù)装澹蛘呔蜻M(jìn)巷道(或隧道)迎頭的前方，沿需要探測的方向順層打鉆孔，孔深可根據(jù)探測要求至100?300m或更深；
[0022](2)在地面布置不接地回線，要求其投影位置將需要探測的目標(biāo)地層全部包圍，即
(I)中鉆孔在地面的投影位于回線內(nèi)；
[0023](3)為不接地回線供階躍變化的電流，以階躍波形電磁脈沖形式，向地下發(fā)射一次場；地下良導(dǎo)電地質(zhì)體在一次場的作用下，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，又稱渦流，因渦流隨時(shí)間變化的作用，在其周圍產(chǎn)生新的磁場，稱為二次磁場；
[0024](4)接收探頭放置于鉆孔內(nèi)，由孔口向深部以一定距離逐點(diǎn)移動(dòng)，每一接收點(diǎn)處均接收三個(gè)分量的二次場信號；
[0025](5)根據(jù)三分量數(shù)據(jù)，按照瞬變電磁法的算法計(jì)算出不同方位和不同深度的視電阻率，得到可用于地質(zhì)解釋的數(shù)據(jù)體，實(shí)現(xiàn)對地質(zhì)體的定位。
[0026](6)孔中以固定的點(diǎn)距進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，當(dāng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)突變時(shí)，可將接收探頭保持原位，實(shí)時(shí)重復(fù)采集，待確認(rèn)數(shù)據(jù)突變非操作原因引起，以小于原點(diǎn)距的距離移動(dòng)接收探頭，進(jìn)行測點(diǎn)加密采集。
[0027]根據(jù)上述瞬變電磁法地孔探測方法，其特征在于，所述鉆孔為順層鉆孔，在需要探測的煤層工作面內(nèi)，或者頂?shù)装?，或者掘進(jìn)巷道(或隧道)迎頭的前方，沿需要探測的方向順層打鉆孔，孔深可根據(jù)探測要求至100?300m或更深。
[0028]根據(jù)上述瞬變電磁法地孔探測方法，其特征在于，所述不接地回線布置在地面，其投影位置將需要探測的目標(biāo)地層全部包圍，所述順層鉆孔在地面投影應(yīng)位于回線內(nèi)。
[0029]根據(jù)上述瞬變電磁法地孔探測方法，其特征在于，以不接地回線為載體，向地下發(fā)射一次場；所述接收探頭放置于鉆孔內(nèi)，由孔口向深部以一定距離逐點(diǎn)移動(dòng)，每移動(dòng)一次均接收三個(gè)分量的二次場信號。
[0030]根據(jù)上述瞬變電磁法地孔探測方法，其特征在于，所述三分量數(shù)據(jù)，按照瞬變電磁法的算法計(jì)算出不同方位和不同深度的視電阻率，得到可用于地質(zhì)解釋的數(shù)據(jù)體，實(shí)現(xiàn)對地質(zhì)體的定位。
[0031]根據(jù)上述瞬變電磁法地孔探測方法，其特征在于，所述采集數(shù)據(jù)過程中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)突變時(shí)，可將接收探頭保持原位，實(shí)時(shí)重復(fù)采集，待確認(rèn)數(shù)據(jù)突變非操作原因引起，以小于原點(diǎn)距的距離移動(dòng)接收探頭，進(jìn)行測點(diǎn)加密采集。
[0032]另外，本發(fā)明還提供一種瞬變電磁法地孔探測裝置，地面布置不接地回線，發(fā)射一次場，井下鉆孔中接收不同方位的瞬變二次場數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對鉆孔周圍一定范圍內(nèi)的探測，其特征在于，包括以下幾個(gè)方面:
[0033](I)在需要探測的煤層工作面內(nèi)，或者頂?shù)装?，或者掘進(jìn)巷道(或隧道)迎頭的前方，沿需要探測的方向順層打鉆孔，孔深可根據(jù)探測要求至100?300m或更深；
[0034](2)在地面布置不接地回線，與發(fā)射設(shè)備相連，組成發(fā)射系統(tǒng)，回線投影位置將需要探測的目標(biāo)地層全部包圍，即鉆孔在地面的投影位于回線內(nèi)；[0035](3)接收探頭放置于鉆孔內(nèi)，與接收設(shè)備相連，組成接收系統(tǒng)；
[0036](4)發(fā)射系統(tǒng)位于地面，接收系統(tǒng)位于井下孔中，發(fā)射和接收實(shí)現(xiàn)分離。
[0037]根據(jù)上述瞬變電磁法地孔探測裝置，其特征在于，所述鉆孔為順層鉆孔，即在需要探測的煤層工作面內(nèi)，或者頂?shù)装?，或者掘進(jìn)巷道(或隧道)迎頭的前方，沿需要探測的方向順層打鉆孔，孔深可根據(jù)探測要求至100?300m或更深。
[0038]根據(jù)上述瞬變電磁法地孔探測裝置，其特征在于，所述不接地回線位于地面，與發(fā)射設(shè)備相連，組成發(fā)射系統(tǒng)，所述回線投影位置將需要探測的目標(biāo)地層全部包圍，即所述鉆孔在地面的投影位于回線內(nèi)。
[0039]根據(jù)上述瞬變電磁法地孔探測方法，其特征在于，所述接收探頭放置于鉆孔內(nèi)，與接收設(shè)備相連，組成接收系統(tǒng)。
[0040]根據(jù)上述瞬變電磁法地孔探測裝置，其特征在于，所述發(fā)射系統(tǒng)位于地面，所述接收系統(tǒng)位于井下孔中，發(fā)射和接收實(shí)現(xiàn)分離。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0041]圖1是本發(fā)明瞬變電磁法地孔探測方法原理和裝置形式示意圖。
[0042]圖中附圖標(biāo)記:1.地面，2.發(fā)射回線，3.發(fā)射電流，4.地層，5.煤層，6.含水地質(zhì)異常體，7.—次場，8.渦流，9.二次場，10.巷道，11.巷道迎頭，12.鉆孔與孔中測點(diǎn)。
[0043]圖2是本發(fā)明瞬變電磁法地孔探測方法坐標(biāo)系統(tǒng)示意圖。
[0044]圖中為鉆孔和坐標(biāo)系統(tǒng)。
【具體實(shí)施方式】
[0045]下面參照附圖結(jié)合【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明做出詳細(xì)描述。
[0046]圖1本發(fā)明瞬變電磁法地孔探測方法原理和裝置形式示意圖。
[0047]參照圖1，盡管是以順煤層超前探測地質(zhì)異常體為例進(jìn)行的描述，但需要說明的是，該描述僅僅是示例性的，本發(fā)明并不僅限于順煤層超前探測地質(zhì)異常體的方案中。大體上講，本發(fā)明【具體實(shí)施方式】包括以下步驟:
[0048](I)在井下需要探測的目標(biāo)地層中，打順層鉆孔步驟，具體來說，在需要超前探測的巷道10的迎頭11前方，沿掘進(jìn)方向順煤層5打鉆孔12，可根據(jù)探測要求鉆進(jìn)至100m、200m、300m 或更深；
[0049](2)在需要探測的目標(biāo)地層的地面I投影位置的周圍，采用測量定點(diǎn)儀器，進(jìn)行測量定點(diǎn)，定點(diǎn)圈定的區(qū)域應(yīng)將目標(biāo)地層投影位置全部包圍。
[0050](3)按照測量點(diǎn)鋪設(shè)發(fā)射回線2，發(fā)射回線沿掘進(jìn)方向鋪設(shè)為長方形或正方形，鉆孔12的平面投影位置位于所述發(fā)射回線2內(nèi)，所述發(fā)射回線2的邊長，可以根據(jù)鉆孔長度和目標(biāo)地層埋深確定。
[0051](4)所述發(fā)射回線2與地面發(fā)射設(shè)備相連，組成發(fā)射系統(tǒng)。以一定的工作頻率和電流為發(fā)射回線2供階躍變化的電流3，向地下發(fā)射一次場7。
[0052]地下含水地質(zhì)異常體6在一次場7的作用下，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，又稱渦流8，因渦流隨時(shí)間變化的作用，在其周圍產(chǎn)生新的磁場，稱為二次場9。
[0053](5)接收探頭放置于鉆孔12內(nèi)，與接收設(shè)備相連，組成接收系統(tǒng)。接收探頭以一定的距離向孔深部移動(dòng)，每移動(dòng)一次，同時(shí)接收三個(gè)方位(圖2中x、y、z三個(gè)分量)的二次場
9信號。
[0054](6)鉆孔12中以固定的點(diǎn)距進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，當(dāng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)突變時(shí)，可將接收探頭保持原位，實(shí)時(shí)重復(fù)采集，待確認(rèn)數(shù)據(jù)突變非操作原因引起，以小于原點(diǎn)距的距離移動(dòng)接收探頭，進(jìn)行測點(diǎn)加密采集。
[0055](7)所采集的三分量數(shù)據(jù)，按照瞬變電磁法的算法計(jì)算出不同方位和不同深度的視電阻率，得到可用于地質(zhì)解釋的數(shù)據(jù)體，實(shí)現(xiàn)對地質(zhì)體的定位。
[0056](8)對煤層5頂?shù)装逄綔y時(shí)，可采用定向鉆，分別在煤層5頂?shù)装逯写蜚@孔12，地面布置一次發(fā)射回線，完成兩個(gè)層位的探測。
[0057]以上根據(jù)實(shí)施例對本發(fā)明作出了詳細(xì)描述，然而，所述描述是例示性的，本發(fā)明不僅僅限于實(shí)施例中，本領(lǐng)域技術(shù)人員完全能夠根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)而對其作出各種形式的替換或者變更，在不脫離本發(fā)明宗旨和精神的前提下，凡是對本發(fā)明作出的各種變更及修飾均視為本發(fā)明所涵蓋的內(nèi)容，均落入所附權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種瞬變電磁法地孔探測方法，其特征在于，包括以下幾個(gè)方面: (1)在需要探測的煤層工作面內(nèi)，或者頂?shù)装澹蛘呔蜻M(jìn)巷道(或隧道)迎頭的前方，沿需要探測的方向順層打鉆孔，孔深可根據(jù)探測要求至100?300m或更深； (2)在地面布置不接地回線，其投影位置將需要探測的目標(biāo)地層全部包圍，即所述鉆孔在地面的投影位于回線內(nèi)； (3)為不接地回線供階躍變化的電流，以階躍波形電磁脈沖形式，向地下發(fā)射一次場；地下良導(dǎo)電地質(zhì)體在一次場的作用下，其內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，即渦流，因渦流隨時(shí)間變化的作用，在其周圍產(chǎn)生新的磁場，即二次磁場； (4)接收探頭放置于鉆孔內(nèi)，由孔口向深部以一定距離逐點(diǎn)移動(dòng)，每一接收點(diǎn)處均接收三個(gè)分量的二次場信號； (5)根據(jù)三分量數(shù)據(jù)，按照瞬變電磁法的算法計(jì)算出不同方位和不同深度的視電阻率，得到可用于地質(zhì)解釋的數(shù)據(jù)體，實(shí)現(xiàn)對地質(zhì)體的定位； (6)孔中以固定的點(diǎn)距進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，當(dāng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)突變時(shí)，可將接收探頭保持原位，實(shí)時(shí)重復(fù)采集，待確認(rèn)數(shù)據(jù)突變非操作原因引起，以小于原點(diǎn)距的距離移動(dòng)接收探頭，進(jìn)行測點(diǎn)加密采集。
2.如權(quán)利要求1所述瞬變電磁法地孔探測方法，其特征在于，以不接地回線為載體，向地下發(fā)射一次場；所述接收探頭放置于井下順層鉆孔內(nèi)，由孔口向深部以一定距離逐點(diǎn)移動(dòng)，每移動(dòng)一次均接收三個(gè)分量的二次場信號。
3.一種瞬變電磁法地孔探測裝置，地面布置不接地回線，發(fā)射一次場，井下鉆孔中接收不同方位的瞬變二次場數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對鉆孔周圍一定范圍內(nèi)的探測，其特征在于， 在地面布置所述不接地回線，將所述不接地回線與發(fā)射設(shè)備相連，組成發(fā)射系統(tǒng)，所述回線投影位置將需要探測的目標(biāo)地層全部包圍，即鉆孔在地面的投影位于回線內(nèi)； 在所述鉆孔內(nèi)放置接收探頭，所述接收探頭與接收設(shè)備相連，組成接收系統(tǒng)； 其中，發(fā)射系統(tǒng)位于地面，接收系統(tǒng)位于井下孔中，發(fā)射和接收實(shí)現(xiàn)分離。
【文檔編號】G01V3/26GK103995296SQ201410257803
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年6月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月11日
【發(fā)明者】王信文, 侯彥威, 王鵬, 王艷波, 覃慶炎, 代鳳強(qiáng), 李丹 申請人:中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司