确定富水性的地井三维复合频率电磁探测装置及方法与流程

本发明涉及水文地质工程的地球物理探测技术领域，具体地指一种确定富水性的地井三维复合频率电磁探测装置及方法。

背景技术：

水文地质工程资源调查及探测常用的手段为钻孔探测(简称“钻探”)和地球物理探测(简称“物探”)。由于钻探方法成本高、耗时长，且钻探结果为一孔之见，探查范围极为有限，故仅采用钻探手段难以满足实际生产的需要。而物探因成本低、快速、探查范围大、距离远等优点，虽然种类较多，如直流电法、激电法、电磁法等方法技术现已在地面物探探水中得到广泛应用；但目前其工作空间主要为地面，当地表存在较厚低阻覆盖层或电磁干扰较大时，地面发射、观测的工作模式对深部目标体的探测效果通常较差。

物探的工作空间可以是空中、地面和井下。一般来讲，井中物探的探测精度较高、探测深度相对较大。这是由于接收点离地下目标体更近，由目标体引起的异常受其他地层的影响更小因而更加明显；并且接收点位于地下，有效避免了地表存在的各种电磁干扰及低阻覆盖层的影响，使信号质量更高、穿透深度更大。因此，地面发射、井下接收的地井物探装置在解决深部盲富水性探测领域可发挥重要的作用。

近些年随着国外各种物探仪器设备的不断涌入、理论研究的逐渐成熟，在富水性资源探测方面的物探探测越来越受到国内的重视；但我国的地井物探方法才刚刚开始，从整体来看，对于地井物探方法的研究和应用程度及范围仍非常有限。

参考文献：《电磁测深法原理》1990年、地质出版社，朴化荣著；《时间域电磁法原理》2007年中南大学出版，牛之琏编著；《双频激电法》2006年、高等教育出版社，何继善；于景郁，矿井瞬变电磁理论及技术研究[d].徐州:中国矿业大学，2001；谭代明，地下全空问瞬变电磁响应的研究[j]，物探与化探，2009,33(4):436-439。

技术实现要素：

本发明的目的就是要提供一种确定富水性的地井三维复合频率电磁探测装置及方法，本发明利用地面发射复合频率电磁场，井中(钻孔)接收复合电磁场的方法，可以有效避免地表存在的各种电磁干扰及低阻和高阻覆盖层的影响，使信号质量更高、穿透深度更大。

为实现此目的，本发明所设计的一种确定富水性的地井三维复合频率电磁探测装置，其特征在于：它包括现场主机、探头和复合频率电磁信号发射器，探头包括三维电磁场传感器、电磁信号接收模块、单片机和三维电子罗盘，复合频率电磁信号发射器设置在待测钻孔的孔口区域，现场主机包括中央处理器、系统总线和复合频率电磁信号驱动模块，中央处理器的复合频率电磁信号控制指令通信端通过系统总线连接复合频率电磁信号驱动模块，复合频率电磁信号驱动模块的信号输出端与复合频率电磁信号发射器的信号输入端连接；

三维电磁场传感器的信号输出端连接电磁信号接收模块的信号输入端，电磁信号接收模块的信号输出端连接单片机的电磁信号输入端，三维电子罗盘的通信端连接单片机的罗盘信号通信端，单片机的主机数据通信端连接中央处理器的单片机数据通信端；

所述复合频率电磁信号发射器用于在复合频率电磁信号驱动模块的控制下向在待测钻孔发射复合频率电磁信号；探头的三维电磁场传感器用于接收复合频率电磁信号中的与待测钻孔各个坐标点对应的电磁直达信号，以及待测钻孔周围岩体被复合频率电磁激励的与待测钻孔各个坐标点对应的三维二次场电磁信号，三维电子罗盘用于感应探头在待测钻孔内的轨迹数据；

所述单片机用于将接收到的与待测钻孔各个坐标点对应的电磁直达信号、与待测钻孔各个坐标点对应的三维二次场电磁信号进行模数转换处理，得到与待测钻孔各个坐标点对应的三维电磁直达数字信号、与待测钻孔各个坐标点对应的三维二次场电磁数字信号；

所述中央处理器1.1用于将与待测钻孔各个坐标点对应的三维二次场电磁数字信号除于上述与待测钻孔各个坐标点对应的三维电磁直达数字信号得到测钻孔各个坐标点的三维电磁场场强数据，然后对测钻孔各个坐标点的三维电磁场场强数据进行成像得到测钻孔三维电磁场成像图；

所述中央处理器还用于根据三维电子罗盘得到的感应探头在待测钻孔内的轨迹数据绘制出钻孔轨迹图；

所述中央处理器用于对测钻孔三维电磁场成像图进行处理，找出是否存在某个待测钻孔坐标点的三维电磁场场强大于整个待测钻孔所有坐标点的三维电磁场场强的三倍均方差，如果存在，则将该待测钻孔坐标点与钻孔轨迹图进行匹配找出钻孔中具体的富水性位置。

一种利用上装置的三维复合频率电磁探测方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：将多个复合频率电磁信号发射器设置在待测钻孔的孔口区域，将探头设置在待测钻孔的孔口，并将探头由待测钻孔孔口向孔底沿各个坐标点步进式推进；

步骤2：中央处理器控制复合频率电磁信号驱动模块通过复合频率电磁信号发射器向在待测钻孔发射复合频率电磁信号；

步骤3：探头的三维电磁场传感器在每个坐标点接收复合频率电磁信号中的与待测钻孔各个坐标点对应的电磁直达信号，以及待测钻孔周围岩体被复合频率电磁激励的与待测钻孔各个坐标点对应的三维二次场电磁信号，三维电子罗盘感应探头在待测钻孔内的轨迹数据；

步骤4：所述中央处理器将与待测钻孔各个坐标点对应的三维二次场电磁数字信号除于上述与待测钻孔各个坐标点对应的三维电磁直达数字信号得到测钻孔各个坐标点的三维电磁场场强数据，然后对测钻孔各个坐标点的三维电磁场场强数据进行成像得到测钻孔三维电磁场成像图；

所述中央处理器还根据三维电子罗盘得到的感应探头在待测钻孔内的轨迹数据绘制出钻孔轨迹图；

步骤5：所述中央处理器对测钻孔三维电磁场成像图进行处理，找出是否存在某个待测钻孔坐标点的三维电磁场场强大于整个待测钻孔所有坐标点的三维电磁场场强的三倍均方差，如果存在，则将该待测钻孔坐标点与钻孔轨迹图进行匹配找出钻孔中具体的富水性位置。

相比于现有探测设备和方法，本发明的有益效果主要表现在：

(1)采用本发明，克服了钻探往往只是“一孔之见”，难于判断钻孔周围及孔底的情况问题。通过地-井三维复合频率电磁探测设备及技术可以探测钻孔周围高、低阻体分布，从而区分钻孔周围岩体岩性，掌握钻孔周边地质情况，提高了钻孔利用率。

(2)采用本发明，实现地-井三维复合频率电磁探测，探测信息量多，同时又在钻孔内避开地面电磁、地表江河、地貌、建筑物等干扰影响，提高微弱信号的识别和处理能力，这样可确保探测结果准确可靠，为指导水源探测提供更科学的依据。

通过本发明装置和方法，可对钻孔周围及孔底的一定范围内进行精细有效的探测，可以探测钻孔周围及孔底0～几百米范围内的富水性，是钻探和物探有机的结合，这样既可提高物探的探测精度又可减少钻探的钻孔数量，做到富水性的精准探测。

附图说明

图1为本发明的使用状态示意图；

图2为本发明中探头的结构框图；

图3为本发明中现场主机部分的结构框图；

图4为本发明中复合频率电磁发射线圈的结构示意图；

图5为本发明中三维电磁传感器的结构示意图。

其中，1—现场主机、1.1—中央处理器、1.2—第二存储器、1.3—人机交互设备、1.4—电池、1.5—系统总线、1.6—第二光缆口、1.7—复合频率电磁信号驱动模块、2—探头、2.1—三维电磁场传感器、2.2—电磁信号接收模块、2.3—单片机、2.4—第一光缆口、2.5—第一存储器、2.6—三维电子罗盘、2.1.1—x轴电磁场传感器、2.1.2—y轴磁场传感器、2.1.3—z轴磁场传感器、3—光纤电缆、4—复合频率电磁信号发射器、4.1—电缆、5—发射连接电缆、6—待测钻孔、7—大地。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

如图1～5所示的一种确定富水性的地井三维复合频率电磁探测装置，其特征在于：它包括现场主机1、探头2和复合频率电磁信号发射器4，探头2包括三维电磁场传感器2.1、电磁信号接收模块2.2、单片机2.3和三维电子罗盘2.6，现场主机1设置在待测钻孔6的大地7的场面，复合频率电磁信号发射器4设置在待测钻孔6的孔口区域，现场主机1包括中央处理器1.1、系统总线1.5和复合频率电磁信号驱动模块1.7，中央处理器1.1的复合频率电磁信号控制指令通信端通过系统总线1.5连接复合频率电磁信号驱动模块1.7，复合频率电磁信号驱动模块1.7的信号输出端与复合频率电磁信号发射器4的信号输入端连接；

三维电磁场传感器2.1的信号输出端连接电磁信号接收模块2.2的信号输入端，电磁信号接收模块2.2的信号输出端连接单片机2.3的电磁信号输入端，三维电子罗盘2.6的通信端连接单片机2.3的罗盘信号通信端，单片机2.3的主机数据通信端连接中央处理器1.1的单片机数据通信端；

所述复合频率电磁信号发射器4用于在复合频率电磁信号驱动模块1.7的控制下向在待测钻孔6发射复合频率电磁信号；探头2的三维电磁场传感器2.1用于接收复合频率电磁信号中的与待测钻孔各个坐标点对应的电磁直达信号，以及待测钻孔6周围岩体被复合频率电磁激励的与待测钻孔各个坐标点对应的三维二次场电磁信号，三维电子罗盘2.6用于感应探头2在待测钻孔6内的轨迹数据；

所述单片机2.3用于将接收到的与待测钻孔各个坐标点对应的电磁直达信号、与待测钻孔各个坐标点对应的三维二次场电磁信号进行模数转换处理，得到与待测钻孔各个坐标点对应的三维电磁直达数字信号、与待测钻孔各个坐标点对应的三维二次场电磁数字信号；

所述中央处理器1.1用于将与待测钻孔各个坐标点对应的三维二次场电磁数字信号除于上述与待测钻孔各个坐标点对应的三维电磁直达数字信号得到测钻孔各个坐标点的三维电磁场场强数据，然后对测钻孔各个坐标点的三维电磁场场强数据进行成像得到测钻孔三维电磁场成像图；

所述中央处理器1.1还用于根据三维电子罗盘2.6得到的感应探头2在待测钻孔6内的轨迹数据绘制出钻孔轨迹图；

所述中央处理器1.1用于对测钻孔三维电磁场成像图进行处理，找出是否存在某个待测钻孔坐标点的三维电磁场场强大于整个待测钻孔所有坐标点的三维电磁场场强的三倍均方差，如果存在，则将该待测钻孔坐标点与钻孔轨迹图进行匹配找出钻孔中具体的富水性位置。

上述技术方案中，钻孔孔口有已知的三维坐标(x、y、z)，用钻孔仪就可以测出钻孔的每点的坐标位置，探测的电磁信号是以钻孔为圆点向钻孔周围探测一定的半径内的地质情况，这样，探测的起点(零点)就是钻孔在该的坐标。(相当于探测结果投影到以钻孔为中心的坐标图上)

轨迹传感器是测角度的，根据测点之间的距离就可以计算测点与测点之间的变化坐标，再以孔口的坐标为原点，就可以得出整个钻孔的坐标数据，根据坐标数据画出钻孔轨迹图。

上述技术方案中，探头2还包括第一存储器2.5，第一存储器2.5的通信端连接单片机2.3的数据存储端，第一存储器2.5用于三维电磁直达数字信号和三维二次场电磁数字信号。

上述技术方案中，单片机2.3的主机数据通信端依次通过第一光缆口2.4、光纤电缆3、现场主机1的第二光缆口1.6及系统总线1.5连接中央处理器1.1的单片机数据通信端；电池1.4分别向现场主机1中的各个设备供电。

上述技术方案中，所述复合频率电磁信号驱动模块1.7的信号输出端经发射连接电缆5与复合频率电磁信号发射器4的信号输入端连接。

上述技术方案中，所述复合频率电磁信号由二种或二种以上频率的电磁信号复合而成(合成一个伪随机信号)，维电磁场传感器2.1同时测量各种频率电磁场信号。这样可以提高观测效率和减少背景干扰。

上述技术方案中，所述现场主机1还包括第二存储器1.2和人机交互设备1.3，第二存储器1.2和人机交互设备1.3均接入系统总线1.5，上述人机交互设备1.3包括触摸屏、显示屏、usb接口和光电旋钮，第二存储器1.2用于存储中央处理器1.1产生的测钻孔三维电磁场成像图和钻孔轨迹图。

上述技术方案中，所述探头2的壳体由直径38～45mm的非金属管用非金属材料封堵成型(金属材料可以有附加的磁场，对三维磁传感器有影响，同时金属材料因导电因素，它对电场也有影响因素)，所述三维电磁场传感器2.1的三维方向与三维电子罗盘2.6的三维方向一致。

上述技术方案中，所述三维电磁场传感器2.1由x轴电磁场传感器2.1.1、y轴磁场传感器2.1.2、z轴磁场传感器2.1.3组成，分别用于接收罗盘方向(x向)、与罗盘方向竖向垂直方向(y向)和与罗盘方向水平垂直方向(z向)的三个方向的电磁场信号。

上述技术方案中，所述复合频率电磁信号发射器4由多匝电缆4.1缠绕在方框体或圆圈框体上构成，其中，方框体的边长为10～1000米，圆圈形状的直径为3～500米。

一种利用上述装置的三维复合频率电磁探测方法，它包括如下步骤：

步骤1：将多个复合频率电磁信号发射器4设置在待测钻孔6的孔口区域(待测钻孔6孔口可以在电磁发射线圈4内，也可以在电磁发射线圈4外)，将探头2设置在待测钻孔6的孔口，并将探头2由待测钻孔6孔口向孔底沿各个坐标点步进式(即即每个坐标点停顿预定设计)推进；

步骤2：中央处理器1.1控制复合频率电磁信号驱动模块1.7通过复合频率电磁信号发射器4向在待测钻孔6发射复合频率电磁信号；

步骤3：探头2的三维电磁场传感器2.1在每个坐标点接收复合频率电磁信号中的与待测钻孔各个坐标点对应的电磁直达信号，以及待测钻孔6周围岩体被复合频率电磁激励的与待测钻孔各个坐标点对应的三维二次场电磁信号，三维电子罗盘2.6感应探头2在待测钻孔6内的轨迹数据；

步骤4：所述中央处理器1.1将与待测钻孔各个坐标点对应的三维二次场电磁数字信号除于上述与待测钻孔各个坐标点对应的三维电磁直达数字信号得到测钻孔各个坐标点的三维电磁场场强数据，然后对测钻孔各个坐标点的三维电磁场场强数据进行成像得到测钻孔三维电磁场成像图；

所述中央处理器1.1还根据三维电子罗盘2.6得到的感应探头2在待测钻孔6内的轨迹数据绘制出钻孔轨迹图；

步骤5：所述中央处理器1.1对测钻孔三维电磁场成像图进行处理，找出是否存在某个待测钻孔坐标点的三维电磁场场强大于整个待测钻孔所有坐标点的三维电磁场场强的三倍均方差，如果存在，则将该待测钻孔坐标点与钻孔轨迹图进行匹配找出钻孔中具体的富水性位置(富水性的电阻较低，低阻体会产生较大的电磁场信号，利用三维磁场大小和方向(正负)值判定分析富水性在待测钻孔6三维体中的哪一个方向，实现三维定向)。

上述技术方案的步骤4中，所述中央处理器1.1将与待测钻孔各个坐标点对应的三维二次场电磁数字信号除于上述与待测钻孔各个坐标点对应的三维电磁直达数字信号得到测钻孔各个坐标点的三维电磁场场强数据的具体方式为：

其中，mkij为计算的归一的二次磁场的某一方向的某一点的磁场信号，即测钻孔各个坐标点的三维电磁场场强；

m0kij为检测的直达的一次磁场的某一方向的某一点的磁场信号，即待测钻孔各个坐标点对应的三维电磁直达数字信号；

m1kij为检测的被激励的二次磁场的某一方向的某一点的磁场信号，即与待测钻孔各个坐标点对应的三维二次场电磁数字信号；

k—1、2、.........n复合频率的某一频率(复合频率发射是由多种频率合成的一个信号，接收时需对每种频率的信号响应进行提取测量。)

i—x、y、z方向

j—1、2、3、.........n测点数。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。