深部开采矿井富水区电性源瞬变电磁探查方法
【专利摘要】本发明公开了一种深部开采矿井富水区电性源瞬变电磁探查方法，包括以下步骤：步骤1在地面上确定放置电性源两个供电电极A和B的坐标；并在相应的位置放置两个供电电极A和B，且将供电电极A和B通过导线连接；步骤2将发射机与接收机进行石英钟同步；步骤3将发射机固定在地面，且携带接收机下井到达指定位置；步骤4地面发射机开始工作，通过发电机和发射机向地下供双极型矩形电流波；步骤5在井下连接接收机和接收磁探头，同时进行双路接收，采集梯度磁场量；步骤6沿需要探测的巷道行走完成所有探测；步骤7记录巷道在地面的位置及与发射电极的相对位置；步骤10根据上面的参数，得到最优的地表模型，根据地表模型判断富水区或贫水区。
【专利说明】深部开采矿井富水区电性源瞬变电磁探查方法
【技术领域】
[0001] 本发明公开了一种深部开采矿井富水区电性源瞬变电磁探查方法。
【背景技术】
[0002] 我国已经探明的煤炭资源中，约占50%的煤炭埋深超过1000米。目前，全国共有 47个超千米的深井，山东有21处，山东能源集团拥有的千米深井在全国数量最多、深度最 深，这些深部开采矿井开采过程中普遍面临着地下水的威胁。据统计，2009年我国煤矿可查 突水事故21起，死亡125人；2010年3月28日发生的王家岭煤矿突水事故造成38名矿工 遇难；2013年，山西和贵州先后发生透水事故，分别有10名和7名矿工遇难。因而对存在 重特大水害隐患的矿井进行治理和提前预防具有非常重要的意义。
[0003] 采用地球物理方法进行富水区域的探查是矿井开采过程中普遍采用的手段，具有 无损、快速、成本低等优点，例如，瞬变电磁法在煤田水文地质调查方面有很多成功的报道。 然而，随着开采深度越来越大，现有的瞬变电磁法已经很难满足要求。就电磁类地球物理 探测方法而言，有效探测深度能够到达Ikm的主要有大地电磁法（MT)、音频大地电磁测深 (AMT)、可控源音频大地电磁法（CSAMT)、甚低频大地电磁法（VLF)等，采用天然场源的大地 电磁测深适合探测深部地球构造，其在浅层的分辨率非常低，因而不适合工程勘察；
[0004] 另外，采用人工源的可控源电磁法相对天然场源电磁法具有较好的分辨率，然而 其仍然采用频率域电磁测深的方法，采用有限的频率实现不同目标的测深，分辨能力有 限；
[0005] 为了解决上述问题，并实现大深度勘探，专利CN201110181015.9(电性源瞬变电 磁法全场区探测方法）给出了一种采用接地电性源激发并在近区和远区同时测量的瞬变 电磁探测方法，能够实现Ikm及以上深度的勘探。
[0006] 为了提高勘探效率，在此基础上提出的专利CN201110197887. 4(长导线源瞬变电 磁地空探测方法）将接收机通过飞艇或直升机放置在空中，大幅提高采集速度，采集效率 成倍提高。
[0007] 上述方法虽然能够实现大深度勘探，但是由于深部（>lkm)的信号非常微弱，信噪 比较低，造成深部的分辨率不佳，。
[0008] 对于目前已有的专利技术已经本专利提出的技术进行分析，图1给出了已有2种 专利以及本专利的测线布置在空间上的分布示意图，已有的是在地面或在空中测量。
[0009] 针对开采深度在Ikm - I. 5km的矿山，主要关心区域是巷道周围的富水情况。在井 巷中进行的观测，如图2所示，激励源在含水层中激发的二次场距离接收机实际距离较近， 电磁信号的衰减较小，当接收机位于空中或地面时，含水层中感应出的二次场信号源距离 接收机的距离分别为Dl和D2,由于本发明的目标探测深度在Ikm - I. 5km左右，因而Dl或 D2的距离均在探测深度左右，感应出的二次场本身信号就非常弱，经过长距离在有耗媒质 中的传播，部分信号以焦耳热的形式转化，二次场信号衰减将会非常严重，最终到达接收机 的信号就会非常微弱。
【发明内容】
[0010] 为了解决现有技术中存在的缺点，本发明公开了一种深部开采矿井富水区电性源 瞬变电磁探查方法，将瞬变电磁的发射源改为大功率接地激发，将有条件的矿井接收机放 置在井下巷道中沿巷道方向进行测量，无巷道接收条件的在地面布置阵列式接收点，同时 考虑空中的电磁场信号，形成梯度测量的方法来解决深部开采矿山富水区域的探查问题。
[0011] 本发明采用的具体技术方案如下：
[0012] 深部开采矿井富水区电性源瞬变电磁探查方法，包括W下步骤：
[0013] 步骤1在地面上确定放置电性源两个供电电极A和B的坐标；并在相应的位置放 置两个供电电极A和B，且将供电电极A和B通过导线连接；
[0014] 步骤2将发射机与接收机进行石英钟同步；
[0015] 步骤3将发射机固定在地面，且携带接收机下井到达指定位置；
[0016] 步骤4地面发射机开始工作，通过发电机和发射机向地下供双极型矩形电流波；
[0017] 步骤5在井下连接接收机和接收磁探头，同时进行双路接收，采集梯度磁场量，即 采集不同高度的感应电动势；
[0018] 步骤6沿需要探测的巷道Wlm/s左右的正常步行速度沿巷道行走，直到完成所有 探测；
[0019] 步骤7记录巷道在地面的位置及与发射电极的相对位置；
[0020] 步骤8关闭接收机和发射机，整理仪器；
[0021] 步骤9收起发射导线，取出不极化电极，完成探测，
[0022] 步骤10根据上面的参数，得到最优的地表模型，根据地表模型判断哪些是富水 区，哪些是贫水区。
[0023] 所述的步骤1的具体过程如下：
[0024] 步骤1-1采用GPS在地面确定电性源两个供电电极A和B坐标，坐标宜选在探测 区域的正上方或附近；
[00幼步骤1-2在确定的供电电极A和B的位置挖坑，尺寸不小于40cmX40cmX60cm ;
[0026] 步骤1-3在坑内放置不极化电极，并德盐水，采用原±掩埋；不极化电极通过导线 连接。
[0027] 在步骤1-3中，如果在非常干燥的地区或表层电阻率非常大的区域可W采用多个 供电电极形成分布方式来减少接地电阻；
[0028] 在步骤1中为了更好的减少接地电阻，在单个坑内埋设多个不极化电极进行供 电，
[0029] 所述的步骤1-3中采用低电阻BVR导线将AB连接，导线中间接发电机；导线一般 截面积应大于6mm2。
[0030] 所述的步骤5中采用的装置，包括一个垂直放置的竖杆，在所述的竖杆上从上到 下依次放置至少两个磁探头，且每个磁探头均与接收机相连；每个磁探头采集其所在高度 的电信号，实现了采集梯度磁场量。
[0031] 所述的步骤10的具体过程为：
[0032] W步骤7记录的发射源位置、巷道位置信息、地面地形起伏情况、模型的层数、模 型厚度和每层的电阻率作为初始参数，根据步骤5采集的感应电动势（观测值）与下面的 理论计算公式计算结果（理论值）组成反演模型，通过调整模型每层的厚度与电阻率实现 观测值与理论值的二范数最小，得到最优的地电模型。
[0033] 所述的反演模型为理论电动势和所采集感应电动势之差。
[0034]
【权利要求】
1. 深部开采矿井富水区电性源瞬变电磁探查方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1在地面上确定放置电性源两个供电电极A和B的坐标；并在相应的位置放置两 个供电电极A和B，且将供电电极A和B通过导线连接； 步骤2将发射机与接收机进行石英钟同步； 步骤3将发射机固定在地面，且携带接收机下井到达指定位置； 步骤4地面发射机开始工作，通过发电机和发射机向地下供双极型矩形电流波； 步骤5在井下连接接收机和接收磁探头，同时进行双路接收，采集梯度磁场量，即采集 不同高度的感应电动势； 步骤6沿需要探测的巷道行走，直到完成所有探测； 步骤7记录巷道在地面的位置及与发射电极的相对位置； 步骤8关闭接收机和发射机，整理仪器； 步骤9收起发射导线，取出不极化电极，完成探测， 步骤10根据上面的参数，得到最优的地表模型，根据地表模型判断哪些是富水区，哪 些是贫水区。
2. 如权利要求1所述的深部开采矿井富水区电性源瞬变电磁探查方法，其特征在于， 所述的步骤1的具体过程如下： 步骤1-1采用GPS在地面确定电性源两个供电电极A和B坐标，坐标宜选在探测区域 的正上方或附近； 步骤1-2在确定的供电电极A和B的位置挖坑，尺寸不小于40cmX40cmX60cm ; 步骤1-3在坑内放置不极化电极，并浇盐水，采用原土掩埋；不极化电极通过导线连 接。
3. 如权利要求2所述的深部开采矿井富水区电性源瞬变电磁探查方法，其特征在于， 在步骤1-3中，如果在非常干燥的地区或表层电阻率非常大的区域采用多个供电电极形成 分布方式来减少接地电阻。
4. 如权利要求1所述的深部开采矿井富水区电性源瞬变电磁探查方法，其特征在于， 在 步骤1中为了更好的减少接地电阻，在单个坑内埋设多个不极化电极进行供电。
5. 如权利要求2所述的深部开采矿井富水区电性源瞬变电磁探查方法，其特征在于， 所述的步骤1-3中采用低电阻BVR导线将AB连接，导线中间接发电机；导线一般截面积应 大于6mm 2。
6. 如权利要求1所述的深部开采矿井富水区电性源瞬变电磁探查方法，其特征在于， 所述的步骤5中采用的装置，包括一个垂直放置的坚杆，在所述的坚杆上从上到下依次放 置至少两个磁探头，且每个磁探头均与接收机相连；每个磁探头采集其所在高度的电信 号，实现了采集梯度磁场量。
7. 如权利要求1所述的深部开采矿井富水区电性源瞬变电磁探查方法，其特征在于， 所述的步骤10的具体过程为： 以步骤7记录的发射源位置、巷道位置信息、地面地形起伏情况、模型的层数、模型厚 度和每层的电阻率作为初始参数，根据步骤5采集的感应电动势与下面的理论计算公式计 算结果ξ组成反演模型，通过调整模型每层的厚度与电阻率实现观测值与理论值的二范 数最小，得到最优的地电模型。
其中Hlz为磁场强度，a为回线半径或导线长度的一半，V K1为第三类贝塞尔函数，Z 为地下距地面的垂直距离距离，Ip I1为第二类贝塞尔函数，R是导线积分点与地下接收点 的直线距离； 则接收的感应电动势信号为
其中ξ为感应电动势，μ ^为真空磁导率，Hlz为上面计算的磁场强度，t为时间； 所述的反演模型为理论电动势和所采集感应电动势之差。
【文档编号】G01V3/26GK104375194SQ201410628923
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年11月10日 优先权日:2014年11月10日
【发明者】翟明华, 范建国, 郭信山, 李术才, 徐加利, 王慧涛, 孙怀凤 申请人:山东能源集团有限公司