煤矿井下孔中瞬变电磁空间透视装置及方法与流程

本发明涉及一种煤矿井下孔中瞬变电磁空间透视装置及方法。适用于地球物理勘验技术领域。

背景技术：

近年来随着浅部煤炭资源的濒临枯竭，煤炭开采逐渐向更深处进行采掘，但随之而来的复杂地质条件很大程度上增大了开采难度，特别是断层、陷落柱及裂隙发育带等隐蔽地质构造是酿成突水事故的重大隐患，如何准确识别与定位这些隐蔽地质构造，提前获知其富水性，是当下煤矿安全高效开采的关键。

煤炭矿井地质构造探测方法主要有钻探法和地球物理探测法。其中钻探法最直接有效，但存在施工成本大、效率低的缺点，只是“一孔之见”。由于构造导水后，其电阻率较围岩明显变低，显示低阻异常特征，这为以电阻率差异为基础的地球物理方法应用提供了探测基础。地球物理方法探测速度快，成本低，特别是矿井瞬变电磁法具有对低阻异常灵敏、分辨率高的优势在探查煤矿地质构造及其富水性方面应用广泛。

矿井瞬变电磁法通过对发射线圈供电，向煤层迎头或顶底板发射一次电磁场，电流关断后，煤层或围岩中的地质体受激发产生二次涡流场，该场包含了丰富的地质信息，通过接收线圈获取二次场响应值，分析其随时间的衰减规律，可达到探测隐蔽地质体的目的。常规的矿井瞬变电磁法由于在巷道中完成发射与接收，受采掘机、锚杆锚网及液压支架等金属干扰影响严重，采集的二次场数据容易发生畸变，给资料解释带来很大的困难，而现有的干扰压制方法处理效果一般。

矿井瞬变电磁法发射与接收采用多匝小回线装置，受回线之间自感互感影响会产生电感电动势，使关断时间加长，导致浅部存在探测盲区。不少学者对多匝小回线的电感理论进行了深入研究，但均未提出理想的校正方法。或者直接丢弃早期数据，不进行浅部地质解释。此外，矿井瞬变电磁法的多解性导致难以对地质异常体准确定位。

针对以上难题，有学者考虑改进矿井瞬变电磁法的施工方法，例如在矿井巷道中发射，钻孔中接收；在钻孔中完成发射与接收。

专利公布号为cn106970424a的中国发明专利，公开了一种煤矿井下孔巷瞬变电磁叠加超前探测装置及方法，采用线框边长不大于5m，匝数不小于10匝，竖直放置于井下钻孔孔口位置的小线框发射瞬变电磁波形，旋转外发射框，在孔中用探头接收磁场多分量。但该装置采用孔口发射，不可避免地收到金属干扰影响，且孔口附近线圈互感导致有探测盲区。此外，巷道空间限制了发射线框的大小，加上井下防爆要求，发射功率有限，这就导致随着接收线框到孔口距离的逐渐加大，接收信号均越来越弱，无法获取孔口附近及钻孔深处的地质异常信息，钻孔利用率不足。

专利公布号为cn10327858a的中国发明专利，公开了一种煤矿井下孔中多分量瞬变电磁法，测量采用孔中对偶双发射线圈，接收六个方向的径向分量信号，实现了孔内激发与接收。但该装置同样无法解决发射与接收线框间的互感问题，不能对浅部探测盲区进行地质解释，且不能对地质异常体准确定位。电磁波ct透视技术在一侧巷道中发射电磁波、另一测巷道中接收，观测是否存在透视异常来获取工作面内地质体分布情况，但无法识别地质异常体的富水性。若工作面宽度超过其穿透深度有限，在巷道中则接收不到信号，且无法对迎头前方的地质情况进行探测。

矿井瞬变电磁法的探测盲区造成浅部信息损失，以及目前技术手段难以实现地质异常体的精确定位是现有技术存在的主要缺陷。因此，如何获取整个探测范围内的地质信息，实现对地质构造的追踪识别及高精度定位是迫切需要解决的技术难题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种煤矿井下孔中瞬变电磁空间透视装置及方法，以避开矿井内金属体的干扰，能解决浅部探测盲区，获取整个瞬变电磁探测范围内的地质信息，形成对整个探测区域的透视。

本发明所采用的技术方案是：一种煤矿井下孔中瞬变电磁空间透视装置，其特征在于：包括发射装置和用于接受所述发射装置所发送信号的接受装置；

所述发射装置具有圆柱状壳体ⅰ，圆柱状壳体ⅰ一端接有圆锥形盖体ⅰ，另一端同轴接有推进杆ⅰ；所述圆柱状壳体ⅰ内设有垂直圆柱状壳体轴向的轮轴，轮轴上设置有第一线圈；

所述接受装置具有圆柱状壳体ⅱ，圆柱状壳体ⅱ一端接有圆锥形盖体ⅱ，另一端同轴接有推进杆ⅱ；所述圆柱状壳体ⅱ内设有磁芯探头，磁芯探头接于连接件上，连接件经旋转驱动机构可绕圆柱状壳体ⅱ轴线转动的安装于所述推进杆ⅱ上。

所述轮轴具有中心轴和固定于中心轴上的两叶轮片，中心轴垂直所述圆柱状壳体ⅰ轴向布置，所述第一线圈绕制在中心轴上、两叶轮片之间。

所述磁芯探头具有铁氧体磁芯和第二线圈，其中铁氧体磁芯垂直所述圆柱状壳体ⅱ轴向布置，该铁氧体磁芯一端固定于所述连接件上，铁氧体磁芯另一端上绕制有第二线圈。

所述铁氧体磁芯上装有漏斗状的用于屏蔽非探测方向电磁信号的屏蔽罩，所述第二线圈位于屏蔽罩内。

所述屏蔽罩由坡莫合金制成。

所述旋转驱动机构具有步进电机，步进电机固定于所述推进杆ⅱ上，步进电机输出轴于推进杆ⅱ同轴，步进电机的输出轴同轴连接第二柱状凸起结构，并经第二柱状凸起结构配合所述连接件端部的连接孔实现与连接件相连。

一种煤矿井下孔中瞬变电磁空间透视方法，其特征在于，采用所述煤矿井下孔中瞬变电磁空间透视装置，步骤如下：

s1、煤矿井下岩层内平行设置有钻孔孔a和孔b，且孔a和孔b内均匀设置有相同数量且位置对应的测试点；

s2、将发射装置送入孔a，并保持发射装置中的轮轴始终水平，发射装置在孔a内依次在每个测试点上发送信号；

将接收装置送入孔b，接收装置在孔b内与发射装置发送信号的测试点对应位置以固定旋转角度依次完成全方位接收；

经推进杆ⅰ、ⅱ分别推动发射装置和接收装置逐点前进，直至孔a内所有测试点均完成发射，孔b对应位置均完成接收，定位孔b周围的异常体空间位置；

s3、将发射装置送入孔b，并保持发射装置中的轮轴始终水平，发射装置在孔b内依次在每个测试点上发送信号；

将接收装置送入孔a，接收装置在孔a内与发射装置发送信号的测试点对应位置以固定旋转角度依次完成全方位接收；

经推进杆ⅰ、ⅱ分别推动发射装置和接收装置逐点前进，直至孔b内所有测试点均完成发射，孔a对应位置均完成接收，定位孔a周围的异常体空间位置；

s4、通过两钻孔之间相对的两个发射点进行异常空间交汇，定位与验证异常体在工作面内的空间位置；

s5、通过分析不同发射点定位的异常体空间位置，追踪识别异常沿钻孔方向的发育情况，从而实现对地质异常体在煤层中的精确空间透视定位。

所述固定旋转角度为15°。

本发明的有益效果是：本发明分别针对孔a和孔b进行了两次完整透视，其中两次透视结果不仅能保证各测点的有效探测范围覆盖相对位置的浅部盲区，获得整个探测区域内的地质信息，还可进行中间重叠透视区域的信息相互空间交汇与验证，每个测点可进行多角度全方位的透视，降低了井下电磁等随机干扰的影响，解决非透视方向异常响应干扰的影响。此外，通过沿钻孔逐点进行透视工作，可追踪识别地质异常体的发育规律，实现异常的高精度空间定位。

本发明不仅能够避开矿井内金属体的干扰，还能压制随机干扰。最重要的是本发明可获取浅部探测盲区的地质信息，解决非透视方向异常响应对异常定位的影响，形成对整个瞬变电磁探测区域的透视，达到对地质异常体的追踪识别及高精度定位。在两个钻孔内分别进行发射与接收，避免了发射与接收装置之间的互感影响，提高了钻孔的利用率。此外，该方法也可推广应用于山区隧道掘进中，实用性强。

附图说明

图1为实施例中发射装置的结构示意图。

图2为实施例中接收装置的结构示意图。

图3为实施例中磁芯探头的结构示意图。

图4为实施例中连接件的结构示意图。

图5为实施例中推进杆ⅱ的端部结构示意图。

图6为实施例中煤矿井下孔中瞬变电磁空间透视方法的孔间透视施工布置图。

图7为实施例中煤矿井下孔中瞬变电磁空间透视方法的工作示意图。

图中：101、圆锥形盖体ⅰ；102、圆锥形盖体ⅱ；201、圆柱状壳体ⅰ；202、圆柱状壳体ⅱ；3、轮轴；4、第一柱状凸起结构；5、第一线圈；6、第二线圈；7、连接件；802、推进杆ⅱ；9、屏蔽罩；10、铁氧体磁芯；11、连接孔；13、步进电机；14、第二柱状凸起结构；16、地质异常体；17、孔a；18、发射装置；19、测试点；20、孔b；21、接收装置；22、测点移动方向；23、盲区；24、接收范围。

具体实施方式

本实施例为一种煤矿井下孔中瞬变电磁空间透视装置，包括发射装置和接受装置，接受装置用于接受发射装置所发送的信号。

本例中发射装置具有圆柱状壳体ⅰ，圆柱状壳体ⅰ一端接有圆锥形盖体ⅰ，另一端同轴接有推进杆ⅰ。圆柱状壳体ⅰ底端轴向设置有第一柱状凸起结构，第一柱状凸起结构表面设置有螺纹，推进杆ⅰ通过第一柱状凸起结构与圆柱状壳体ⅰ相连。

本实施例中圆柱状壳体ⅰ内设有垂直圆柱状壳体轴向的轮轴，轮轴上设置有第一线圈。轮轴包括中心轴和制于中心轴上的两叶轮片，中心轴两端固定在圆柱状外壳体内壁上，中心轴的轴向与圆柱状壳体ⅰ轴向垂直，第一线圈绕制在两叶轮片之间的中心轴上。

本例中接受装置具有圆柱状壳体ⅱ，圆柱状壳体ⅱ一端接有圆锥形盖体ⅱ，另一端同轴接有推进杆ⅱ，推进杆ⅱ深入圆柱状壳体ⅱ内部。圆柱状壳体ⅱ内设有磁芯探头，磁芯探头接于连接件上，连接件经旋转驱动机构可绕圆柱状壳体ⅱ轴线转动的安装于推进杆ⅱ上。

本实施例中磁芯探头具有铁氧体磁芯和第二线圈，其中铁氧体磁芯沿圆柱状壳体ⅱ径向布置，垂直圆柱状壳体ⅱ轴向布置，该铁氧体磁芯一端固定于连接件上，铁氧体磁芯另一端上绕制有第二线圈。铁氧体磁芯上装有漏斗状的屏蔽罩(由坡莫合金制成)，用于屏蔽非探测方向电磁信号，有利于地质异常体的空间准确定位，第二线圈位于屏蔽罩内。

本实施例中旋转驱动机构具有步进电机，步进电机固定于推进杆ⅱ上，步进电机输出轴与推进杆ⅱ及圆柱状壳体ⅱ同轴布置，步进电机的输出轴同轴连接第二柱状凸起结构，并经第二柱状凸起结构连接连接件。连接件的端部制有连接孔，连接孔内制有内螺纹；第二柱状凸起结构上制有与连接孔内内螺纹适配的外螺纹，两者螺纹连接。

本实施例还提供一种煤矿井下孔中瞬变电磁空间透视方法，基于本例中的煤矿井下孔中瞬变电磁空间透视装置，适用于地质异常体的透视探测，包括以下步骤：

s1、煤矿井下岩层内平行设置有孔a和孔b，且孔a和孔b内均匀设置有相同数量且位置对应的测试点；

s2、将发射装置送入孔a，并保持发射装置中的轮轴始终水平，发射装置在孔a内依次在每个测试点上发送信号；

将接收装置送入孔b，接收装置在孔b内与发射装置发送信号的测试点对应位置以固定旋转角度15°依次完成全方位接收，从0°开始接收，每隔15°接收一次；

经推进杆ⅰ、ⅱ分别推动发射装置和接收装置逐点前进，直至孔a内所有测试点均完成发射，孔b对应位置均完成接收，定位孔b周围的异常体空间位置；

s3、将发射装置送入孔b，并保持发射装置中的轮轴始终水平，发射装置在孔b内依次在每个测试点上发送信号；

将接收装置送入孔a，接收装置在孔a内与发射装置发送信号的测试点对应位置以固定旋转角度依次完成全方位接收；

经推进杆ⅰ、ⅱ分别推动发射装置和接收装置逐点前进，直至孔b内所有测试点均完成发射，孔a对应位置均完成接收，定位孔a周围的异常体空间位置；

s4、通过两钻孔之间相对的两个发射点进行异常空间交汇，定位与验证异常体在工作面内的空间位置；其中，发射信号的测试点为发射点；

s5、通过分析不同发射点定位的异常体空间位置，追踪识别异常沿钻孔方向的发育情况，从而实现对地质异常体在煤层中的精确空间透视定位。

本实施例中步骤s1还具体包括：对孔a和孔b内的测试点从0开始依次进行标号，每个接收点由步进电机带动磁芯探头以固定角度均匀逐方向接收，同一钻孔内接收点之间的距离为固定点距，固定点距设置为1m，接收信号的测试点为接收点。

本例中步骤s2具体包括：本例中在孔a中发射装置内的第一线圈位于0号发射点发送信号，孔b内的磁芯探头在0号接收点以固定的角度间隔逐角度进行接收信号；完成0号发射点的透视工作后，推动发射装置移到1号测试点发送信号，推进磁芯探头到1号接收点区域内逐角度进行接收信号；继而按照标号顺序依次对每个测试点进行透视探查，直至完成孔a17内所有发射点的透视工作。

如图7所示，实线圆形线框范围是孔a发射、孔b接收时的有效探测区域，孔a附近网格区域为此时的浅部盲区。虚线圆形线框范围是孔b发射、孔a接收时的有效探测区域，孔b附近为此时的浅部盲区。两次工作时的探测盲区都位于发射孔附近，盲区大小相同。可以发现，两次透视结果不仅能保证各测点的有效探测范围覆盖相对位置的浅部盲区，还可进行中间重叠探测区域的相互验证。此外，接收装置的上的。在两个钻孔内分别进行发射与接收，避免了发射与接收装置之间的互感影响，提高了钻孔的利用率。

随着发射与接收在钻孔中的不断深入，能够追踪识别异常体向工作面内延伸情况。再通过分析不同发射点揭露的异常体位置，能够追踪识别异常沿钻孔方向的发育情况，进而实现对地质异常体的空间透视与精确定位。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。