本發(fā)明公開了一種用于實現(xiàn)礦井瞬變電磁聚焦探測的裝置和方法，屬于地球物理電磁勘探技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

瞬變電磁或稱時間域電磁法(timedomainelectromagneticmethods)，簡稱tem，它是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間隙期間，利用線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法。其基本的工作方法是在地面或空中設(shè)置通以一定波形電流的發(fā)射線圈，從而在其周圍空間產(chǎn)生一次電磁場，并在地下導(dǎo)電巖礦體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，斷電后，感應(yīng)電流由于熱損耗而隨時間衰減。通過測量斷電后各個時間段的二次場隨時間變化規(guī)律，可得到不同深度的地電特征。瞬變電磁的探測原理可以用“煙圈”效應(yīng)來說明，發(fā)射電流關(guān)斷后不同時刻地下感應(yīng)電流場呈環(huán)帶狀分布，渦流場極大值最先位于緊靠發(fā)射回線的地表，隨著時間的推移，該極大值沿著與地表呈一定角度的錐形斜面向下、向外移動，形成“煙圈”。

礦井瞬變電磁法是將地面常用的瞬變電磁法應(yīng)用到煤礦井下，對工作面頂、底板富水構(gòu)造以及巷道迎頭超前富水構(gòu)造進行探測，其基本原理與地面瞬變電磁法相同，但是受到礦井巷道內(nèi)的工作環(huán)境限制，瞬變電磁的發(fā)射線圈大小有限；由于井下防爆等安全問題，瞬變電磁的發(fā)射電流也有限，與地面瞬變電磁相比，發(fā)射功率相對較小，勘探深度自然就淺；而且根據(jù)“煙圈”效應(yīng)的特點可知，地下渦流場的極大值是與地表呈一定角度的錐形斜面向下、向外移動，導(dǎo)致傳統(tǒng)的tem發(fā)射線圈探測范圍過大，不能針對地下某個特定方位進行精細探測。

國內(nèi)磁聚焦技術(shù)在醫(yī)學(xué)和石油勘測領(lǐng)域發(fā)展較快，雖然磁聚焦專利較多，但適用于瞬變電磁尤其是礦井瞬變電磁的聚焦探測的裝置較少?？梢圆檎业挠兄袊突す煞萦邢薰镜膶＠暾?zhí)枮?01410834549.0，公布號為cn104700974a的發(fā)明專利，公開了一種磁聚焦線圈及其陣列的設(shè)置方法，所述發(fā)射線圈陣列至少由兩個半徑不同、處于同心圓形狀分布的線圈組，依次疊堆在一起，且兩個線圈的一側(cè)端部共處于同一平面中；主發(fā)射線圈半徑最小為r1，輔助線圈緊靠主發(fā)射線圈，且比主發(fā)射圈尺寸大，半徑為r2；所述的發(fā)射線圈均采用0.51mm的漆包線繞制，內(nèi)圓繞制769匝，外圓繞制504匝，線圈總長為918m，兩者的電阻值均為82.2歐姆。

上述發(fā)明存在如下幾個缺陷：

(1)作為發(fā)射線圈，使用的線圈組匝數(shù)過多，導(dǎo)致線圈內(nèi)部的電容和電感增大，同時也使瞬變電磁關(guān)斷時間過長，探測盲區(qū)增大；

(2)作為發(fā)射線圈，使用的線圈組漆包線過細，導(dǎo)致線圈組的內(nèi)阻太大，在保證一定的發(fā)射功率的前提下，需要加載高強度工作電壓，這給井下工作和生產(chǎn)帶來安全隱患；

(3)在磁聚焦線圈制作封裝完成后，其聚焦能力和聚焦范圍就受到了一定限制，不能對聚焦能力和聚焦范圍進行實時動態(tài)調(diào)整。

成都信息工程學(xué)院的譚偉強2013年在其碩士學(xué)位論文《磁聚焦激勵線圈在埋地金屬管線中的應(yīng)用研究》中，設(shè)計并闡述了三種用于磁聚焦的線圈陣列模型，其中包括半球形線圈陣列：在上下兩層空間布設(shè)7個串聯(lián)連接的線圈，第一層以z軸為圓心放置一個子線圈且平行于xoy平面，第二層以一定角度傾斜于xoy平面放置六個子線圈并且均勻分布于第一個子線圈外，每個子線圈半徑為d，用于增強球心處的磁場強度；圓形面線圈陣列：由12個半徑為d的線圈串聯(lián)而成，各子線圈垂直于xoy平面，直徑相交于z坐標(biāo)；矩形面線圈陣列：利用兩個邊長為a的方形線圈串聯(lián)放置在與xoy平行的不同平面，重疊區(qū)域為d，每個子線圈匝數(shù)為100。

上述文獻存在如下幾個缺陷：

(1)文中提到的半球形線圈陣列和圓形面線圈陣列，其子線圈半徑一旦確定，就只能針對一定范圍進行聚焦，不能對聚焦能力和聚焦范圍進行實時動態(tài)調(diào)整，應(yīng)用單一。而且組成陣列的線圈數(shù)目偏多，設(shè)計難度較大，在井下巷道施工困難，線圈數(shù)目增多導(dǎo)致互感增強，給接收信號帶來較大干擾；

(2)文中提到的矩形面線圈陣列由于重疊區(qū)域較小，導(dǎo)致聚焦能力較弱，動態(tài)聚焦范圍變小，所以在探測過程中還需要兼顧最佳測量位置的擺放；不同矩形線圈處在不同平面且串聯(lián)連接，在井下巷道布設(shè)、固定和施工困難，嚴(yán)重影響工作效率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明專利的目的是提供一種易于實現(xiàn)礦井瞬變電磁聚焦探測的裝置和方法，以克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，使地下渦流場聚集到探測區(qū)，增加勘探深度，實現(xiàn)指向性探測。

一種實現(xiàn)礦井瞬變電磁聚焦探測的裝置，其特征在于，包括電磁波信號發(fā)射裝置，電磁波信號接收裝置，瞬變電磁防爆主機；

所述電磁波信號發(fā)射裝置，包括兩個完全相同的多匝線圈，其形狀成矩形或者圓形，其回線邊長或直徑為50cm，體積小便于在礦井下巷道內(nèi)開展工作；兩個多匝線圈相互獨立，處于同一平面并聯(lián)連接至瞬變電磁防爆主機，兩者之間存在一定的距離并且可以根據(jù)實際探測空間對兩者距離進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，同時發(fā)射裝置的聚焦能力和聚焦范圍可以通過改變兩個多匝線圈之間的距離進行實時動態(tài)調(diào)整；兩個多匝線圈在工作時加載大小相同、方向相同的電流，并且在探測過程中，當(dāng)改變測點位置時，需要將兩個多匝線圈同時移動；

所述的電磁波信號接收裝置，指的是多匝小線圈或者磁棒線圈，放置于兩個多匝發(fā)射線圈中心軸線的對稱位置，用于感應(yīng)電磁波信號的接收；多匝小線圈的形狀是矩形或者圓形，其回線邊長或直徑為20cm；磁棒線圈是在直徑10cm的圓柱形骨架上纏繞多匝線圈，骨架內(nèi)含直徑為2cm的鐵氧體磁芯；

所述的瞬變電磁防爆主機內(nèi)部包括電磁波發(fā)射電路，感應(yīng)電磁波信號接收電路。

一種實現(xiàn)礦井瞬變電磁聚焦探測的方法，其特征在于：應(yīng)用于一種礦井瞬變電磁聚焦探測的裝置，所述礦井瞬變電磁聚焦探測的裝置包括電磁波信號發(fā)射裝置，電磁波信號接收裝置，瞬變電磁防爆主機；

所述電磁波信號發(fā)射裝置，包括兩個完全相同的多匝線圈，其形狀成矩形或者圓形，其回線邊長或直徑為50cm，體積小便于在礦井下巷道內(nèi)開展工作；兩個多匝線圈相互獨立，處于同一平面并聯(lián)連接至瞬變電磁防爆主機，兩者之間存在一定的距離并且可以根據(jù)實際探測空間對兩者距離進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，同時發(fā)射裝置的聚焦能力和聚焦范圍可以通過改變兩個多匝線圈之間的距離進行實時動態(tài)調(diào)整；兩個多匝線圈在工作時加載大小相同、方向相同的電流，并且在探測過程中，當(dāng)改變測點位置時，需要將兩個多匝線圈同時移動；

所述的電磁波信號接收裝置，指的是多匝小線圈或者磁棒線圈，放置于兩個多匝發(fā)射線圈中心軸線的對稱位置，用于感應(yīng)電磁波信號的接收；多匝小線圈的形狀是矩形或者圓形，其回線邊長或直徑為20cm；磁棒線圈是在直徑10cm的圓柱形骨架上纏繞多匝線圈，骨架內(nèi)含直徑為2cm的鐵氧體磁芯；

所述的瞬變電磁防爆主機內(nèi)部包括電磁波發(fā)射電路，感應(yīng)電磁波信號接收電路。

一種實現(xiàn)礦井瞬變電磁聚焦探測的方法，其特征在于：利用兩個完全相同、處于同一平面的多匝線圈發(fā)射聚焦電磁波，在兩者中心軸線的對稱位置接收感應(yīng)電磁波信號，實現(xiàn)礦井瞬變電磁的聚焦探測，具體包括以下步驟：

步驟一：首先將兩個完全相同、相互獨立的多匝線圈并聯(lián)連接到瞬變電磁防爆主機，使其處于同一平面，兩者之間存在一定距離；

步驟二：瞬變電磁防爆主機控制電磁波發(fā)射電路對兩個并聯(lián)的多匝發(fā)射線圈加載大小相同、方向相同的電流，產(chǎn)生向工作面上方或巷道前方的電磁波作為激勵場，由磁場疊加原理可知，電磁場在并聯(lián)的發(fā)射線圈中心軸線的對稱位置及其附近聚集增強；

步驟三：由電磁感應(yīng)原理可知，工作面上方或者巷道前方地質(zhì)異常體產(chǎn)生感應(yīng)電磁波，利用電磁波接收裝置在兩個多匝發(fā)射線圈中心軸線的對稱位置接收感應(yīng)電磁波信號，并將信號傳入瞬變電磁防爆主機的電磁波信號接收電路進行記錄；

步驟四：改變兩個多匝線圈之間的距離，對發(fā)射裝置的聚焦能力和聚焦范圍進行實時動態(tài)調(diào)整；

步驟五：在布置好的測線上同時移動電磁波信號發(fā)射裝置和電磁波信號接收裝置，進行逐點或者逐角度探測。

一種實現(xiàn)礦井瞬變電磁聚焦探測的方法，其特征在于：所述的聚焦探測是根據(jù)井下的具體施工條件、探測目的，在探測區(qū)域逐點或逐角度進行探測，增加探測深度，實現(xiàn)礦井瞬變電磁的指向性探測。

本發(fā)明的一種實現(xiàn)礦井瞬變電磁聚焦探測的裝置和方法優(yōu)點在于：

本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡單，實施方便，只需要在常規(guī)礦井瞬變電磁發(fā)射線圈基礎(chǔ)上并聯(lián)一個完全相同的線圈，將兩者放置于同一平面且存在一定的距離，加載大小相同、方向相同的電流，在兩者中心軸線的對稱位置接收感應(yīng)電磁波信號即可。

本發(fā)明裝置與傳統(tǒng)的礦井瞬變電磁收發(fā)裝置相比具有明顯的聚焦效果，在保證一定的發(fā)射功率的前提下，不增加發(fā)射線圈匝數(shù)，不增大發(fā)射線圈尺寸，不增大發(fā)射電流，明顯的增加了勘探深度，并且能夠針對某一方位實現(xiàn)指向性探測。

本發(fā)明裝置的聚焦能力和聚焦范圍可以通過改變兩個多匝發(fā)射線圈之間的距離進行實時動態(tài)調(diào)整。

本發(fā)明提供的實現(xiàn)聚焦探測的方法簡單易行，將其應(yīng)用到聚焦探測裝置上，在測量過程中，只需將兩個發(fā)射線圈和接收線圈同時移動，就可以沿測線逐點或逐角度進行聚焦探測。

附圖說明

圖1瞬變電磁信號的“煙圈”效應(yīng)

圖2傳統(tǒng)收發(fā)裝置示意圖

圖3傳統(tǒng)發(fā)射線圈磁場示意圖

圖4聚焦收發(fā)裝置示意圖

圖5聚焦發(fā)射線圈磁場聚焦示意圖

具體實施方式

下面借助附圖進一步對本發(fā)明的具體實施方式進行說明。

一種實現(xiàn)礦井瞬變電磁聚焦探測的裝置，其特征在于，包括電磁波信號發(fā)射裝置，電磁波信號接收裝置，瞬變電磁防爆主機；一種實現(xiàn)礦井瞬變電磁聚焦探測的的方法，其特征在于：應(yīng)用于一種礦井瞬變電磁聚焦探測的裝置，所述礦井瞬變電磁聚焦探測的裝置包括電磁波信號發(fā)射裝置，電磁波信號接收裝置，瞬變電磁防爆主機；

所述電磁波信號發(fā)射裝置，包括兩個完全相同的多匝線圈，其形狀成矩形或者圓形，其回線邊長或直徑為50cm，體積小便于在礦井下巷道內(nèi)開展工作；兩個多匝線圈相互獨立，處于同一平面并聯(lián)連接至瞬變電磁防爆主機，兩者之間存在一定的距離并且可以根據(jù)實際探測空間對兩者距離進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，同時發(fā)射裝置的聚焦能力和聚焦范圍可以通過改變兩個多匝線圈之間的距離進行實時動態(tài)調(diào)整；兩個多匝線圈在工作時加載大小相同、方向相同的電流，并且在探測過程中，當(dāng)改變測點位置時，需要將兩個多匝線圈同時移動；

所述的電磁波信號接收裝置，指的是多匝小線圈或者磁棒線圈，放置于兩個多匝發(fā)射線圈中心軸線的對稱位置，用于感應(yīng)電磁波信號的接收；多匝小線圈的形狀是矩形或者圓形，其回線邊長或直徑為20cm；磁棒線圈是在直徑10cm的圓柱形骨架上纏繞多匝線圈，骨架內(nèi)含直徑為2cm的鐵氧體磁芯；

所述的瞬變電磁防爆主機內(nèi)部包括電磁波發(fā)射電路，感應(yīng)電磁波信號接收電路。

實施方案如下：

(1)首先將兩個完全相同、相互獨立的多匝線圈并聯(lián)連接到瞬變電磁防爆主機，使其處于同一平面，兩者之間存在一定距離，如圖4所示；

(2)瞬變電磁防爆主機控制電磁波發(fā)射電路對兩個并聯(lián)的多匝發(fā)射線圈加載大小相同、方向相同的電流，產(chǎn)生向工作面上方或巷道前方的電磁波作為激勵場，由磁場疊加原理可知，電磁場在并聯(lián)的發(fā)射線圈中心軸線的對稱位置及其附近聚集增強，如圖5所示；

(3)由電磁感應(yīng)原理可知，工作面上方或者巷道前方地質(zhì)異常體產(chǎn)生感應(yīng)電磁波，利用電磁波接收裝置在兩個多匝發(fā)射線圈中心軸線的對稱位置接收感應(yīng)電磁波信號，并將信號傳入瞬變電磁防爆主機的電磁波信號接收電路進行記錄，如圖4所示；

(4)改變兩個多匝線圈之間的距離，對發(fā)射裝置的聚焦能力和聚焦范圍進行實時動態(tài)調(diào)整；

(5)在布置好的測線上同時移動電磁波信號發(fā)射裝置和電磁波信號接收裝置，進行逐點或者逐角度探測。