基于u形螺线源的矿井瞬变电磁探测装置与方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及地质与勘探地球物理领域，尤其涉及一种基于U形螺线源的矿井瞬变 电磁探测装置与方法。
【背景技术】
[0002] 瞬变电磁法（Transient Electromagnetic Method，简称TEM)是一种建立在电磁 感应原理基础上的时间域人工源电磁探测方法。它是利用不接地回线或接地导线向地下发 射一次场，在一次场关断后，测量由地下介质产生的感应二次场随时间的变化，来达到寻找 各种地质目标的一种地球物理勘探方法。将瞬变电磁法应用于矿井井下探测时，称为矿井 瞬变电磁法（Mine Transient Electromagnetic Method，简称MTEM)〇
[0003] 目前，在矿井瞬变电磁探测中，主要的观测系统有中心回线方式、重叠回线方式和 偶极方式。图1是偶极方式观测系统示意图。整个系统一般由发射线圈、发射机、主机和接收 线圈四部分组成(有的系统发射机和主机为一体机）。不论采用哪种观测系统，发射线圈一 般采用多匝方形回线源。在数据处理方面，一般是先计算全区视电阻率(将磁场强度转换为 视电阻率），然后进行时深转换(将采样时间转换为深度），最后成图解释。
[0004] 以上传统矿井瞬变电磁探测装置与方法具有如下缺点：
[0005] (1)抗干扰能力差，井下探测具有干扰源复杂(包括工业电、铁轨、锚杆、掘进机等） 的特点；多匝方形回线源易受线圈附近干扰源影响，这会降低探测精度和分辨率。
[0006] (2)发射线圈和接收线圈互感较强，这会增大仪器的关断时间，造成20m左右的探 测盲区。
[0007 ] (3)发射线圈尺寸相对较大，限制了在狭小巷道空间中的应用。
【发明内容】
[0008] 针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于U形螺线源的矿井瞬变电磁探 测装置与方法，以适应干扰源复杂和探测空间狭小的井下探测条件，并减小探测盲区，提高 数据处理精度和分辨率。
[0009] 为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是:一种基于U形螺线源的矿井瞬变电 磁探测装置，包括发射线圈、发射机、主机和接收线圈;所述发射线圈与发射机连接，发射机 和接收线圈均与主机连接;所述发射线圈设有非导电U形支架和供电电线，所述供电电线以 密绕螺线的方式缠绕在U形支架上，供电电线的起点在U形支架的一端，终点在U形支架的另 一端，两端各预留出2_3m连接线与发射机连接。
[0010] 所述的U形支架由两个直管和一个半圆形弯管组成，直管和半圆形弯管之间通过 螺纹接口连接。
[0011] 所述两个直管尺寸相同，半圆形弯管外径与直管外径一致。
[0012] 所述直管的外径为160mm-320mm，长度0.5m_2m;所述半圆形弯管外径160mm-320mm，半圆的直径0.5m_2m。
[0013]所述U形支架由不导电材料PVC做成。
[0014] 所述发射线圈通过供电电线与发射机连接，发射机和接收线圈通过信号线与主机 连接。
[0015] 所述发射线圈与接收线圈间隔1 -5m。
[0016] 所述发射机和主机距离发射线圈和接收线圈lm之外。
[0017]所述发射机、主机、接收线圈和信号连接线与传统多匝方形回线源瞬变电磁探测 装置相同。
[0018]基于U形螺线源的矿井瞬变电磁探测方法：
[0019] 1)布置测线，在巷道内确定探测起点、终点位置，沿测线在巷道侧帮用粉笔或油漆 每隔5m或10m标上标记；
[0020] 2)组装仪器，将发射线圈通过供电电线与发射机连接，将发射机和接收线圈通过 信号线与主机连接;使发射线圈与接收线圈保持间隔l_5m;使发射机和主机距离发射线圈 和接收线圈lm之外；
[0021] 3)数据采集，采集时，整个探测装置作为一个整体，首先放置在测线起点位置进行 一次数据采集;然后，按照标在巷道侧帮的标记，每隔5m或10m进行一次数据采集，直至测线 餘占. ，-、，
[0022] 4)数据处理，下面给出t(i)采样时间点基于二分搜索算法的全区视电阻率计算步 骤：
[0023] 4.1)给定二分搜索初始取值区间[Pa，Pb]，最小相对误差Emin;
[0024] 4.2)计算中值电阻率01 = (03+01〇/2，带入半空间正演公式132111(:〇=;^|>1，1:(;〇]计 算中值电阻率所对应的理论磁感应强度
[0025] 4.3)计算观测值Bz (i)与理论值Bzm⑴之间的相对误差ε = | Bzm(i)-Bz(i) | /Bz (i); 如果G ，则即为全区视电阻率，对应深度算公式
其中μ〇 = 43?Χ10-7Ν/Α2为真空磁导率，α = 〇.3为全空间系数，第0个采样时间点t(0)=0,计 算结束;否则，进行下一步；
[0026] 4.4)如果队（;〇>132111(:〇则06 = 01，反之0￡1 = 01;返回步骤2)继续执行。
[0027] 步骤4.2中的半空间正演公式可参考文献(李金铭，地电场与电法勘探[M]，北京： 地质出版社，2005)，本文中将不再详述。
[0028] 与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：
[0029] (1)本发明将传统多匝方形回线源改造为U形螺线源，减小了发射线圈附近干扰源 对一次场的干扰，从而提高了数据质量，提高了探测精度和分辨率；（2)本发明将传统多匝 方形回线源改造为U形螺线源，减小了发射线圈与接收线圈之间的互感，即减小了关断时 间，减小了探测盲区；（3)本发明将传统多匝方形回线源改造为U形螺线源，减小了发射线圈 的尺寸，更加适应井下狭小的巷道空间；（4)采用本发明中的计算方法，计算结果更精确； (5)本发明结构简单易于实现，很容易将传统多匝方形回线源瞬变电磁探测装置改造而成。
【附图说明】
[0030] 图1基于多匝方形回线源的矿井瞬变电磁探测装置；
[0031]图2基于U形螺线源的矿井瞬变电磁探测装置；
[0032]图3 U形螺线源示意图；
[0033]图4 U形支架结构示意图；
[0034]图5多匝方形回线源一次场示意图；
[0035] 图6 U形螺线源一次场示意图；
[0036]图7某巷道6号测点实测数据；
[0037]图8基于U型螺线源的矿井瞬变电磁探测装置实测数据成果图。
[0038]图中，1.发射线圈，1-1.U形支架，1-11.半圆形弯管，1-12.直管，1-2.供电电线，2. 发射机，3.主机，4.接收线圈。
【具体实施方式】
[0039]以下参照具体实施例对本发明进行详细的说明。
[0040] 实施例1
[0041]为了说明本发明的抗干扰能力和在减小关断时间方面的效果，本发明给出了传统 方形回线源探测装置和本发明的测试对比结果。
[0042] 实施例中多匝方形回线源和U形螺线源参数设置：
[0043]多匝方形回线源采用边长2m的正方形支架，供电电线长512m，以密绕螺线的方式 缠绕在正方形支架上，两端各留出2.5m与发射机连接(结合附图1)。
[0044] U形螺线源的U形支架1-1由两个直管1-12和一个半圆形弯管1-11三部分组成，材 料均为PVC，直管1-12和半圆形弯管1-13之间通过螺纹接口连接;两个直管1-12尺寸相同， 外径160mm，长度0.5m;半圆形弯管1_11外径160mm，半圆的直径0.5m。
[0045] 供电电线1-2采用原有多匝方形回线源供电电线，长度512m。供电电线1-2以密绕 螺线的方式缠绕在U形支架1 -1上，供电电线1 -2的起点在U形支架1 -1的一端，终点在U形支 架1 -2的另一端，两端各留出2.5m与发射机2连接(结合附图2、3和4)。
[0046] 结附图5和附图6可以看出，多匝方形回线源一次场分布发散(见图5)，关断供电电 流时会在接收线