一種多層采空區(qū)地面-巷道瞬變電磁探測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種瞬變電磁探測(cè)方法，具體是一種多層采空區(qū)地面-巷道瞬變電磁 探測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 采空區(qū)積水是誘發(fā)我國(guó)煤礦特大突水災(zāi)害事故的主要原因之一。煤系是地殼在以 沉降運(yùn)動(dòng)為主的振蕩過(guò)程中形成的，大多成層分布，我國(guó)煤田從上而下一般均存在多層可 采煤層。上部煤層開(kāi)采完畢后形成的采空區(qū)成為匯水區(qū)域，以靜儲(chǔ)量為主，水壓力大，一旦 掘透，來(lái)勢(shì)兇猛，破壞力大，容易造成群體性傷亡事故，給鄰近工作面及下部煤層開(kāi)采帶來(lái) 安全隱患。
[0003] 近年，我國(guó)煤炭行業(yè)進(jìn)行了資源整合，由于前期盜采或開(kāi)采的無(wú)序、不合理，許多 礦區(qū)在進(jìn)行下部煤層開(kāi)采時(shí)均面臨上部多層積水采空區(qū)的威脅。采掘工程資料缺失或不 詳，致使上部煤層采空積水情況無(wú)從考證。
[0004] 目前我國(guó)煤礦水文地質(zhì)地球物理探測(cè)技術(shù)主要分地面與井下：地面主要有直流電 阻率法、瞬變電磁法、可控源音頻大地電磁測(cè)深等；井下主要有礦井直流電法、礦井瞬變電 磁法、音頻電透視等。
[0005] 受地形、人文設(shè)施及探測(cè)深度要求，地面水文物探分辨率、勘探精度及可靠性大為 降低，雖然能滿足水源地勘查的要求，但還達(dá)不到煤礦防治水工作的精細(xì)勘查要求，只能作 為煤礦制定采區(qū)防治水規(guī)劃的參考資料。
[0006] 礦井水文物探技術(shù)包括直流電法勘探、礦井音頻電透視、礦井瞬變電磁法等。由于 靠近目標(biāo)體，信號(hào)響應(yīng)強(qiáng)，分辨率較高，但也存在一定不足。對(duì)于直流電法勘探而言，比較突 出的是需要一定的測(cè)線長(zhǎng)度，如果可施工巷道長(zhǎng)度有限，則無(wú)法滿足勘探深度的要求；二是 當(dāng)巖層破碎且干燥時(shí)，電極與巖層的接觸常常會(huì)帶來(lái)困難；三是當(dāng)工作面較寬時(shí)在工作面 頂板上方中間部位容易形成探測(cè)盲區(qū)。礦井音頻電法透視在采煤工作面頂?shù)装鍍?nèi)部的導(dǎo)水 構(gòu)造及含水層的富水性探測(cè)，取得了較好的地質(zhì)效果，實(shí)際探測(cè)中也面臨電極布置困難，施 工時(shí)必須是準(zhǔn)備回采的工作面，或存在2條順槽（透距<350m)的區(qū)域，主要探查兩順槽 間頂板IOOm高度（或深度）范圍內(nèi)水文異常地質(zhì)體的空間位置，目前仍然存在尚待解決的 理論和實(shí)際問(wèn)題，如頻率范圍的選擇、探測(cè)深度的確定、頻率和深度的函數(shù)關(guān)系等問(wèn)題。
[0007] 礦井瞬變電磁法是近年才發(fā)展起來(lái)的一種井下探測(cè)方法，因其施工方便快捷，對(duì) 含水體敏感成為目前礦井水文物探主要手段之一，但其探測(cè)深度有限，當(dāng)上部采空區(qū)距探 測(cè)位置較遠(yuǎn)時(shí)無(wú)法達(dá)到理想的探測(cè)深度，同時(shí)盡管通過(guò)改變線圈平面方向可實(shí)現(xiàn)不同方位 探測(cè)，在頂板方向仍存在一定的探測(cè)盲區(qū)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種多層采空區(qū)地面-巷道瞬變電磁 探測(cè)方法，能夠無(wú)盲區(qū)的對(duì)整個(gè)礦區(qū)的多層采空區(qū)積水層位進(jìn)行識(shí)別，并有效的劃分頂?shù)?板的界限，為煤礦的安全生產(chǎn)提供保障。
[0009] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：該多層采空區(qū)地面-巷道瞬變電 磁探測(cè)方法，主要包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理過(guò)程。其具體實(shí)現(xiàn)步驟為：
[0010] 1、在地面鋪設(shè)大的發(fā)射線圈向地下發(fā)射電磁信號(hào)，在井下工作面巷道上下順槽、 切眼及聯(lián)絡(luò)巷等工作位置處通過(guò)布設(shè)三分量接收探頭對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并通過(guò)井下數(shù)據(jù)采 集站及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳至地面總控制臺(tái)；
[0011] 2、數(shù)據(jù)處理，通過(guò)數(shù)據(jù)的初步處理、數(shù)據(jù)的視電阻率轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的成圖顯示和數(shù)據(jù) 對(duì)比，得出分析結(jié)果；
[0012] 3、對(duì)礦區(qū)內(nèi)各個(gè)采空區(qū)在垂直和水平方向上的邊界進(jìn)行劃分，并對(duì)工作面回采過(guò) 程實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)并進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)。
[0013] 其中數(shù)據(jù)采集過(guò)程包括以下部分：
[0014] (1)中央總控制臺(tái)與信號(hào)傳輸系統(tǒng)的設(shè)置：中央總控制臺(tái)與信號(hào)傳輸系統(tǒng)設(shè)置于 地面，中央總控制臺(tái)用于總體的宏觀調(diào)度與維護(hù)，信號(hào)傳輸系統(tǒng)用于傳輸中央總控制臺(tái)發(fā) 出的訊息，中央總控制臺(tái)通過(guò)信號(hào)傳輸系統(tǒng)，對(duì)地面信號(hào)發(fā)射線圈、地下信號(hào)三分量接收探 頭進(jìn)行控制；
[0015] (2)地面信號(hào)發(fā)射線圈的布設(shè)：地面信號(hào)發(fā)射線圈設(shè)置在礦區(qū)的地平面上，利用 礦區(qū)地面的高壓電線桿進(jìn)行布設(shè)，使地面信號(hào)發(fā)射線圈覆蓋整個(gè)礦區(qū)，通過(guò)中央總控制臺(tái) 進(jìn)行控制，使地面信號(hào)發(fā)射線圈產(chǎn)生電磁信號(hào)，在整個(gè)礦區(qū)向地下發(fā)射一次場(chǎng)；
[0016] (3)地下信號(hào)三分量接收探頭的布設(shè)：地下信號(hào)三分量接收探頭分別設(shè)置于不同 水平的工作面巷道上下兩順槽、開(kāi)切眼、聯(lián)絡(luò)巷等位置，相鄰兩個(gè)地下信號(hào)接收探頭之間距 離為5?30米，由此可以實(shí)現(xiàn)高精度探測(cè)，三分量接收探頭可以同時(shí)接收三個(gè)方向的信號(hào)， 由此不僅可以對(duì)探頭所在水平的上部、下部采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)并進(jìn)行縱向分層和劃分橫向延 展情況，同時(shí)還可以對(duì)探頭所在水平的采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)并劃分范圍，如頂板、底板、迎頭、工 作面內(nèi)部等。
[0017] (4)地下數(shù)據(jù)采集站：地下數(shù)據(jù)采集站與三分量接收探頭布置于相同的巷道內(nèi)， 多個(gè)地下信號(hào)三分量接收探頭共用一個(gè)地下信號(hào)采集站，地下信號(hào)采集站將地下信號(hào)三分 量接收探頭接收到的信號(hào)通過(guò)信號(hào)傳輸線進(jìn)行采集，并進(jìn)行存儲(chǔ)。如果信號(hào)傳輸系統(tǒng)出錯(cuò)， 可以通過(guò)人工的方式將存儲(chǔ)的信息提取并進(jìn)行處理。
[0018] (5)各個(gè)地下數(shù)據(jù)采集站通過(guò)信號(hào)傳輸系統(tǒng)將接收到的電磁信號(hào)傳遞給中央總控 制臺(tái)，完成數(shù)據(jù)的采集工作；
[0019] 數(shù)據(jù)處理過(guò)程包含以下部分：
[0020] (1)數(shù)據(jù)的初步處理：由于所采集到的原始數(shù)據(jù)格式不適于處理，所以將傳輸至 中央總控制臺(tái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和初步的濾波處理。
[0021] (2)三分量數(shù)據(jù)的提?。河捎陔姶判盘?hào)是空間分布的，地下信號(hào)三分量接收探頭 接收到的信號(hào)是來(lái)自于不同方向的信號(hào)，所反映的不同方向的信息權(quán)重也不盡相同，所以 為了將所得的信號(hào)得以充分的應(yīng)用，將采集到的信號(hào)進(jìn)行三分量數(shù)據(jù)提取，分別進(jìn)行下步 處理。
[0022] (3)數(shù)據(jù)的視電阻率轉(zhuǎn)換：經(jīng)過(guò)初步處理的數(shù)據(jù)需進(jìn)行視電阻率轉(zhuǎn)換，由于多層 采空區(qū)地面-巷道瞬變電磁探測(cè)方法的發(fā)射線圈與接收線圈的布設(shè)不同于傳統(tǒng)的探測(cè)方 法，故視電阻率轉(zhuǎn)換公式也不相同，所以推導(dǎo)出了適用于多層采空區(qū)地面-巷道瞬變電磁 探測(cè)方法的瞬變電磁轉(zhuǎn)換公式，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化得到的晚期視電阻轉(zhuǎn)換公式為：
[0023] p =^tdhldtY2y s At a
[0024] 式中a為圓形發(fā)射線圈的半徑；
[0025] (4)數(shù)據(jù)的成圖顯示：由于數(shù)據(jù)采集所采集到的數(shù)據(jù)是不同水平、不同工作面、不 同巷道內(nèi)不同方向的數(shù)據(jù)，所以采集到的數(shù)據(jù)具有空間位置特性，在進(jìn)行二維成圖的同時(shí) 還可進(jìn)行三維圖示；所以數(shù)據(jù)的成圖顯示包含二維圖形、三維顯示兩部分，使得解釋更具可 靠性；
[0026] (5)數(shù)據(jù)對(duì)比：中央總控制臺(tái)將成圖顯示的數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)的水文地質(zhì)資料進(jìn)行對(duì) 比，劃分出異常區(qū)域，找出多層采空區(qū)的頂?shù)酌孢吔绾头秶?br>[0027] (6)將最終處理好的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，用于與以后所采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，同時(shí) 進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示，可以預(yù)測(cè)巷道掘進(jìn)過(guò)程或煤層回采過(guò)程中的突水狀況，為煤礦的正常生產(chǎn) 提供安全保障。
[0028] 進(jìn)一步，所述的相鄰兩個(gè)地下信號(hào)接收探頭之間相距10米。
[0029] 本發(fā)明所述的一種多層采空區(qū)地面-巷道瞬變電磁探測(cè)方法具有的有益效果是： [0030] (1)本發(fā)明通過(guò)地面信號(hào)發(fā)射線圈的布設(shè)和地下信號(hào)三分量接收探頭的布設(shè)能采 集多方位的電磁信號(hào)，然后通過(guò)數(shù)據(jù)處理過(guò)程，得出分析結(jié)果，可以無(wú)盲區(qū)的對(duì)整個(gè)礦區(qū)的 多層采空區(qū)積水層位進(jìn)行識(shí)別，不僅可以有效的劃分采空區(qū)頂?shù)装宓慕缦?，還可以對(duì)采空 區(qū)的橫向延展情況進(jìn)行劃分；
[0031] (2)由于地下信號(hào)三分量接收探頭的間距為10米，大大提高了礦井多層采空區(qū)的 分辨能力，實(shí)現(xiàn)了精細(xì)探查；
[0032] (3)安裝于工作面不同巷道內(nèi)的地下信號(hào)三分量接收探頭可以循環(huán)利用，采煤工 作面回采以及巷道掘進(jìn)的過(guò)程中，可以跟進(jìn)安裝接收地下信號(hào)三分量加收探頭和地下信號(hào) 采集站，結(jié)合已有探頭，對(duì)掘進(jìn)前方的含水區(qū)域進(jìn)行預(yù)測(cè)；
[0033] (4)同時(shí)，可以切實(shí)的實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為煤