本发明涉及一种基于井上下空间立体瞬变电磁数据采集的探测系统。
背景技术：
目前，煤矿隐蔽致灾地质因素探测技术与装备多基于地面探测。应用于煤矿勘查领域的瞬变电磁探测法主要是地面探测法。由于瞬变电磁法体积效应的影响，地面瞬变电磁随着探测深度的增加，垂向和横向分辨率逐渐降低，很难满足深部矿井高分辨率的探测要求。而井下瞬变电磁法探测由于受矿井设备本安和隔爆要求，一般发射电流不大于4a，而且井下工业用电和铁器等电磁干扰较为复杂，探测距离较小（一般不大于120m），数据信噪比较低，成果可靠性受到很大影响。因此，很难展开井下瞬变电磁法探测。
综上所述，目前，在煤矿探测作业中，瞬变电磁法还未能充分发挥其在地质探测方面的价值。
技术实现要素：
本发明提供了一种基于井上下空间立体瞬变电磁数据采集的探测系统，能够实现瞬变电磁法井上下同步联合采集、立体动态探测和空间综合解释。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于井上下空间立体瞬变电磁数据采集的探测系统，包括瞬变电磁发送机、瞬变电磁发送回线、瞬变电磁接收机、地表系列接收探头、垂直孔系列接收探头、第一开采水平系列接收探头和第二开采水平系列接收探头；所述瞬变电磁发送机和所述瞬变电磁发送回线均布置于地表上，位于拟探测目标正上方；所述垂直孔系列接收探头布置于垂直孔内，所述第一开采水平系列接收探头布置于第一开采水平内，所述第二开采水平系列接收探头布置于第二开采水平内；所述第一开采水平系列接收探头布置于所述地表系列接收探头正下方，所述垂直孔位于所述第一开采水平内，所述第二开采水平位于所述第一开采水平上方并相邻；所述瞬变电磁发送机的发送电流i和所述瞬变电磁发送回线长度l由所述第一开采水平距离所述地表最大深度h和地层电阻率ρ确定，所述地表系列接收探头布置于所述瞬变电磁发送回线范围内，长度为所述瞬变电磁发送回线长度l的2/3。在本发明中，将所述第一开采水平距离所述地表最大深度h定义为探测深度。
在工作状态下，所述瞬变电磁发送机和所述瞬变电磁发送回线发送出一次脉冲电磁场，所述地表系列接收探头、所述垂直孔系列接收探头、所述第一开采水平系列接收探头和所述第二开采水平系列接收探头同步观测二次涡流电磁场状态，并把观测数据传输所述瞬变电磁接收机。
在上述基于井上下空间立体瞬变电磁数据采集的探测系统中，当探测深度h在500m以内时，所述瞬变电磁发送机的最大发送电流i为10-20a，当探测深度h在500m以上时，所述瞬变电磁发送机的最大发送电流i为20-40a。
在上述基于井上下空间立体瞬变电磁数据采集的探测系统中，所述瞬变电磁发送回线长度l等于探测深度h，并随着所述第一开采水平内工作面推进滚动布置。
在上述基于井上下空间立体瞬变电磁数据采集的探测系统中，所述地表系列接收探头、所述垂直孔系列接收探头、所述第一开采水平系列接收探头和所述第二开采水平系列接收探头均等间距布置，间距5-20m。
在上述基于井上下空间立体瞬变电磁数据采集的探测系统中，所述垂直孔系列接收探头、所述第一开采水平系列接收探头和所述第二开采水平系列接收探头均通过电缆或光纤与所述瞬变电磁接收机连接。
在上述基于井上下空间立体瞬变电磁数据采集的探测系统中，所述垂直孔系列接收探头、所述第一开采水平系列接收探头和所述第二开采水平系列接收探头均为三分量接收装置，且型号相同。
在上述基于井上下空间立体瞬变电磁数据采集的探测系统中，所述瞬变电磁发送机经由瞬变电磁发送回线发送一次脉冲电磁场，所述垂直孔系列接收探头、所述第一开采水平系列接收探头和所述第二开采水平系列接收探头同步接收二次涡流电磁场，根据发送回线、接收探头、探测目标体或异常体之间的耦合关系，进行正反演计算与分析，进而实现综合精细化解释。
在上述基于井上下空间立体瞬变电磁数据采集的探测系统中，所述地表系列接收探头、所述垂直孔系列接收探头、所述第一开采水平系列接收探头和所述第二开采水平系列接收探头随所述第一开采水平内工作面推进，实时同步接收所述瞬变电磁发送机经由瞬变电磁发送回线发送一次脉冲电磁场感应产生的二次涡流电磁场，获得多次探测数据和资料解释成果，实现立体动态探测和空间综合解释。
当大于两个开采水平时，其他开采水平系列接收探头的布置原则、数据传输形式、资料解释方法等均与两个开采水平时相同；当大于1个钻孔时，其他钻孔系列接收探头的布置原则、数据传输形式、资料解释方法等均与1个钻孔时相同；当钻孔不便于布置接收探头或仅布置传输电缆或光纤时，已有井筒可代替钻孔使用。
所述瞬变电磁发送机和发送回线也可布置在井下任一开采水平，在保证井下安全供电的条件下，发射回线可根据探测目标体的位置及该水平采掘巷道分布情况灵活布置成大致长方形，地表系列接收探头及其他开采水平的系列接收探头的布置原则、数据传输形式、资料解释方法等均与地面水平发射时相同。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
(1)本发明提供的一种基于井上下空间立体瞬变电磁数据采集的探测系统，由于充分利用矿井地表、垂直孔、井下双开采水平的有效空间，由地表瞬变电磁发送机和发送回线发送一次脉冲电磁场，同时利用地表、垂直孔及井下双开采水平的探头观测二次涡流电磁场，尤其是同时在紧邻开采水平上方开采水平内布置探测点，通过近场且利用水平方位和倾角的补偿，能够有效消除探测深度对分辨率的影响，因此，本发明通过井上下同步联合采集和空间综合解释，能够明显提高探测准确性。
(2)本发明提供的一种基于井上下空间立体瞬变电磁数据采集的探测系统，由于瞬变电磁发送回线长度l等于探测深度h，并随着第一开采水平内工作面推进滚动布置，可以同步实时对比分析多次的探测数据和资料解释成果，因此，本发明能够实现立体动态探测。
(3)本发明提供的一种基于井上下空间立体瞬变电磁数据采集的探测系统，由于采用地表系列接收探头、垂直孔系列接收探头、第一开采水平系列接收探头和第二开采水平系列接收探头同时接收电磁场数据，进而可以通过层析成像方法反演井下巷道与地面之间的地质信息，因此，本发明能够准确探测地面水平至最深开采水平之间各地层的地质异常情况，为煤矿安全开采及隐蔽灾害防治提供科学指导。
(4)本发明提供的一种基于井上下空间立体瞬变电磁数据采集的探测系统，由于通过综合考虑探测精度要求、目标体实际探测深度和地层电阻率来合理确定发射回线的边长、发送机最大发射电流、接收线圈或探头布置数量和间距，因此，本发明能够在满足探测精度要求的同时有效降低了探测成本。
(5)本发明提供的一种基于井上下空间立体瞬变电磁数据采集的探测系统，由于地表系列接收探头、垂直孔系列接收探头、第一开采水平系列接收探头和第二开采水平系列接收探头多次同步接收电磁场信息，因此，本发明能够在三维立体成图的基础上进行四维成图和动态解释，进而揭示开采扰动条件下地层和地质异常体的时空演化规律和致灾危险程度。
(6)本发明提供的一种基于井上下空间立体瞬变电磁数据采集的探测系统，由于瞬变电磁发送机和发送回线可以选择布置于井下开采水平内，且接收探头可布置在多紧邻两个开采水平工作面内或垂直孔内，因此，本发明能够有效降低低阻含水层或高阻异常体对电磁波的吸收或屏蔽作用，有效提高探测分辨率和精度。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，图1是本发明一种基于井上下空间立体瞬变电磁数据采集的探测系统结构示意图。
图中标记为：1-瞬变电磁发送机，2-瞬变电磁发送回线，3-瞬变电磁接收机，4-地表系列接收探头，5-垂直孔系列接收探头，6-第一开采水平系列接收探头，7-第二开采水平系列接收探头，8-地表，9-垂直孔，10-第一开采水平，11-第二开采水平。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
图1显示的是本发明一种基于井上下空间立体瞬变电磁数据采集的探测系统的优选实施例。
所述基于井上下空间立体瞬变电磁数据采集的探测系统，包括瞬变电磁发送机1、瞬变电磁发送回线2、瞬变电磁接收机3、地表系列接收探头4、垂直孔系列接收探头5、第一开采水平系列接收探头6和第二开采水平系列接收探头7；所述瞬变电磁发送机1和所述瞬变电磁发送回线2均布置于地表8上，位于拟探测目标正上方；所述垂直孔系列接收探头5布置于垂直孔9内，所述第一开采水平系列接收探头6布置于第一开采水平10内，所述第二开采水平系列接收探头7布置于第二开采水平11内；所述第一开采水平系列接收探头6布置于所述地表系列接收探头4正下方，所述垂直孔9位于所述第一开采水平10内，与所述地表8沟通，所述第二开采水平11位于所述第一开采水平10紧邻上方；所述瞬变电磁发送机1的发送电流i和所述瞬变电磁发送回线2长度l由所述第一开采水平10距离所述地表8最大深度h和地层电阻率ρ确定，所述地表系列接收探头4布置于所述瞬变电磁发送回线2范围内，长度为所述瞬变电磁发送回线2长度l的2/3。
在工作状态下，所述瞬变电磁发送机1和所述瞬变电磁发送回线2发送出一次脉冲电磁场，所述地表系列接收探头4、所述垂直孔系列接收探头5、所述第一开采水平系列接收探头6和所述第二开采水平系列接收探头7同步观测二次涡流电磁场状态，并将观测数据传输所述瞬变电磁接收机3。
在本实施例中，探测深度h在500m以内，所述瞬变电磁发送机1的最大发送电流i为10-20a，优选12a。
在本实施例中，所述瞬变电磁发送回线2长度l等于探测深度h，并随着所述第一开采水平10内工作面推进滚动布置。
在本实施例中，所述地表系列接收探头4、所述垂直孔系列接收探头5、所述第一开采水平系列接收探头6和所述第二开采水平系列接收探头7均等间距布置，间距为8m。
在本实施例中，所述垂直孔系列接收探头5、所述第一开采水平系列接收探头6和所述第二开采水平系列接收探头7均通过电缆或光纤与所述瞬变电磁接收机3连接。
在本实施例中，所述垂直孔系列接收探头5、所述第一开采水平系列接收探头6和所述第二开采水平系列接收探头7均为三分量接收装置，且型号相同。
在本实施例中，所述瞬变电磁发送机1经由瞬变电磁发送回线2发送一次脉冲电磁场，所述垂直孔系列接收探头5、所述第一开采水平系列接收探头6和所述第二开采水平系列接收探头7同步接收二次涡流电磁场，根据发送回线、接收探头、探测目标体或异常体之间的耦合关系，进行正反演计算与分析，进而实现综合精细化解释。
在本实施例中，所述地表系列接收探头4、所述垂直孔系列接收探头5、所述第一开采水平系列接收探头6和所述第二开采水平系列接收探头7随所述第一开采水平内工作面推进，实时同步接收所述瞬变电磁发送机1经由瞬变电磁发送回线2发送一次脉冲电磁场感应产生的二次涡流电磁场，获得多次探测数据和资料解释成果，实现立体动态探测和空间综合解释。
在其他实施例中，探测深度h在500m以上，所述瞬变电磁发送机1的最大发送电流i为20-40a。，优选28a。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。