本发明涉及一种探测方法，特别是一种基于核磁共振技术的地面-巷道超前探测方法。
背景技术：
煤矿水害是与瓦斯、顶板等并列的矿山建设与生产过程中的主要安全灾害之一。在我国煤矿区重大特大事故中，煤矿水害事故在死亡人数方面仅次于其瓦斯事故，居于第2位；在发生次数方面，也仅次于煤矿瓦斯和顶板事故，居于第3位。国家高度重视煤矿水害防治，目前，矿井突水防治技术已列入国家科技支撑计划和重点科技攻关项目，以指导煤矿安全生产。
探测查明煤矿矿井的水文地质情况，包括导含水通道、断层、陷落柱、老窑采空区等的构造及其富水性情况，以便及时采取治理措施，防止突水事故的发生已成为煤矿亟待解决的水文地质问题。
核磁共振，简称NMR，是一种量子效应，是指具有核子顺磁性的物质选择性地吸收电磁能量。布洛赫方程是核磁共振的理论基础。从理论上讲，应用NMR技术的唯一条件是所讨论物质的原子核具有非零磁矩，即在H2O和CH4等分子中电子磁矩成对相互抵消，电子的总磁矩为零，而在这些分子中只有原子核的磁矩。水中氢核(质子)具有足够大的磁矩，其核磁共振性质明显，在比较重要的16种物质原子核的NMR效应中，氢核的NMR效应实际应用处于首位。在稳定磁场作用下，原子核处于一定的能级。如果用适当频率的交变磁场激发它，可以使原子核在能级间产生共振跃迁。
在地面上用专用仪器设备拾取核磁共振信号，就可以探测到是否有地下水存在。因为核磁共振信号的初始振幅与所研究空间内自由水中质子的数量(含水量)呈正比，即在该方法探测深度范围内，在信噪比适宜的情况下，地层中有自由水存在，就有核磁共振信号响应，地层中含水愈多，核磁共振响应愈强。这样，就构成了有水就有反映，无水则无反映的直接找水方法。
与其它地球物理找水方法相比，核磁共振找水方法由于其具有直接探测地下水的性质，该方法已经在水文地质、工程地质中得到了较为广泛的应用。但现有的地面核磁共振技术由于所接收的水的核磁共振信号微弱，所以要求仪器灵敏度很高，故仪器的抗电磁干扰能力较低，而且勘探深度较小并存在勘探盲区，不能及时反馈巷道掘进前方的含水信息；一般的地井核磁共振技术主要探测的顶板含水构造，无法直接服务于巷道的掘进工作，无法进行动态监测。
由此可见，一般的地面核磁共振找水方法与普通的地井核磁共振方法勘探深度浅、精度低、不能有效地直接服务于巷道掘进并进行动态监测。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种基于核磁共振技术的地面-巷道超前探测方法，该方法提高核磁共振的探测深度与圈定含水区域的准确性，分辨能力强、勘探精度高，可以有效地直接服务于巷道掘进，并进行动态监测。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于核磁共振技术的地面-巷道超前探测方法，包括以下步骤：
步骤1：选取待勘探巷道，将发射装置设置在巷道上方对应的地表上；所述发射装置采用大回线线圈，所述大回线线圈为矩形回线线圈，根据待勘探巷道的所处位置确定发射装置的坐标，根据待勘探巷道的深度确定发射装置的有效面积与匝数；
步骤2：利用石英时钟将发射装置与接收探头进行同步；
步骤3：在待勘探巷道中的顶板中心处沿巷道走向排列布置接收探头；所述接收探头为三分量探头；
步骤4：通过仪器操作台供给发射装置频率为拉摩尔频率的交变电流，产生电磁信号，利用巷道顶板处的接收探头接收核磁共振信号；
步骤5：将接收探头探测到的数据通过井下数据采集站及数据传输系统传至地面总控制台进行数据处理；
步骤6：设置固定的时间间隔进行数据采集，地面总控制台通过与前一次采集的数据进行连续对比，当接收到的核磁共振信号发生异常，同时与突水信号发生响应时，则判断工作面掘进前方有含水构造，地面总控制台向工作面示警并停止工作面推进；
当接收到的核磁共振信号无明显异常，且与突水信号比较无响应时，则判断工作面掘进前方安全，工作面进一步掘进，并继续布置接收探头；
步骤7：所述接收探头等距离排列布置，每增加一个接收探头，通过仪器操作台供给发射装置频率为拉摩尔频率的交变电流，再次产生电磁信号，已布置的接收探头重新接收电磁信号，重复步骤5、步骤6直到巷道掘进完成；
步骤8：根据每次接收探头获得的数据，在地面总控制台汇总处理所有接收到的核磁共振信号数据，得到的巷道迎头的含水信息并制成相应图件，地面总控制台将成图显示的核磁共振数据结合已有的水文地质资料进行对比分析，划分出异常区域，从而判断掘进前方的突水范围。
进一步，所述步骤7中的接收探头等距离排列布置，所述相邻两个接收探头之间的距离为5-30米，每5个三分量探头共用一个地下数据采集站。
进一步，所述相邻两个接收探头之间的距离为10米。
进一步，所述步骤5数据处理包括以下步骤：
(5-1)数据的初步处理：将采集到的原始数据传输至总控制台，进行格式转换和初步的滤波处理；
(5-2)三分量数据的提取：将初步处理过的数据进行三分量数据提取。
与现有技术相比：(1)在待测区域上方布置发射装置，供给发射装置频率为拉摩尔频率的交变电流，产生电磁信号后，在地下巷道中利用接收探头采集在地层中的电磁信号，根据其中的信号响应区域，结合已有的水文地质资料，可以圈定出巷道迎头的含水区域，从而判断地质以及水文地质异常，达到突水预测的目的，其施工效率高，拓展性强，提高了核磁共振的探测深度与圈定含水区域的准确性，分辨能力强；
(2)由于发射装置设置在地面，规避了井下防爆条件和巷道空间的约束，可以提高响应信号强度压制干扰；接收点离目标体更近，较地面核磁共振方法和一般的地井核磁共振方法分辨率更高；
(3)随着巷道掘进，每增加一个接收探头，均利用发射装置向大回线线圈通入频率为拉摩尔频率的交变电流，已布置的接收探头全部重新接收电磁信号，并与之前探测到的数据进行连续对比，在掘进过程中，固定时间间隔进行数据采集，一旦发现异常马上停止推进，实现动态监测。
(4)该方法兼具了常规地面和井下方法的优点，又克服了其主要不足，由于井下接收探头可在巷道不同位置不同分量上接收，可以建立覆盖整个巷道的实时预测系统，使预警更有针对性，有效预防矿井突水事故的发生。
附图说明
图1为本发明的地面-巷道核磁共振超前探测装置图；
图2为本发明的接收探头方向示意图；
图3为本发明的接收探头随巷道掘进布置示意图；
图4为本发明的工作流程框图；
图中，1、发射装置，2、接收探头，3、巷道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1-图4所示，本发明采用的技术方案是：一种基于核磁共振技术的地面-巷道超前探测方法，包括以下步骤：
步骤1：选取待勘探巷道，将发射装置设置在巷道上方对应的地表上；所述发射装置采用大回线线圈，所述大回线线圈为矩形回线线圈，根据待勘探巷道的所处位置确定发射装置的坐标，根据待勘探巷道的深度确定发射装置的有效面积与匝数。发射装置设置在地面，规避了井下防爆条件和巷道空间的约束，接收探头与具体探测目标体之间距离短，分辨率高。
步骤2：利用石英时钟将发射装置与接收探头进行同步；
步骤3：在待勘探巷道中的顶板中心处沿巷道走向排列布置接收探头；由于三分量探头能同时接收井下X、Y、Z三个方向的信号，因此，所述接收探头优选为三分量探头；
步骤4：通过仪器操作台供给发射装置频率为拉摩尔频率的交变电流，产生电磁信号，利用巷道顶板处的接收探头接收核磁共振信号；
步骤5：将接收探头探测到的核磁共振信号通过井下数据采集站进行采集，通过数据传输系统传至地面总控制台进行数据处理，根据数据处理结果获得迎头前方地质体的含水信息；
步骤6：设置固定的时间间隔进行数据采集，地面总控制台通过与前一次采集的数据进行连续对比，当接收到的核磁共振信号发生异常，同时与突水信号有响应时，则判断工作面掘进前方有含水构造，地面总控制台向工作面示警并停止工作面推进；
假定大地呈水平层状，电阻率的垂直分布已知(ρ(r)＝ρ(z))，则地面核磁共振感应电动势的公式可进一步写为如下形式：
其中E0(q)是初始振幅，K为积分核函数，K与激发脉冲矩q、岩石电阻率ρ、及岩层埋深z、地磁场倾角α有关，n(z)是含水量，0≤n(z)≤1。n(z)＝VF/V，VF，V分别为探测体积内的自由水体积和探测体积。核函数K(q,ρ(z),α)如下：
式中I和J分别表示剖分微元径向和切向的单元个数，圆频率ω0＝γΒ0，M0表示单位体积内的磁矩，θ为扳倒角，B⊥是激发磁场垂直于地磁场的分量。
假设含水层分层均匀，可以进一步令
式中nj为第j含水层的含水量，且0≤nj≤1：zj为第j含水层顶面埋深，也是数值计算的模型z向节点坐标；Δzj为对应的含水层厚度。这样公式可以离散化为:
qi为第i个电流脉冲强度，i＝1,2,…,I，I为电流脉冲强度总个数。
均匀半空间中，含水层上下方的介质导电性相同，在关断发射电流后，含水层相当于一个新的“发射源”，由上面的公式可知，初始振幅信号只与接收线圈的垂向距离Z有关。当接收探头位于巷道，距离巷道掘进前方的含水层较近时，初始核磁共振振幅的响应较地面的响应会更加明显，且需要较低的脉冲矩就可以探测到前方含水目标体。
当接收到的核磁共振信号无明显异常，且与突水信号比较无响应时，则判断工作面掘进前方安全，工作面进一步掘进，并继续布置接收探头；
步骤7：所述接收探头等距离排列布置，每增加一个接收探头，通过仪器操作台供给发射装置频率为拉摩尔频率的交变电流，再次产生电磁信号，已布置的接收探头重新接收电磁信号，重复步骤5、步骤6直到巷道掘进完成；
步骤8：根据每次接收探头获得的数据，在地面总控制台汇总处理所有接收到的核磁共振信号数据，得到的巷道迎头的含水信息并制成相应图件，由于采集到的数据具有空间特性，除了对数据进行二维成图，还进行三维成图；所以数据的成图显示包含二维、三维显示两部分，使得图象的解释更具可靠性；地面总控制台将成图显示的核磁共振数据结合已有的水文地质资料进行对比分析，划分出异常区域，从而判断掘进前方的突水范围。
进一步，所述相邻两个接收探头之间的距离为5-30米，每5个三分量探头共用一个地下数据采集站，地下信号采集站将地下信号三分量接收探头接收到的信号通过信号传输线进行采集，并进行存储。
进一步，所述相邻两个接收探头之间的距离为10米。
进一步，所述步骤5数据处理包括以下步骤：
(5-1)数据的初步处理：将采集到的原始数据传输至总控制台，将原始数据进行格式转换和初步的滤波处理；核磁共振找水仪使用了多项式平滑方式滤波和傅里叶滤波。仪器自身系统提供了最平滑的一维解。依据实测信号曲线噪声水平，输入5～50ms之间任一个滤波常数，PC机可实现自动滤波和圆滑。对于工频谐波噪声，可通过自适应陷波器或带阻滤波有效地滤除。为了剔除接收到信号的电磁干扰和工区噪声干扰，故进行滤波处理，以保证数据质量的可靠性，排除干扰造成虚假异常，提高探测精度；
(5-2)三分量数据的提取：将初步处理过的数据进行三分量数据提取；由于电磁信号是空间分布的，来自于不同方向的信号都会被三分量接收探头接收到，各个方向的信息权重也不尽相同，为了充分应用所得到的信号，故将信号进行三分量数据提取，将所提取的不同方向的数据各自进行下步处理。
本发明随着巷道掘进，每增加一个接收探头，均利用发射装置向大回线线圈通入频率为拉摩尔频率的交变电流，已布置的接收探头全部重新接收电磁信号，并与之前探测到的数据进行连续对比，在掘进过程中，固定时间间隔进行数据采集，一旦发现异常马上停止推进，实现动态监测。所述接收探头均进行多次探测并通过井下数据采集站及数据传输系统传至地面总控制台，经过地面总控制台汇总处理过后，选取同一探头的在不同探测时段获得的结果，或选取不同探头在同一探测时间获得的结果，从中对其X分量、Y分量、Z分量分别进行对比分析，判定掘进前方突水区域范围，进行预测预报。该方法施工效率高，拓展性强，实现了动态监测，提高了核磁共振的探测深度与圈定含水区域的准确性，分辨能力强，可以直接地服务于巷道掘进。