瞬變電磁超前探測監(jiān)測裝置與方法
【專利摘要】本發(fā)明實施例提供一種瞬變電磁超前探測監(jiān)測裝置與方法。本發(fā)明瞬變電磁超前探測監(jiān)測裝置，包括：便攜式發(fā)射和接收單元、數(shù)據(jù)采集站、光纖通訊傳輸平臺以及地面控制中心；本發(fā)明瞬變電磁超前探測監(jiān)測方法通過瞬變電磁超前探測監(jiān)測裝置獲取測試點的瞬變電磁二次感應電動勢，并根據(jù)采集的瞬變電磁二次感應電動勢獲取電阻率剖面特征。本發(fā)明實施例實現(xiàn)了遠程數(shù)據(jù)的傳輸與操作控制，提高了對前方近距離地質條件的判斷能力和精度。
【專利說明】
瞬變電磁超前探測監(jiān)測裝置與方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及一種超前測試方法技術，尤其設及一種瞬變電磁超前探測監(jiān)測裝置與 方法。
【背景技術】
[0002] 在隧道及井巷工程施工過程中，往往會因為地質條件不詳而遇到大量的影響安全 生產(chǎn)的地質問題，其中斷層構造、軟弱層及含水異常體是所要解決的重點問題。為了保證施 工的安全，往往需要對巷道前方地質異常體的位置及特征進行探測與評價，運種探測和評 價稱為超前探測。
[0003] 目前，瞬變電磁法作為一種有效的探水方法已廣泛應用于巷道掘進工作面超前探 測工作中，但受測試方法限制，現(xiàn)有技術中，在施工時通常采用人工根據(jù)現(xiàn)場條件進行單一 測點數(shù)據(jù)采集，再移動測點完成整個斷面測試，具體地，由專業(yè)技術人員下井到待測斷面進 行測量數(shù)據(jù)后再進行計算處理。
[0004] 但是，采用現(xiàn)有技術，其時效性差，不能實現(xiàn)對巷道迎頭地質條件的實時監(jiān)測與預 報。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明實施例提供一種瞬變電磁超前探測監(jiān)測裝置與方法，W克服現(xiàn)有技術中對 巷道迎頭地質條件的實時監(jiān)測與預報時效性差的技術問題。
[0006] 本發(fā)明第一方面提供一種瞬變電磁超前探測監(jiān)測裝置，包括：
[0007] 便攜式發(fā)射和接收單元、數(shù)據(jù)采集站、光纖通訊傳輸平臺W及地面控制中屯、；
[0008] 數(shù)據(jù)采集站與便攜式發(fā)射和接收單元W及光纖通訊傳輸平臺連接；
[0009] 數(shù)據(jù)采集站，用于通過便攜式發(fā)射和接收單元向測試點發(fā)射測量信號，并通過便 攜式發(fā)射和接收單元接收從測試點返回的瞬變電磁二次感應電動勢；W及用于通過光纖通 訊傳輸平臺將瞬變電磁二次感應電動勢發(fā)送給地面控制中屯、；
[0010] 地面控制中屯、，用于根據(jù)瞬變電磁二次感應電動勢獲取電阻率剖面特征。
[0011] 本發(fā)明提供的瞬變電磁超前探測監(jiān)測裝置，由數(shù)據(jù)采集站通過便攜式發(fā)射和接收 單元實時采集測試點的瞬變電磁二次感應電動勢，并通過光纖通訊傳輸平臺將瞬變電磁二 次感應電動勢發(fā)送給地面控制中屯、，由地面控制中屯、獲取電阻率剖面特征，W實現(xiàn)實時監(jiān) 測整個工作面掘進過程中的前方地質條件，另外，采用自動化測量W及遠程數(shù)據(jù)傳輸，也提 高了測量的準確性及傳輸效率。
[0012] 本發(fā)明第二方面提供一種瞬變電磁超前探測監(jiān)測方法，包括：
[0013] 瞬變電磁超前探測監(jiān)測裝置向測試點發(fā)射測量信號，并接收從測試點返回的瞬變 電磁二次感應電動勢；
[0014] 所述瞬變電磁超前探測監(jiān)測裝置根據(jù)瞬變電磁二次感應電動勢獲取電阻率剖面 特征。
[0015] 本發(fā)明提供的瞬變電磁超前探測監(jiān)測方法，通過瞬變電磁超前探測監(jiān)測裝置獲取 測試點的瞬變電磁二次感應電動勢，并根據(jù)采集的瞬變電磁二次感應電動勢獲取電阻率剖 面特征，W實現(xiàn)實時監(jiān)測整個工作面掘進過程中的前方地質條件。另外，采用自動化測量W 及遠程數(shù)據(jù)傳輸，也提高了測量的準確性及傳輸效率。
【附圖說明】
[0016] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn) 有技術描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā) 明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可W 根據(jù)運些附圖獲得其他的附圖。
[0017] 圖1為本發(fā)明瞬變電磁超前探測監(jiān)測裝置實施例一的結構示意圖；
[0018] 圖2為本發(fā)明瞬變電磁超前探測監(jiān)測裝置實施例二的結構示意圖；
[0019] 圖3為本發(fā)明瞬變電磁超前探測監(jiān)測裝置實施例Ξ的結構示意圖；
[0020] 圖4為本發(fā)明瞬變電磁超前探測監(jiān)測方法實施例四的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0021] 為使本發(fā)明實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合本發(fā)明實施例 中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是 本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員 在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0022] 圖1為本發(fā)明瞬變電磁超前探測監(jiān)測裝置實施例一的結構示意圖，如圖1所示，本 實施例的裝置包括便攜式發(fā)射和接收單元11、數(shù)據(jù)采集站12、光纖通訊傳輸平臺13 W及地 面控制中屯、14,其中，
[0023] 數(shù)據(jù)采集站12與便攜式發(fā)射和接收單元11 W及光纖通訊傳輸平臺13連接；
[0024] 數(shù)據(jù)采集站12,用于通過便攜式發(fā)射和接收單元11向測試點發(fā)射測量信號，通過 便攜式發(fā)射和接收單元11接收從測試點返回的的瞬變電磁二次感應電動勢，并通過光纖 通訊傳輸平臺13將瞬變電磁二次感應電動勢發(fā)送給地面控制中屯、14 ;
[00巧]地面控制中屯、14,用于根據(jù)瞬變電磁二次感應電動勢獲取電阻率剖面特征。
[00%] 具體地，由現(xiàn)場施工技術人員在移除掘進工作面迎頭后方的金屬干擾物后，并鋪 設好便攜式發(fā)射和接收單元11，同時在距離掘進工作面迎頭后方的l〇m-20m范圍內(nèi)布置可 移動式數(shù)據(jù)采集站12,根據(jù)巷道迎頭工作面情況設置好測試點，數(shù)據(jù)采集站12通過便攜式 發(fā)射和接收單元11向測試點發(fā)射測量信號，并通過便攜式發(fā)射和接收單元11接收從測試 點返回的瞬變電磁二次感應電動勢。
[0027] 具體的，數(shù)據(jù)采集站12記錄并存儲測試點的瞬變電磁二次感應電動勢，其中，每 當完成一個測量點瞬變電磁二次感應電動勢數(shù)據(jù)的采集后，按0. 2m-0. 5m間距移動便攜式 發(fā)射和接收單元11，更換測試點，進行下一測試點的瞬變電磁二次感應電動勢的數(shù)據(jù)采集， 直至完成對整個巷道掘進工作面測試斷面的瞬變電磁二次感應電動勢的數(shù)據(jù)采集，完成記 錄和存儲數(shù)據(jù)，并通過光纖通訊傳輸平臺13與地面控制中屯、14進行數(shù)據(jù)傳輸。
[0028] 具體的，地面控制中屯、14通過控制平臺可W實時讀取井下數(shù)據(jù)采集站12的數(shù)據(jù)， 同時，數(shù)據(jù)處理結果也可通過光纖通訊傳輸平臺13反饋到數(shù)據(jù)采集站12供調(diào)閱顯示，對其 中的異常位置等信息進行表述。
[0029] 通過結合掘進巷道煤巖層電性條件及獲取電阻率剖面特征，對巷道前方的地質條 件進行分析判斷，具體的，根據(jù)測試剖面電阻率相對低異常進行煤巖層富水判斷，即對測試 剖面中電阻率值在幾個歐姆?米（即Ω -m)的位置確定為低值異常區(qū)，并根據(jù)其值的大小 進行細致評估與解釋，預報其存在的水害安全問題。
[0030] 本發(fā)明提供的瞬變電磁超前探測監(jiān)測裝置，由數(shù)據(jù)采集站通過便攜式發(fā)射和接收 單元實時采集測試點的瞬變電磁二次感應電動勢，并通過光纖通訊傳輸平臺將瞬變電磁二 次感應電動勢發(fā)送給地面控制中屯、，最后由地面控制中屯、獲取電阻率剖面特征，W實現(xiàn)實 時監(jiān)測整個工作面掘進過程中的前方地質條件，另外，采用自動化測量W及遠程數(shù)據(jù)傳輸， 也提高了測量的準確性及傳輸效率。
[0031] 圖2為本發(fā)明瞬變電磁超前探測監(jiān)測裝置實施例二的結構示意圖，如圖2所示，便 攜式發(fā)射和接收單元11包括發(fā)射線框20和接收線框30,上述發(fā)射線框20和接收線框30 均為重疊回線結構，且上述發(fā)射線框20與接收線框30相互分離，具體的，該重疊回線結構 可W降低該發(fā)射線框20和接收線框30之間的互感影響，提高采集的瞬變電磁數(shù)據(jù)質量。
[0032] 優(yōu)選地，上述發(fā)射線框和接收線框之間的間距為0. 05米-0. 1米，可W減少相互之 間的干擾。
[0033] 優(yōu)選地，上述發(fā)射線框的線纜為10應、邊長為2米，上述接收線框的線纜為20應、 邊長為2米。
[0034] 進一步地，上述發(fā)射線纜和接收線纜可W固定在軟質掛件40中，具體的可W用軟 質塑膠固定在特制的簾式或毯式掛件中，但并不W此為限。
[0035] 圖3為本發(fā)明瞬變電磁超前探測監(jiān)測裝置實施例Ξ的結構示意圖，如圖3所示，數(shù) 據(jù)采集站12包括：參數(shù)選擇模塊121、數(shù)據(jù)采集模塊122、顯示模塊123、通訊模塊124和供 電模塊125;其中，
[0036] 參數(shù)選擇模塊121包括多個不同發(fā)射頻率的數(shù)據(jù)采集開關。具體地，可W選擇發(fā) 射頻率為2.甜Z、6. 25化、2甜Z W及62. 5化的數(shù)據(jù)采集開關。
[0037] 數(shù)據(jù)采集模塊122用于采集測試點的瞬變電磁二次感應電動勢。
[0038] 顯示模塊123用于對瞬變電磁二次感應電動勢進行顯示和回放。
[0039] 通訊模塊124與光纖通訊傳輸平臺13連接，用于通過光纖通訊傳輸平臺13將所 述瞬變電磁二次感應電動勢發(fā)送給地面控制中屯、14。 W40] 供電模塊125用于為所述數(shù)據(jù)采集站12進行供電，進一步地，供電模塊125采用 蓄電池充電形式和外接電源兩種供電方法，便于保證井下特殊條件數(shù)據(jù)連續(xù)采集。
[0041] 具體的，W參數(shù)選擇模塊121上設置有發(fā)射頻率為2. 5化、6. 2甜z、25化W及 62. 5化的數(shù)據(jù)采集開關為例，通?？蒞選擇6. 25化的數(shù)據(jù)采集開關進行超前數(shù)據(jù)采集。數(shù) 據(jù)采集模塊122采集測試點的瞬變電磁二次感應電動勢，并實時對接收瞬變電磁二次感應 電動勢進行存儲，顯示模塊123可W對實時采集的瞬變電磁二次感應電動勢W及其他參數(shù) 進行顯示和回放。
[0042] 進一步地，瞬變電磁超前探測監(jiān)測裝置的地面控制中屯、，具體用于根據(jù)公式
十算獲取電阻率剖面特征，其中，P I為式中電阻率；μ。為真空中的 磁導率，S為單應發(fā)射回線面積，單位均為m2, Ν和η分別為發(fā)射和接收線圈應數(shù)；V和I為 線框測試的瞬變電磁二次感應電動勢和電流，其單位分別為V和Α，V/I為接收的歸一化二 次感應電場值；t為二次場衰減觀測時間，單位為S ;C為近似系數(shù)，可根據(jù)現(xiàn)場條件選取經(jīng) 驗值。
[00創(chuàng)圖4為本發(fā)明瞬變電磁超前探測監(jiān)測方法實施例四的流程示意圖，如圖4所示，本 實施例的瞬變電磁超前探測監(jiān)測方法可W包括：
[0044] 步驟101、瞬變電磁超前探測監(jiān)測裝置向測試點發(fā)射測量信號，并接收從測試點返 回的瞬變電磁二次感應電動勢；
[0045] 具體的，瞬變電磁超前探測監(jiān)測裝置完成一個測量點瞬變電磁數(shù)據(jù)采集后，按 0. 2m-0. 5m間距移動便攜式發(fā)射和接收單元，更換測試點，進行下一測試點的瞬變電磁數(shù)據(jù) 采集，直至完成對整個測試斷面的瞬變電磁數(shù)據(jù)采集。
[0046] 具體的，瞬變電磁超前探測監(jiān)測裝置采集測試點的瞬變電磁二次感應電動勢，可 W根據(jù)瞬變電磁超前探測監(jiān)測裝置設置的發(fā)射頻率為2.甜Z、6. 25化、2甜Z W及62. 5化的 數(shù)據(jù)采集開關，選擇一個發(fā)射頻率進行瞬變電磁二次感應電動勢數(shù)據(jù)的采集，并實時進行 記錄和存儲，同時將該瞬變電磁二次感應電動勢發(fā)送給地面控制中屯、。
[0047] 步驟102、所述瞬變電磁超前探測監(jiān)測裝置根據(jù)所述瞬變電磁二次感應電動勢獲 取電阻率剖面特征。 W48] 進一步地，地面控制中屯、根據(jù)所述瞬變電磁二次感應電動勢獲取電阻率剖面特 征，包括：地面控制中屯、根據(jù)公J
十算獲取電阻率剖面特征，其中， P I為式中電阻率；μ。為真空中的磁導率，S為單應發(fā)射回線面積，單位均為m2, N和η分 別為發(fā)射和接收線圈應數(shù)；V和I為線框測試的瞬變電磁二次感應電動勢和電流，其單位分 別為V和A，V/I為接收的歸一化二次感應電場值；t為二次場衰減觀測時間，單位為S ;C為 近似系數(shù)，可根據(jù)現(xiàn)場條件選取經(jīng)驗值。
[0049] 通過結合掘進巷道煤巖層電性條件及獲取電阻率剖面特征，對探測巷道前方地質 條件進行分析判斷，具體的，根據(jù)測試剖面電阻率相對低異常進行煤巖層富水判斷，即對測 試剖面中電阻率值在幾個歐姆?米（即Ω .m)的位置確定為低值異常區(qū)，并根據(jù)其值的大 小進行細致評估與解釋，預報其存在的水害安全問題。
[0050] 本發(fā)明提供的瞬變電磁超前探測監(jiān)測方法，通過瞬變電磁超前探測監(jiān)測裝置獲取 測試點的瞬變電磁二次感應電動勢，并根據(jù)采集的瞬變電磁二次感應電動勢獲取電阻率剖 面特征，W實現(xiàn)實時監(jiān)測整個工作面掘進過程中的前方地質條件。另外，采用自動化測量W 及遠程數(shù)據(jù)傳輸，也提高了測量的準確性及傳輸效率。
[0051] 最后應說明的是：W上各實施例僅用W說明本發(fā)明的技術方案，而非對其限制； 盡管參照前述各實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其 依然可W對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征 進行等同替換；而運些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發(fā)明各實施例技 術方案的范圍。
【主權項】
1. 一種瞬變電磁超前探測監(jiān)測裝置，其特征在于，包括：便攜式發(fā)射和接收單元、數(shù)據(jù) 采集站、光纖通訊傳輸平臺以及地面控制中心； 所述數(shù)據(jù)采集站與所述便攜式發(fā)射和接收單元以及所述光纖通訊傳輸平臺連接； 所述數(shù)據(jù)采集站，用于通過所述便攜式發(fā)射和接收單元向測試點發(fā)射測量信號，并通 過所述便攜式發(fā)射和接收單元接收從測試點返回的瞬變電磁二次感應電動勢；以及用于通 過所述光纖通訊傳輸平臺將所述瞬變電磁二次感應電動勢發(fā)送給地面控制中心； 所述地面控制中心，用于根據(jù)所述瞬變電磁二次感應電動勢獲取電阻率剖面特征。2. 根據(jù)權利要求1所述的瞬變電磁超前探測監(jiān)測裝置，其特征在于，所述便攜式發(fā)射 和接收單元包括發(fā)射線框和接收線框，所述發(fā)射線框和接收線框均為重疊回線結構，且所 述發(fā)射線框與接收線框相互分離。3. 根據(jù)權利要求2所述的瞬變電磁超前探測監(jiān)測裝置，其特征在于，所述發(fā)射線框和 所述接收線框之間的間距為〇. 05米-0. 1米。4. 根據(jù)權利要求1-3任一所述的瞬變電磁超前探測監(jiān)測裝置，其特征在于，所述發(fā)射 線框的線纜為10匝、邊長為2米，所述接收線框的線纜為20匝、邊長為2米。5. 根據(jù)權利要求4所述的瞬變電磁超前探測監(jiān)測裝置，其特征在于，所述發(fā)射線纜和 接收線纜固定在軟質掛件中。6. 根據(jù)權利要求5所述的瞬變電磁超前探測監(jiān)測裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集站 包括：參數(shù)選擇模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、顯示模塊、通訊模塊和供電模塊； 所述參數(shù)選擇模塊，包括多個不同發(fā)射頻率的數(shù)據(jù)采集開關； 所述數(shù)據(jù)采集模塊，用于采集所述測試點的瞬變電磁二次感應電動勢； 所述顯示模塊，用于對瞬變電磁二次感應電動勢進行顯示和回放； 所述通訊模塊，與所述光纖通訊傳輸平臺連接，用于通過所述光纖通訊傳輸平臺將所 述瞬變電磁二次感應電動勢發(fā)送給地面控制中心； 所述供電模塊，用于為所述數(shù)據(jù)采集站進行供電。7. 根據(jù)權利要求6所述的瞬變電磁超前探測監(jiān)測裝置，其特征在于，所述地面控制中 心，具體用于根據(jù)公式算獲取電阻率剖面特征，其中，Ρ τ為式中 電阻率；μ。為真空中的磁導率，S為單匝發(fā)射回線面積，單位均為m 2, Ν和η分別為發(fā)射和 接收線圈匝數(shù)；V和I為線框測試的瞬變電磁二次感應電動勢和電流，其單位分別為V和Α， V/I為接收的歸一化二次感應電場值；t為二次場衰減觀測時間，單位為s ;C為近似系數(shù)， 可根據(jù)現(xiàn)場條件選取經(jīng)驗值。8. -種瞬變電磁超前探測監(jiān)測方法，其特征在于，包括： 瞬變電磁超前探測監(jiān)測裝置向測試點發(fā)射測量信號，并接收從測試點返回的瞬變電磁 二次感應電動勢； 所述瞬變電磁超前探測監(jiān)測裝置根據(jù)所述瞬變電磁二次感應電動勢獲取電阻率剖面 特征。9. 根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于，所述瞬變電磁超前探測監(jiān)測裝置根據(jù)所 述瞬變電磁二次感應電動勢獲取電阻率剖面特征，包括： 所述瞬變電磁超前探測監(jiān)測裝置根據(jù)公式計算獲取電阻率剖 面特征，其中，P ,為式中電阻率；μ c為真空中的磁導率，s為單匝發(fā)射回線面積，單位均為 m2, Ν和η分別為發(fā)射和接收線圈匝數(shù)；V和I為線框測試的瞬變電磁二次感應電動勢和電 流，其單位分別為V和A，V/I為接收的歸一化二次感應電場值；t為二次場衰減觀測時間， 單位為s ;C為近似系數(shù)，可根據(jù)現(xiàn)場條件選取經(jīng)驗值。
【文檔編號】G01V3/00GK105824047SQ201510007074
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2015年1月7日
【發(fā)明人】徐翀, 張平松, 韓云春, 顏事龍, 張寒, 吳榮新, 任波, 郭立全, 胡雄武, 許時昂
【申請人】淮南礦業(yè)(集團)有限責任公司, 安徽理工大學