本發(fā)明涉及一種孔中電磁波透視方法，屬于地球物理勘探技術(shù)領(lǐng)域,具體是涉及一種基于鉆孔的煤礦井下孔中電磁波透視方法。

背景技術(shù)：

煤礦掘進(jìn)巷道超前探測(cè)問題一直是煤礦井下物探工作的一個(gè)重點(diǎn)方向，目前所運(yùn)用的一些方法都在巷道后方進(jìn)行施工，這種施工方式的限制帶來了兩方面的缺陷：第一，探測(cè)裝置位于巷道中，巷道中已有的金屬器械、設(shè)備對(duì)信號(hào)采集過程有較大干擾，不利于后期數(shù)據(jù)的解釋，降低采集信號(hào)信噪比；第二，探測(cè)裝置距離所要探測(cè)的異常目標(biāo)體距離遠(yuǎn)，異常體產(chǎn)生的電磁信號(hào)在總體接收信號(hào)中所占據(jù)的比例小，不利于異常體的發(fā)現(xiàn)。采用超前探放水鉆孔對(duì)孔間地質(zhì)情況進(jìn)行探查，有效規(guī)避這兩方面的缺點(diǎn)，能獲取更高質(zhì)量的信號(hào)，更利于對(duì)前方地質(zhì)情況做出準(zhǔn)確判別。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的超前探測(cè)施工均在掌子面后方進(jìn)行，接收電磁信號(hào)容易受到電磁干擾的技術(shù)問題，提供了一種基于鉆孔的煤礦井下孔中電磁波透視方法。該方法將接收探頭放置于鉆孔中，大大減小了環(huán)境噪聲對(duì)采集數(shù)據(jù)的干擾。

本發(fā)明的上述技術(shù)問題主要是通過下述技術(shù)方案得以解決的：

一種基于鉆孔的煤礦井下孔中電磁波透視方法，包括以下步驟：

鉆孔施工步驟，在巷道前方施工至少兩個(gè)鉆孔，在鉆孔中設(shè)置發(fā)射探頭及接收探頭；

透視探測(cè)步驟，在一個(gè)鉆孔內(nèi)發(fā)射電磁波，在另一個(gè)鉆孔內(nèi)逐點(diǎn)接收；改變發(fā)射點(diǎn)位置，再次進(jìn)行發(fā)射接收，完成透視流程；

數(shù)據(jù)處理步驟，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，形成二維單孔探測(cè)結(jié)果。

優(yōu)化的，上述的一種基于鉆孔的煤礦井下孔中電磁波透視方法，所述數(shù)據(jù)處理步驟包括:

圓滑處理子步驟，參照電磁波在巷道內(nèi)接收的標(biāo)準(zhǔn)曲線形態(tài)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行圓滑處理，對(duì)跳躍接收點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行小幅調(diào)整，確保接收曲線呈開口向下的類“拋物線”；

網(wǎng)格劃分子步驟，將待處理區(qū)域劃分為網(wǎng)格并編號(hào)，各網(wǎng)格內(nèi)包括的待處理數(shù)據(jù)量相當(dāng)；

方程構(gòu)建子步驟，將接收數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)連線所經(jīng)過的各個(gè)網(wǎng)格內(nèi)線段長度作為反演方程的元素，形成關(guān)于該測(cè)量數(shù)據(jù)的一個(gè)方程；遍歷處理所有接收數(shù)據(jù)，形成線性方程組；

方程求解子步驟，求解所述線性方程組，獲得介質(zhì)對(duì)電磁波的吸收衰減系數(shù)。

優(yōu)化的，上述的一種基于鉆孔的煤礦井下孔中電磁波透視方法，所述方程求解子步驟具體包括：

步驟1，對(duì)方程組的一行，計(jì)算行元素的和，按照每一列元素在和值中所占據(jù)的比例分配方程右端的投影值；分配的值暫時(shí)作為該列對(duì)應(yīng)的未知數(shù)的解；

步驟2，對(duì)所有行都進(jìn)行投影值分配，網(wǎng)格第二次及后續(xù)分配的值以加和形式累加到該網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的未知數(shù)值中；

步驟3，對(duì)網(wǎng)格內(nèi)各次累加數(shù)值求平均值，更新結(jié)果；

步驟4，以已經(jīng)得到的未知數(shù)的解作為初始解x0，采用穩(wěn)定的雙共軛梯度方法求取新的解x1。

優(yōu)化的，上述的一種基于鉆孔的煤礦井下孔中電磁波透視方法，所述步驟4中，

進(jìn)行如下變換，x1＝x1*x0/max(x0),x0＝x1,用x0再次進(jìn)行雙共軛梯度的迭代過程，獲得x1。

根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于鉆孔的煤礦井下孔中電磁波透視方法，

優(yōu)化的，上述的一種基于鉆孔的煤礦井下孔中電磁波透視方法，所述鉆孔間夾角為60度。

優(yōu)化的，上述的一種基于鉆孔的煤礦井下孔中電磁波透視方法，在布置發(fā)射探頭和接收探頭是，探頭的位置在孔口處間距適當(dāng)放大，在孔底部分間距逐漸縮小。

因此，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)利用已有鉆孔，將探測(cè)裝置推送到迎頭前方實(shí)現(xiàn)近距離透視，大縮短了異常體與接收裝置之間的距離，增強(qiáng)了異常場(chǎng)在接收信號(hào)中的比例。

(2)將發(fā)射和接收設(shè)備同時(shí)送入巷道的前方，觀測(cè)系統(tǒng)與探測(cè)異常體達(dá)到了最佳的位置耦合，大大增強(qiáng)了二次信號(hào)在總體測(cè)量信號(hào)中的占比值，提高了探測(cè)準(zhǔn)確性。

附圖說明

圖1是孔中電磁波透視探測(cè)實(shí)物示意圖。

圖2是孔中電磁波透視發(fā)射-接收射線分布圖；

具體實(shí)施方式

下面通過實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說明。

實(shí)施例：

本實(shí)施例方法如圖1-2所示。

圖1簡(jiǎn)要展示了施工時(shí)主機(jī)與探頭之間的關(guān)系，探測(cè)過程中，主機(jī)部分放置于巷道中，發(fā)射、接收探頭在鉆孔內(nèi)移動(dòng)。

圖2給出了孔中電磁波透視射線分布圖(發(fā)射-接收點(diǎn)連線圖)，在近孔口端，發(fā)射接收點(diǎn)的距離盡量遠(yuǎn)，在孔底端，發(fā)射接收點(diǎn)需加密，以保證鉆孔所圍區(qū)域射線密度均衡。

本實(shí)施例的方法具體包括以下步驟：

步驟1，在巷道掘進(jìn)停止，實(shí)施鉆探施工時(shí)，設(shè)計(jì)兩個(gè)呈一定張角(60o左右)，深度60-80m的鉆孔，采用孔中施工的方式，真正使得發(fā)射、接收靠近待探查區(qū)域，在施工方法上是極大的進(jìn)步。

步驟2，根據(jù)設(shè)定的鉆孔位置和終孔長度，確定發(fā)射點(diǎn)，接收點(diǎn)的間距(5m或10m作為參考值)設(shè)計(jì)觀測(cè)系統(tǒng)，即確定發(fā)射、接收點(diǎn)的位置，間距需要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)，保證發(fā)射-接收連線均勻分布于兩鉆孔所包圍的三角形區(qū)域內(nèi)。

步驟3，將發(fā)射探頭放置于鉆孔中，在另一個(gè)鉆孔內(nèi)的接收點(diǎn)逐點(diǎn)接收，存儲(chǔ)不同接收點(diǎn)的接收?qǐng)鰪?qiáng)值。所有發(fā)射-接收連線組合起來即構(gòu)成觀測(cè)系統(tǒng)圖，通常情況下兩個(gè)鉆孔有一定的夾角而非平行，因此發(fā)射接收點(diǎn)的設(shè)計(jì)間距不能按照固定值，需要變動(dòng)以保證射線均勻分布于探測(cè)區(qū)域，孔口位置間距適當(dāng)放大，孔底部分間距逐漸縮小。

步驟4，改變發(fā)射點(diǎn)的位置，重復(fù)過程(3)，完成單孔透視流程。

其中，步驟3-4中，在施工的兩個(gè)鉆孔中，都設(shè)計(jì)若干個(gè)物理點(diǎn)，在其中一個(gè)鉆孔內(nèi)某個(gè)物理點(diǎn)上發(fā)射，另一鉆孔內(nèi)若干個(gè)物理點(diǎn)逐次接收，接收完畢之后發(fā)射點(diǎn)更換到下一個(gè)物理點(diǎn)，另一個(gè)孔內(nèi)再次進(jìn)行若干個(gè)物理點(diǎn)的接收。

步驟5，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，按照數(shù)據(jù)展示、編輯、預(yù)處理、ct成像等步驟得到單孔控制范圍內(nèi)的地質(zhì)信息，形成二維單孔探測(cè)成果。

其中，數(shù)據(jù)處理的具體過程如下：

步驟5.1，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，參照電磁波在巷道內(nèi)接收的標(biāo)準(zhǔn)曲線形態(tài)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行圓滑處理，人工/自動(dòng)編輯數(shù)據(jù)，對(duì)跳躍接收點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行小幅調(diào)整，確保接收曲線呈開口向下的類“拋物線”。電磁波信號(hào)強(qiáng)度隨距離增大而衰減，近似與距離成反比，一般施工時(shí)接收位置相對(duì)于發(fā)射點(diǎn)有先減小后增大的規(guī)律，因此接收曲線應(yīng)該是類似于‘拋物線形態(tài)’。

步驟5.2，建立坐標(biāo)原點(diǎn)，為所有發(fā)射點(diǎn)、接收點(diǎn)確定坐標(biāo)，找出最小、最大的x坐標(biāo)和最小、最大的y坐標(biāo)，以兩組坐標(biāo)值確定矩形范圍，按照一定的密度對(duì)矩形進(jìn)行細(xì)分，并對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行編號(hào)。網(wǎng)格密度確定的原則為：所有網(wǎng)格數(shù)(未知數(shù)的數(shù)目)與采集數(shù)據(jù)量相當(dāng)。附圖2描述的是發(fā)射點(diǎn)、接收點(diǎn)之間的連線關(guān)系，實(shí)際操作中，兩個(gè)鉆孔之間的范圍被剖分成了如干個(gè)網(wǎng)格，需要保證的是網(wǎng)格的數(shù)量與發(fā)射-接收連線的條數(shù)接近。

步驟5.3，對(duì)于每個(gè)接收數(shù)據(jù)，確定發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)的坐標(biāo)，計(jì)算兩點(diǎn)連線所有經(jīng)過網(wǎng)格的編號(hào)值以及連線在該網(wǎng)格編號(hào)內(nèi)的線段長度，將各個(gè)網(wǎng)格內(nèi)線段的長度作為反演方程的元素，形成反演矩陣，將接收數(shù)據(jù)乘以收-發(fā)距離并取對(duì)數(shù)形成該條射線的投影值，形成關(guān)于該測(cè)量數(shù)據(jù)的一個(gè)方程。

步驟5.4，對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行如步驟5.3，的處理，最終形成關(guān)聯(lián)所有數(shù)據(jù)的線性代數(shù)方程組。

步驟5.5，前面步驟完成了測(cè)量數(shù)據(jù)與吸收衰減系數(shù)之間的聯(lián)系。反演方程的左端每一行代表射線經(jīng)過每個(gè)網(wǎng)格的長度乘以該網(wǎng)格吸收衰減系數(shù)的求和，右端為投影值，對(duì)應(yīng)觀測(cè)數(shù)據(jù)。解決該方程組獲得未知數(shù)(吸收衰減系數(shù))的值。步驟(4)中形成的方程組常規(guī)方法很難求得比較準(zhǔn)確穩(wěn)定的解，需采用迭代方法：

(1)對(duì)方程組的一行，計(jì)算行元素的和，按照每一列元素在和值中所占據(jù)的比例分配方程右端的投影值；分配的值暫時(shí)作為該列對(duì)應(yīng)的未知數(shù)的解；

(2)對(duì)所有行都進(jìn)行投影值分配，網(wǎng)格第二次及后續(xù)分配的值以加和形式累加到該網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的未知數(shù)值中；

(3)對(duì)網(wǎng)格內(nèi)各次累加數(shù)值求平均值，更新結(jié)果。由于分配投影值的策略是按照網(wǎng)格內(nèi)線段的長度所占百分比，最終形成的結(jié)果以發(fā)射接收連線形成“條帶”，分辨率不高，但可確定異常的大致范圍，還需要進(jìn)一步調(diào)整。

(4)以已經(jīng)得到的未知數(shù)的解作為長初始解x0。穩(wěn)定的雙共軛梯度法求解時(shí)需要提供一個(gè)初始解，初始解的結(jié)果約接近真實(shí)解，迭代收斂過程越快。采用穩(wěn)定的雙共軛梯度方法求取新的解x1,與按線段長度分配投影值不同，穩(wěn)定的雙共軛梯度法以達(dá)到預(yù)期的均方差為收斂條件，但缺乏對(duì)異常區(qū)位置的基本判別。對(duì)兩種結(jié)果繼續(xù)進(jìn)行如下變換：

用x0再次進(jìn)行雙共軛梯度的迭代過程，獲得x1,該操作過程利用按射線分配投影值取得的結(jié)果大體正確(對(duì)應(yīng)(1)-(3))和穩(wěn)定的雙共軛梯度法計(jì)算結(jié)果全局誤差小的(對(duì)應(yīng)(4))特點(diǎn)，使得最終得到的吸收衰減系數(shù)更準(zhǔn)確并與實(shí)際情況更加貼近。采用art(對(duì)應(yīng)(1)-(3))和bicgstab(對(duì)應(yīng)(4))兩種算法并對(duì)結(jié)果進(jìn)行綜合是本發(fā)明數(shù)據(jù)處理的重要特點(diǎn)。

采用上述方案后，孔中無線電波透視探測(cè)方法突破了傳統(tǒng)在巷道后方測(cè)量的方式，將探測(cè)裝置放置于鉆孔中，并由推送裝置推送到迎頭前方，為實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道前方地質(zhì)異常體的直接二維/三維探測(cè)提供了有效手段。為增強(qiáng)探測(cè)分辨率，采用30mhz高頻探頭接收。

實(shí)際情況如果存在多個(gè)鉆孔，開展多孔間透視，可形成三維立體探測(cè)，獲取前方異常體的三維信息。

要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確探測(cè)，最為核心的一點(diǎn)是加強(qiáng)探測(cè)目標(biāo)體產(chǎn)生的二次信號(hào)在總體測(cè)量信號(hào)中的百分比。本發(fā)明將發(fā)射和接收設(shè)備同時(shí)送入巷道的前方，觀測(cè)系統(tǒng)與探測(cè)異常體達(dá)到了最佳的位置耦合，大大增強(qiáng)了二次信號(hào)在總體測(cè)量信號(hào)中的占比值，這種觀測(cè)方式使得超前探測(cè)問題得到根本性解決。

本文中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代，但并不會(huì)偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。